CN105874612A

CN105874612A - 用于太阳能电池的层压背板

Info

Publication number: CN105874612A
Application number: CN201480043376.9A
Authority: CN
Inventors: T·斯特卡普; M·M·莫斯勒希; K·帕万; M·卡姆兰; D·达顿
Original assignee: Suo Laike Sai Er Co
Current assignee: Suo Laike Sai Er Co; Beamreach Solexel Assets Inc
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-08-17
Also published as: KR20160037984A; WO2015017592A2; WO2015017592A3

Abstract

一种背接触太阳能电池结构，其具有光接收正面和电连接至背接触太阳能电池半导体衬底上的基极和发射极区域的电池上图案化基极和发射极金属化结构的金属化背面。由树脂和纤维制成且具有与所述背接触太阳能电池半导体衬底相对匹配的热膨胀系数的背板层压物层附接至所述电池上基极和发射极金属化结构以及所述背接触太阳能电池半导体衬底的未被所述电池上基极和发射极金属化结构覆盖的部分。

Description

用于太阳能电池的层压背板

相关申请案交叉参考

本申请要求2013年7月30日提交的美国临时专利申请61/860,216的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文中。

本申请也是2012年12月28日提交的美国专利申请No.13/807,631的部分延续案，所述申请是进入国家阶段的2012年8月9日提交的PCT/US12/00348，其要求2011年8月9日提交的美国临时专利申请No.61/521,743和2011年8月9日提交的美国临时专利申请No.61/521,754的权益，所有所述申请都是以引用的方式整体并入本文中。

本申请也是2012年3月28日提交的美国专利申请No.13/433,280的部分延续案，所述申请要求2011年3月28日提交的美国临时专利申请No.61/468,548的权益，并且是2011年8月5日提交的美国专利申请No.13/204,626的部分延续案，所述申请要求2010年8月5日提交的美国临时专利申请No.61/370,956的权益，所有所述申请都是以引用的方式整体并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及太阳能电池领域，且更具体来说是背板附接式太阳能电池。

发明背景

目前，结晶硅(多晶和单晶硅两者)在光伏(PV)工业中拥有最大的市场份额，现在是占整个全球PV市场份额的约85％。尽管转移至更薄的结晶硅太阳能电池长久以来被理解为是降低PV成本的最有力和有效的方法之一(因为太阳能电池中所用的结晶硅晶片相对较高的材料成本占了总PV模块成本的一部分)，但利用更薄的结晶晶片因薄晶片极易碎的问题，在晶片处理和电池加工期间的机械破损，以及由薄且易碎的硅晶片引起的所得产量损失而受阻。

而在薄结晶太阳能电池可以受益于永久性背板支撑时，太阳能电池制造加工常常包括增加对薄硅太阳能电池衬底的机械应力和突出与热膨胀错配、粘着缺陷等有关的困难的高温加工。目前的太阳能电池常常包括用于保护和支撑场地中太阳能电池的太阳能电池封装、密封剂、模块和密封片，但其缺乏用作在电池加工期间和在整个太阳能电池场地使用寿命中自身用于支撑的粘结于太阳能电池吸收器的永久性附接层的内在结构特征。

发明概要

因此，出现了对太阳能电池背板附接式背接触太阳能电池的一种需求，其向背接触太阳能电池提供增强的结构支撑。根据所公开的主题，提供了背板附接式背接触太阳能电池，其基本上消除或减少了与先前所开发的太阳能电池有关的缺点和问题。

根据所公开的主题的一个方面，提供了一种具有光接收正面和金属化背面的背接触太阳能电池结构。电池上图案化基极和发射极金属化结构电连接至背接触太阳能电池半导体衬底上的基极和发射极区域。由树脂和纤维制成且具有与背接触太阳能电池半导体衬底相对匹配的热膨胀系数的背板层压物层附接至电池上基极和发射极金属化结构以及背接触太阳能电池半导体衬底的未被电池上基极和发射极金属化结构覆盖的部分。

所公开的主题的这些和其它方面，以及另外的新颖特点，将由本文所提供的描述而明显。本概述的意图并不是所主张的主题的全面描述，而是提供所述主题的一些功能性的简短概述。本文所提供的其它系统、方法、特点和优点对于本领域技术人员在检查以下各图和详细描述后将变得明显。希望包括在这一描述内的所有这类另外的系统、方法、特点和优点都是在任何权利要求的范围内。

附图简述

所公开的主题的特点、性质和优点可以由下文结合附图时所陈述的详细描述而变得更加明显，附图中，类似参考数字指示类似特点，且其中：

图1是包括具有纤维和树脂含量的背板层的背板附接式背接触太阳能电池的截面图；

图2是双层背板附接式背接触太阳能电池的截面图；

图3是包括具有纤维和树脂含量的背板层的两层金属化背板附接式背接触太阳能电池的截面图；

图4是两层金属化双层背板附接式背接触太阳能电池的截面图；

图5是放大二十倍的编织芳纶纤维衬底的照片；

图6是放大二十倍的非编织芳纶纤维衬底的照片；

图7是示出芳纶纤维预浸材料的热膨胀系数或CTE对比树脂含量的数据的图；

图8是概述掺合树脂系统的流变概况的流变图；

图9是说明硅烷与二氧化硅偶合和添加剂在树脂内扩散的图解；

图10A、10B和10C是示出掺合树脂系统的层压过程概况的图；

图11是说明对具有掺合树脂的样品所作的一系列测试的结果的图；

图12A和12B是突出显示在非真空层压期间发生的太阳能电池结构中的空隙的SEM照片；

图13是使用起始结晶(单晶或多晶)硅晶片的高级别太阳能电池和模块制造工艺流程实施方案；以及

图14是根据所公开的主题的背板附接式背接触太阳能电池的截面图。

发明详述

以下描述并不是在限制性意义下进行，而是出于描述本公开的一般原理的目的来进行的。本公开的范围应参考权利要求来确定。本公开的示例性实施方案是在附图中说明，类似数字被用来指各种附图的类似和相应部分。重要的是，提供了实施方案所公开的示例性尺寸和计算结果作为特定实施方案的详细描述并当根据所公开的主题形成和设计太阳能电池时用作一般准则两者。

本申请提供了用于使用包括树脂和纤维的预浸料背板结构支撑大面积(例如面积在约100cm2至数平方米范围内)、薄的(例如厚度在约数微米至数百微米范围内)、脆性材料的独特支撑解决方法。尤其是对于与高效太阳能电池中所用的用于太阳能电池的例如结晶硅的半导体材料匹配的热膨胀系数(CTE)开发了所公开的有机或聚合背板结构和制造方法。

向本领域技术人员提供了创新背板和背板的层压过程特征(用于包括(但不限于)高效太阳能电池的应用)，包括制造实施材料和方法描述。并且尽管本公开是参考例如使用单晶硅衬底和其它所描述的制造材料的指叉式背接触(IBC)太阳能电池的特定实施方案来描述的，但本领域技术人员可以将本文所论述的原理应用于其它太阳能电池，包括(但不限于)非IBC背接触太阳能电池(例如金属化穿绕或MWT背接触太阳能电池)、传统前接触电池；其它制造材料，包括可选的半导体材料(例如包括硅、砷化镓、锗、氮化镓、其它二元和三元半导体的中的一种或组合的材料等)；技术领域；和/或无过度实验的实施方案。

使用背板的创新材料特征和加工要求来制造柔性半导体电子设备和光伏装置并且对于高效结晶硅太阳能电池是尤其有利的。为了支持背接触/背结结晶硅太阳能电池，包括由外延生长的单晶硅或由使用CZ或浇铸多晶晶片制得的结晶硅晶片制得的那些太阳能电池，开发了示例性设计规则。然而，应了解本文所提供的实施方案也适用于其它结晶半导体太阳能电池和模块。

在最简单实施方案之一中，背板可能是单一组件(相对较薄的合适材料的柔性片)，其直接附接(例如粘结)于薄的(例如厚度在约数微米至250微米范围内)硅晶片或硅衬底(或例如GaAs、GaN等其它半导体材料)。图1是包括具有纤维和树脂含量的背板层的背板附接式背接触太阳能电池的截面图。图2是双层背板附接式背接触太阳能电池的截面图。所提供的描述聚焦于应用于使用薄结晶硅吸收器的背接触/背结太阳能电池；然而，应了解本发明的实施方案适用于各种其它太阳能电池设计(例如前接触太阳能电池)和其它半导体吸收器材料。

背板结构可以实现两种主要功能。第一，它是晶片或薄半导体吸收器的整个区域上的结构支撑，提供对于待处理和加工的晶片或薄太阳能电池吸收器足够的机械强度而无损伤或破损，且可以随后层压于最终太阳能电池模块中而无损伤或破损。第二，背板充当介电层或电绝缘层，由此可以在硅晶片或衬底(电池上)上的电池层接触金属化结构(本文称为金属-1、M1或电池上金属化结构)与用于提取太阳能电池功率并和其它太阳能电池互连成模块的第二或最后较高导电性金属化结构(本文称为金属-2或M2)之间建立连接。因此，背板能够实现用于低成本制造高效太阳能电池和模块的背接触/背结太阳能电池的两层金属化架构。图3是包括具有纤维和树脂含量的背板层的两层金属化背板附接式背接触太阳能电池的截面图。图4是两层金属化双层背板附接式背接触太阳能电池的截面图。所公开的主题直接涉及如本文所提供的预浸料背板支撑的背接触太阳能电池和制造，以及2012年3月28日提交并在2013年1月3日以U.S.2009/0000715出版的美国专利申请No.13/433,280、2012年12月28日提交并在2013年2月14日以PCT公布No.WO 2013022479出版的美国专利申请No.13/807,631、2013年4月2日提交并在2013年8月22日以U.S.2013/0213469出版的美国专利申请No.13/822,657以及2013年4月24日提交并在2013年9月5日以U.S.2013/0228221出版的美国专利申请No.13/869,928中所详述的那些内容，所有所述专利申请都以引用的方式整体并入本文中。

另外地和任选地，作为太阳能电池衬底的热和机械解耦结构的背板结构可以能够根据用于各种电池层应用的太阳能电池放置功率半导体电子设备组件，例如用于分布式遮蔽管理(distributed shade management)的整流器开关以及在场地中的各种操作条件下从太阳能电池提取最大功率的最大功率点追踪(MPPT)功率优化器。

根据所公开的主题，背板是树脂浸渍的纤维衬底(典型地厚度在约25微米至约250微米范围内，且更尤其是在75微米至150微米范围内，这取决于在其它考虑因素中所期望的柔性)，其直接层压于薄硅晶片或太阳能电池吸收器的背面。因此，提供简单、坚固、可靠且成本有效的太阳能电池设计。图1和2是背板附接式背接触太阳能电池的截面图。

为背板的创造和评估设立以下设计考虑因素并且本文提供以下设计考虑因素以用作详细设计要求和背板材料选择与测试准则。本文所提供的主要背板实施方案符合整个最终用途产品认证和产品商业化的主要设计目标。用于支撑薄的(例如厚度在数微米至250微米范围内)太阳能电池半导体吸收器材料的背板的合适材料的范围可以通过一系列要求(基本和任选要求)来确定，从而确保与最终用途太阳能电池应用和太阳能电池/模块制造工艺的相容性。边界条件有助于界定材料选择、材料开发和工程评估过程。背板材料和实现方式的高级别标准可能包括(但不限于)以下关键和任选标准的组合：

-良好粘着(即粘结)于用于太阳能电池衬底和钝化、金属化和模块密封剂的各种不同材料的粘着剂系统，所述材料包括例如：硅、二氧化硅、铝、氧化铝、铝/硅烧制膏、烧结铝烧制膏、锡和例如乙酸乙烯乙烯酯(EVA)或聚烯烃的模块密封剂或用于模块层压的任何其它密封剂材料。改良的粘着性缓解并防止层压过程后背板分层的风险。

-所有构成性背板材料应与太阳能电池制造流程中的各种环境(取决于太阳能电池工艺流程)相容。太阳能电池工艺环境包括例如：高度真空、快速热升温、等离子蚀刻、热退火(例如高达约300℃)、湿式加工(例如湿式硅蚀刻、纹理化、清洁和/或金属电镀，例如如果这类湿式加工是在太阳能电池制造工艺期间在背板层压后使用)。举例来说，在一些情况下，太阳能电池工艺流程可能不需要层压后湿式加工且特定环境相容性要求将不会适用于那些特定工艺流程。

-所有构成性背板材料应支持相对较高的加工温度，例如高达约250℃至300℃。在一些情况下，背板应被设计成在高达至少350℃的加工温度下树脂不会热分解。

-所有构成性背板材料应具有合理或足够的导热性以促进热化能量从太阳能电池吸收器层热散开。

-所有构成性背板材料应与激光切割和钻孔(需要时)相容(例如，能够视需要在层压后对背板进行激光修整，并且能够穿过层压背板片实现通孔的激光钻孔以用于通过形成图案化M2所形成的M2-M1导电介层插塞(via plug))。

-总背板系统必须具有与半导体衬底的CTE匹配或相对较接近的CTE，例如在结晶硅太阳能电池的情况下结晶硅具有约2.6至2.8ppm/℃的CTE。换句话说，在整个背板厚度或背板的膨胀控制层上的平均CTE应与半导体衬底具有相对CTE匹配。此外，在两层金属化结构的情况下，CTE匹配对于孔保护尤为重要。

-所有构成性背板材料应不与湿化学物质(如果太阳能电池加工需要)反应。湿化学物质包括例如：酸、碱、溶剂和氧化剂。此外，取决于所需或所选的太阳能电池加工方法，这一要求可能不适用或当电池制造工艺流程实施方案不使用层压后湿式加工(例如如果所有湿式加工都在太阳能电池背板层压之前已经进行)时可能会放宽。

-总背板系统应具有包含的树脂流动，因为包含的树脂流动可以有助于防止长距离树脂流动。

-总背板系统必须提供相对较平坦的电池，例如在背板层压期间和之后，中心至边缘的衬底弯曲/翘曲度小于±3mm。低电池弯曲有助于层压后太阳能电池加工以完成太阳能电池的制造以及随后将所得背板附接式太阳能电池高产量层压成太阳能模块。

-总背板系统应在温度升温期间相对尺寸稳定，例如从约20℃升高至约250℃和从约250℃降低至约20℃，相对平面度或平坦度的变化极小至无变化。

-总背板系统应是介电质或相对电绝缘的且可以在太阳能电池金属化层之间充当有效电绝缘层(例如能够实现具有M1-M2堆叠的两层太阳能电池金属化结构)。

-总背板系统应在IR光谱中是至少部分透明的以用于激光加工(例如激光切割)。

-总背板系统应能够实现增强的电池和模块美学设计。对于受益于太阳能电池和模块的美学上吸引人的外观的应用(例如住宅屋顶或汽车车顶和便携式/可移动太阳能电力应用)尤为重要的考虑因素。

-总背板系统应符合太阳能模块的场地寿命要求，典型地对于场地中的太阳能面板来说至少25年场地寿命。

-总背板系统应是成本有效的，例如具有每瓦特约$0.04或更少的背板片材料成本。

所提供的背板解决方法利用树脂系统作为背板材料中的粘着剂/粘合剂，其在背板片层压于太阳能电池衬底后使电池结构结合在一起。可供使用的树脂系统包括例如环氧树脂、聚酰亚胺和掺合树脂，其全部可购得且各自具有符合用于所公开的主题的应用中的基本和/或任选标准中的某一些的性质。而且在树脂与如本文所描述的支撑纤维衬底组合使用时，存在可能仅使用树脂来进行间隙填充，也就是说使用树脂作为间隙填充剂的独特情况。

而且在使用背板的具有薄结晶硅吸收器的高效背接触/背结(也称为指叉式背接触或IBC)太阳能电池可以使用环氧树脂和掺合树脂系统来制造并且任一种当与适当纤维衬底组合时可以用于可行且成本有效的背板解决方法时，每一种材料系统都有需要考虑的特定优点和缺点。

环氧基树脂系统常见于印刷电路板(PCB)工业中。环氧基树脂系统可以向PCB应用提供低成本、灵活的解决方法且已证明其可以有效地用于制造柔性、高效太阳能电池。环氧树脂有利于提供：对其它太阳能电池层的普遍良好粘着性，对于层压温度和压力的宽泛层压过程耐受性，相对良好的耐化学性，良好的激光钻孔均匀性，以及承受传统焊接过程中局部加热的能力。然而，可能会限制环氧树脂完全实现对于某些太阳能电池应用的所有设计目标的能力的环氧树脂缺点包括：在层压期间的显著树脂流动(其中树脂横向渗透流动规模比背板厚度大得多)、有限的高温耐受性、35至45ppm/℃的相对较高的热膨胀系数(CTE)(比硅的CTE高得多)、层压后树脂的持续固化(交联)、高吸湿性，并且环氧树脂可能需要机械表面粗化来改良对一些太阳能电池层表面的粘着性。然而，已证明用环氧基树脂背板系统制造的太阳能电池符合最终用途太阳能电池应用中的所有可靠性要求。

使用高分子量树脂和例如热塑性塑料(例如有机或合成热塑性橡胶)的热固性树脂的掺合树脂系统也用于PCB工业，但不太常用。掺合树脂常常被定制用于特定应用且可以提供优于环氧树脂的优点以应用于某些柔性高效太阳能电池。本文所提供的掺合树脂系统可能是“不流动”材料且具有大大延长的温度操作窗，例如具有高分子量树脂和热固性树脂的掺合树脂系统。这种掺合树脂系统有利于提供：在再加热期间重置，在层压期间的有限的树脂流动(因此，有限的树脂横向平面内渗透)，高热平衡能力，低吸湿性，对电池中的金属层(例如金属-1层，例如图案化铝接触金属化结构)的良好粘着性，比环氧树脂低的CTE，在高温下有限的另外的树脂交联，以及良好的耐化学性。如同环氧树脂，不流动(或低流动)树脂具有缺点，包括：可能需要粘着促进剂来实现对二氧化硅的粘着性(粘着促进剂的添加可能会导致化学相容性限制)，不良激光通孔钻孔均匀性(需要时)，以及对于温度和压力较窄的层压过程窗。然而，使用热塑性塑料的掺合树脂系统对于一些太阳能电池背板应用来说额外的益处是材料的热塑性性质允许对完全固化的层压物进行加热和重塑以实现完成部件中的特定弯曲度目标。使用掺合树脂系统(例如用热塑性塑料掺合，例如热塑性橡胶)制造的高效太阳能电池以模块结构制造和组装，取得了积极成果。此外，在本文所提供的主要实施方案和大量生产的高效太阳能电池的主要路径中使用掺合树脂系统。

而且尽管树脂单独可能在生产中不是用于太阳能电池结构支撑(例如用于薄硅太阳能电池的支撑)的可行解决方法，但实际上将树脂材料浸渍于纤维衬底中并且使用树脂和纤维的组合来实现所期望的最终背板材料性质，这种材料被称为预浸料(对于浸渍有部分固化树脂的纤维衬底的标准PCB工业术语是预浸料)。本文所提供的主要硅太阳能电池实施方案使用CTE值等于硅衬底的CTE或与之相对匹配的预浸料背板。

一般，预浸料是预浸渍有树脂的强化材料且准备用于制造复合部件(预浸料可以用于比湿式铺层系统更快且更容易地制造复合材料)。预浸料可以通过使用被设计成确保一致性的设备将强化纤维或织物与特别配制的预催化的树脂组合来制造。通过被柔性衬纸覆盖，预浸料可以容易地被处理且在室温下保持柔软达一定时间(超过寿命)。此外，预浸料的进展已经产生不需要冷藏贮存的材料，具有较长保存期的预浸料，和在较低温度下固化的产品。预浸料层压物可以通过在压力下加热来固化。常规预浸料是被配制用于高压釜固化，而低温预浸料可以通过在低得多的温度下仅使用真空袋压力而完全固化。使用预浸料片作为印刷电路板的组成块且可以由树脂和低CTE纤维或粒子的组合制成。预浸料背板材料可能并不昂贵，与太阳能电池衬底CTE匹配(典型地CTE<10ppm/℃，或CTE<5ppm/℃)，是薄的(例如50至250微米，且更尤其是在约50至150微米范围内的)预浸料片，其对织构化化学物质的耐化学性相对更好且在高达至少180℃(或高达至少280℃)的温度下是热稳定的。

使用纤维衬底来实现预浸材料的一般机械性质。纤维确定了层压的许多性质，包括：固化片厚度、平面内(X和Y轴)CTE、机械强度和介电性质。纤维衬底可以轧制而成，从而允许使用连续辊涂和浸涂法以高体积制造预浸料。衬底中所用的纤维类型的选择对于实现最终预浸料层压物的最终性质是至关重要的。

芳纶纤维衬底在PCB工业中在需要低CTE和在受压环境条件下高完成组件可靠性/寿命的应用中具有一席之地。本文所提供的背板层应用具有相对较低的所得预浸料CTE(以匹配或大约匹配太阳能电池吸收器层的CTE)的芳纶纤维和树脂的独特且新颖组合作为永久性热层压于太阳能电池的背板片材料。芳纶纤维具有独特性质，因为其纤维在轴向上具有负CTE(-4.5ppm/℃)而在径向上具有正CTE。事实上，纤维随着温度升高而长度减小。因此，包括纤维加树脂的预浸料系统可以进行微调以实现与最终应用(例如用于作为结晶半导体太阳能电池中的背板的应用)的要求一致的特定CTE目标。芳纶可能另外有利的是其与CO2激光钻孔和切割相容，这是具有例如本文所提供的M1/M2金属化结构实施方案的多层金属化结构的背板附接式背接触太阳能电池中的关键要求。一般，芳纶纤维衬底可以编织和非编织(纸质)衬底获得。

编织芳纶纤维衬底是由以各束纤维之间精确的90°角编织成布料的纤维束组成。这种取向提供了在X和Y方向上平衡平面内CTE的优点并且还提供了优越的机械强度。然而，编织芳纶可能在背板附接式太阳能电池应中具有若干种显著限制，包括：相对较高的材料成本，潜在的未来供应限制(材料被美国政府分类为战略性材料并且会实行配销)，由于在整个编织期间不同的纤维密度而引起不一致的激光钻孔，以及填充纤维束之间的间隙和空隙的高树脂体积需求。图5是放大二十倍的编织芳纶纤维衬底的照片。

非编织芳纶纤维衬底是由压成在X-Y平面内具有随机纤维取向的纸状材料的较短纤维组成。图6是放大二十倍的非编织芳纶纤维衬底的照片。非编织芳纶纤维还在X和Y方向上展现负CTE，但由于随机纤维取向，收缩量略少于编织材料。机械强度可能小于编织材料，但对于例如本文所提供的实施方案的背板附接式太阳能电池是足够高的。当使用非编织构型时，对于编织芳纶材料所指出的所有上文所提的限制都可以解决。然而，非编织材料独有的限制包括：限于6密耳的最大片厚度和在预浸料制造期间更严格的加工均匀性要求。重要的是，这些限制可能对于本文所提供的太阳能电池背板应用具有零影响或极小影响，因为更薄的背板(例如具有在约2至6密耳或约50微米至150微米范围内的厚度)常常是优选的。

此外，使用用非编织芳纶纤维制成的预浸料的广泛实验支持当与相容性树脂材料配对时，可以实现与硅的直接CTE匹配。已经显示使用包括非编织芳纶纤维和掺合树脂预浸料的背板完成的背接触硅太阳能电池符合太阳能电池产品可靠性要求，并且将使用非编织芳纶纤维衬底视为背板附接式高效太阳能电池的大规模制造和商业化的主要纤维预浸料选择。

在另一个实施方案中，可以使用碳纤维。碳纤维衬底在要求高强度、高刚度、高温耐受性和低重量的航空航天和高端消费产品中具有广泛应用，但碳纤维衬底并不典型地用于PCB工业中。碳纤维衬底仅可以编织构型使用而且非常昂贵并且可能对于成本有效的太阳能电池应用来说成本过高。像芳纶一样，碳纤维具有极低CTE(典型地在1-2ppm/℃范围内)且当与相容性树脂系统配对时可以提供具有CTE与例如硅的半导体吸收器的相比的低CTE层压。然而，由于填充编织碳纤维衬底中的间隙和空隙所需的树脂体积量，实现与硅的精确CTE匹配也许是不可能的。关于碳纤维的另外一个考虑因素是导电性或缺乏完全电绝缘，也就是说，虽然碳纤维的导电性并不高，但可能是可以在背板层压太阳能电池设计中所实现的最大效率的一个限制性因素。

由于所指出的限制，在一些情况下，碳纤维背板衬底并不被认为很适合某些低成本、高效太阳能电池，尤其是从成本角度考虑。然而，碳纤维背板材料可用于且适用于期望具有极高刚度的超薄(例如厚度在约20至100微米范围内)背板的背板附接式太阳能电池。

在另一个实施方案中，可以使用玻璃纤维衬底。在PCB工业中玻璃纤维衬底是最常用于预浸料的材料。玻璃纤维给大多数应用提供了吸引人的具有成本竞争力的解决方法并且可以与许多树脂系统组合。然而，玻璃纤维预浸料在高效背板附接式太阳能电池应用中的限制包括：在约5-7ppm/℃范围内的相对较高的CTE(尤其相对于硅)，和激光钻孔均匀性(需要时)的困难。取决于另外的考虑因素，这些限制可能会使玻璃纤维衬底对于作为高效太阳能电池结构中的背板的应用是不太理想的。然而，在一个实施方案中，如果另一层不同材料被夹在硅与玻璃纤维预浸料之间以解除相对CTE错配的影响，那么由玻璃纤维制成的预浸料可以用作太阳能电池背板。

如先前所描述，预浸料是被在涂布操作期间已经部分“固化”的树脂系统饱和的纤维衬底。实际上，织物衬底是在涂布机上用树脂涂布的。具体来说，经由装满树脂在溶剂中的溶液的平底锅拉引材料，且然后穿过一连串“计量棒”以准确地控制沉积于织物上的树脂量。然后拉引树脂饱和的织物穿过去除溶剂并使树脂部分反应(或“B阶”)的一系列温度控制烘箱区。

如本文所公开的，CTE与硅匹配(或CTE大约与硅匹配)的预浸料可以充当用作支撑例如使用薄结晶硅吸收器层的背接触/背结太阳能电池的薄结晶半导体太阳能电池的背板的理想材料。另外地，CTE与硅匹配的预浸料允许具有薄硅半导体层的机械强化的柔性太阳能电池以及在背接触太阳能电池互连设计中形成两层金属化结构。因为预浸料仅部分固化，所以其可以永久性地直接层压于背接触太阳能电池的背面并在适当位置(例如在真空热层压机中)完全固化。因此，预浸料树脂形成对太阳能电池背面表面(其包括图案化金属-1或M1接触金属化结构以及太阳能电池衬底的未被覆盖的部分)的永久性粘结并消除了对额外的粘着剂的需要，从而降低成本并改良可靠性。因为最大预浸料固化温度远低于250℃，所以太阳能电池晶片不受在预浸料固化期间所达到的温度影响。并且尽管可以使用层压压力使树脂在层压固化期间“流动”，但适当的层压夹具设计减轻了晶片因压力而开裂的风险。

应考虑随后会影响背板层压质量的预浸料制造期间的若干种关键控制参数。最关键的准则是实现树脂和纤维的量之间的极特定比率，称为树脂含量(RC)并且典型地是以百分比描述。预浸料中可实现的RC值范围是由若干个因素来确定的：树脂类型、纤维衬底类型、在低RC侧将“干纤维”的缺陷减至最少以及在高RC侧将气泡/皱纹的缺陷减至最少。已经制造使用RC值范围在约20％和65％之间的薄(50至200μm厚度)预浸料片的背板附接式结晶硅太阳能电池。RC应在预浸料片的宽度(其典型地高达50英寸)和卷的预浸料卷(数百码)的长度上相对较均匀以实现背板附接式背接触太阳能电池应用所需的一致性。重要的是，用于所公开的背接触硅太阳能电池的预浸料背板是独特的且显著不同于传统PCB工业预浸料。举例来说，太阳能电池背板应用的预浸料缺陷要求与PCB工业相比较不严格且使得制造成本较低并降低预浸材料成本。然而，为了实现所需的CTE目标，RC均匀性必须维持远低于±5％且优选地好于预浸料制造中的±1％公差。

用于背板支撑的太阳能电池的预浸料制造中的第二个关键因素是纤维衬底网上的张力均匀性，因为其是在预浸料卷制造过程期间经由涂布机绘制的。不均匀的张力会导致翘曲和编织变形，两者都不利于预浸材料一致性。举例来说，制造成具有过度翘曲的材料将会引起层压太阳能电池部件中无法接受的轴向弓起。具有编织变形的材料将会展现层压部件中的扭曲。弓起和扭曲两者都不利于实现更平面的部件。因此，对于在背板附接式太阳能电池(包括(但不限于)背接触太阳能电池)中的背板应用，预浸料卷材料必须制造成RC在20％至65％范围内，而无不均匀的张力并且无过度翘曲和编织变形。

与用于背板支撑太阳能电池的预浸料卷制造有关的第三个关键因素是在加工之前经由涂布线制备纤维衬底。芳纶材料易吸湿，这不利于涂布和B阶固化过程。实际上，衬底必须在树脂涂布之前保持在特定低湿度条件下。这同样的问题也出现在层压于太阳能电池背面之前的预浸料片中。如果芳纶纤维在层压之前已经吸收了环境水分，那么贮存不当的预浸料可能会导致层压后分层缺陷。因此，对于背板附接式太阳能电池(包括(但不限于)背接触太阳能电池)，预浸料卷应在纤维衬底的树脂涂布之前在特定低湿度条件下进行制造且预浸材料必须在太阳能电池层压过程之前保持相对干燥。

树脂与纤维的比率(或树脂含量RC)是定制用于特定应用的预浸料的一个关键因素且在背板附接式太阳能电池的情况下尤其如此。在传统PCB应用中，RC值可以经过选择以平衡：a)用于间隙填充的总树脂体积和b)最后层压的CTE值。50％至75％的RC值对于PCB制造中所用的预浸料是典型的。在这些水平下，存在足以填充板结构中的所有间隙和空隙的树脂。过量的树脂在层压期间被挤压出板组件且稍后在板修整期间被去除。然而，在环氧树脂/编织芳纶预浸料的这些高RC值下，范围在7和9ppm/℃之间的典型CTE值对于背板附接式太阳能电池结构来说过高。举例来说，具有51％的RC的背板可能会导致在公差范围外的太阳能电池弓起。

对于环氧树脂/编织芳纶预浸料，RC降低5％相当于CTE降低约1ppm/℃。因此，为了实现接近硅的CTE值将要求环氧树脂/编织芳纶预浸料的RC值为约25％，除非背面构形基本上被平面化(例如在层压过程之前用喷涂或丝网印刷涂布来进行)，否则这个值可能由于树脂不足以填充太阳能电池的金属化背面上的间隙和空隙而被认为是过低的。

如先前所指出的，本文所提供的背板结构聚焦于优选地使用“不流动”(或低流动，或低渗透)树脂系统结合非编织芳纶纤维衬底的预浸料。在这种设计下，实现了固化预浸料和硅之间相对较接近的CTE匹配，因此导致相对较平坦的层压背板附接式柔性太阳能电池。作为实现预浸料和硅之间的相对CTE匹配的一个要求，已经确定在约30％和40％的较窄范围内且更具体来说约33％的目标RC值。实验性测试和制造已经证实约32％和更小的RC值可能会导致负向部件翘曲，而约34％和更高的RC值可能会导致正向部件翘曲。因此，在一些情况下，用作背板附接式硅太阳能电池的背板的芳纶纤维预浸材料的RC值的最佳范围是在约32％至34％范围内，且可能会存在RC值在值的较宽范围内(例如30％至45％)的余地，这取决于层压后太阳能电池弓起余地。图7是示出芳纶纤维预浸材料的热膨胀系数或CTE对比树脂含量的数据的图。应注意固化的33％RC预浸料的CTE基本上或密切匹配硅的CTE。

而且在已经确定固化预浸料和硅之间的密切匹配CTE的特定RC要求时，另外的树脂含量考虑因素是适用的，这取决于间隙填充需求。当太阳能电池背面上需要极小间隙填充时且当太阳能电池背面上需要大量间隙填充时，可以使用具有芳纶纤维预浸料背板的背板附接式太阳能电池。

举例来说，在需要极小间隙填充的情况下，例如在层压之前在太阳能电池背面上形成相对薄层的图案化金属化层(金属-1或M1)的情况，和/或，当背面表面基本上被平面化，例如通过涂覆丝网印刷或喷涂的介电层以用于表面平面化时，使用预浸料内的树脂总体积将总结构粘结在一起并填充预浸料纤维衬底内的任何空隙。已证明具有掺合树脂和非编织芳纶纤维衬底的预浸料的目标33％RC符合使用1层和2层预浸料结构的设计要求。本文所提供的背板附接式太阳能电池可以使用单层或双层或多层预浸料结构(在例如2层背板的多层的情况下，每一层可以具有不同的RC值)。对来自完成的背板层压太阳能电池的横截面的分析显示均质的、无空隙和相对较平面的背板层压太阳能电池结构。此外，温度、压力和固化时间的预浸料层压过程窗相当宽，从而允许用于太阳能电池背板层压的生产层压设备的选择的灵活性。

在需要大量间隙填充的情况下，例如在由较厚图案化M1引起的显著背面表面构形的情况下，树脂的总体积已在纤维衬底内的树脂和“流动”至太阳能电池背面构形上的间隙中的树脂之间进行平衡。使用由掺合树脂和非编织芳纶纤维衬底组成的预浸料的太阳能电池背板层压的实验已显示可以使用由2层预浸料(每一层具有不同的RC值)组成的预浸料结构来制造符合设计要求的背板附接式太阳能电池。基于本发明的实施方案，与需要间隙填充的区域接触的预浸料层必须具有足以填充太阳能电池背面结构中的任何间隙以及也填充纤维衬底内的任何空隙的树脂体积。对于间隙填充层可能需要约45％至约50％的RC值，例如用于层压于具有丝网印刷且高纵横比的M1接触金属化结构的背接触电池结构。为了实现固化预浸料和硅之间的相对CTE匹配，高RC层必须与低RC层共层压以使得总层压结构具有约33％(或在31％至35％的总体范围内)的最终RC。这导致第二层具有约16％至约21％的RC值。这第二层预浸料必须含有足以“润湿”纤维衬底的树脂以消除空隙并密封个别芳纶纤维并且进行可靠的树脂与树脂连续粘结于第一层。对来自完成的背板附接式太阳能电池的横截面的分析显示已使用这种2层背板层压构型实现均质的、无空隙太阳能电池结构。然而，温度、压力和固化时间的层压过程窗对于这个实施方案来说相当地更窄且用于应用的生产层压设备的选择的灵活性降低。

可选地，可以制造单层纤维衬底以在预浸料的厚度上从一侧至另一侧具有不对称或梯形树脂涂布以用于大量间隙填充应用。与电池结构接触的预浸料一侧应具有足以填充任何间隙的树脂(较高树脂含量或较高RC)，而预浸料另一侧将具有仅足以确保纤维完全密封的极少树脂(较低树脂含量或较低RC)。这种在预浸料厚度上具有分级RC的不对称树脂涂布导致材料的平均(体积平均)RC为约33％且需要与上文所详述的2层路径相同的相对较窄的加工窗。

重要的是，间隙填充也可以通过在层压期间利用高压层压将来自预浸料衬底的树脂推至间隙中来实现，由此导致背板具有在电池上金属化结构和含有芳纶纤维和掺合树脂(例如含有例如热塑性橡胶的热固性树脂的树脂)的第二预浸料部分之间流动的100％树脂含量部分。第二预浸料部分可以具有在28％范围内的树脂含量，由此平衡背板的总树脂含量，例如平衡至39％的树脂含量。因此，第二预浸料部分充当膨胀控制层，其与例如硅半导体衬底的半导体衬底组合起作用。这种背板结构在图2和4的背板支撑的太阳能电池截面图中概述。

在最广泛层面上，用于背板层压太阳能电池的背板是背板附接式太阳能电池的薄硅吸收器层的结构支撑。电池的电功能并不取决于背板的特定厚度，只要背板符合特定介电或电绝缘要求即可。因此，目标背板厚度的选择可能主要受太阳能电池机械稳健性和背板附接式产品成本的目标影响。背板附接式太阳能电池的最终预浸料背板厚度可能是在约2密耳(或约50微米)至约10密耳(或约250微米)范围内，且在一些情况下，优选的预浸料厚度是在约3密耳至8密耳(或约75微米至200微米)范围内。

柔性(或可弯曲)背板附接式太阳能电池可以用厚度合计为约8密耳(或约200微米)的预浸料(例如一个预浸料层具有8密耳的厚度或两个预浸料层各自为4密耳厚)，和用厚度合计为4密耳(或约100微米)(例如1个层是4密耳厚)的预浸料来制成。

此外，太阳能电池制造工艺步骤可以针对预浸料厚度进行优化。关于上述8密耳和4密耳预浸料层，从机械稳健性观点来看，具有8密耳厚的背板的太阳能电池是半刚性的且在适当处理方案下可以最小电池损伤风险手动逐步转移。具有4密耳厚背板的太阳能电池相对柔性较大和柔软且可能需要严格处理方案以防止加工期间电池损伤，因此4密耳设计可能更适于自动处理和转移。另一个考虑因素是材料成本，为降低材料成本，可能需要更薄的背板。因此，关于上述8密耳和4密耳预浸料层，背板设计可以使用4密耳解决方法来使原材料成本降至最低。

对于背板附接，树脂系统的固化性质是确定温度斜坡和层压压力的最佳加工条件的关键。图8是概述掺合树脂系统的流变概况的流变图。流变曲线描述了随着材料从B阶进展至树脂熔化至树脂胶凝和最后至完全固化，树脂系统的特定性质。环氧树脂系统已经被充分了解且可以优化通过太阳能电池层压过程来优化间隙填充、空隙消除和均匀层压厚度的特定过程条件。掺合树脂系统经历较复杂的固化周期且流变曲线对于层压过程优化至关重要。

参考图8，圆圈曲线(n*圆圈)示出了树脂相对于温度的粘度变化。在这一系统中，在175℃下达到最小粘度。方形(G”方形)和三角形(G’三角形)曲线说明剪切储存模数(G’)和剪切损失模块(G”)。典型地，G’和G”线的交叉指示树脂系统开始胶凝且粘度增加的点。在某些掺合树脂系统的情况下，交叉点可能不明确，但曲线说明了树脂的胶凝在低于最小粘度点的温度下已经开始。使用这一信息，已经利用快速加热升温速率来快速达到最小粘度点以便在胶凝过程进展足够远到阻碍树脂流动之前树脂可以流动至间隙和空隙中，从而开发了层压过程。

玻璃转变温度是固化树脂从硬的脆性状态转变成软的橡胶样状态的点。这一参数在PCB工业中是一个关键考虑因素，但在背板附接式太阳能电池中却不太显著。当达到Tg温度时，最巨大的变化是CTE相比于低于Tg点的值增加3倍至4倍。CTE增加在X-Y平面上由于纤维衬底的约束作用而不是重要考虑因素，但在Z-轴上却是显著作用。在传统PCB应用中，Z-轴CTE增加导致电镀通孔中的电连接失效。由于预浸料的Z-轴膨胀，电镀应力足以破坏连接。

然而，在背板附接式太阳能电池中，这种失效模式可以得到避免。举例来说，虽然在太阳能电池制造流程中在层压后可能存在相对较高温度步骤(例如在高达约300℃的温度下的PECVD钝化沉积)，但层压后(且因此也在M2金属化后)的最大加工温度限于约300℃以下。此外，完成的背板附接式太阳能电池可以在层压成模块组件期间暴露于接近Tg点的温度。模块层压可以使电池暴露于高达约130℃的加热，例如以使模块结构中的热固性树脂固化。但这种相对较低加热事件不太可能会导致金属化结构(包括M2结构)的破坏。

在树脂系统中使用添加剂在PCB工业中是常见的。举例来说，典型的添加剂包括：阻燃剂、粘着促进剂、交联抑制剂/加速剂、颜料、实现特定CTE的填充剂、导电性或导热性所需物质、UV稳定剂以及其他添加剂。树脂系统经添加剂改性以用于特定应用。太阳能电池背板的需求独特地不同于可能会导致添加剂调整的传统预浸料应用。

举例来说，使用非编织芳纶纤维衬底防止了在树脂系统内使用填充剂。衬底纤维密度足够高，使得其充当过滤器并防止填充剂均匀分散至预浸料结构中。纤维衬底的这种特征限制了使用添加剂来匹配背板和太阳能电池衬底(例如硅)之间的CTE的选择，而且还限制了调节背板导热性的能力。在本文所提供的背板附接式太阳能电池中并不需要填充剂。

第二，因为最终产品太阳能电池是完全密封于模块密封剂(例如EVA、聚烯烃或另一种合适的密封剂)中，所述模块密封剂密闭地密封于太阳能电池部件中并且还用于阻断大部分不需要的UV光。这种密封剂消除了对在预浸料中包括阻燃剂和UV稳定剂的需要。在本文所提供的背板附接式太阳能电池中不使用阻化剂或稳定剂。

第三，树脂的粘着性质主要依赖于树脂的极性和其与其它材料形成分子水平粘结的能力。环氧型树脂的极性高并形成强粘结。利用环氧树脂系统的背板在若干代背板附接式太阳能电池设计中已经很成功。当使用掺合树脂系统时，出现了与粘着于硅和二氧化硅有关的问题。因此，任选地，硅烷基粘着促进剂可以添加至树脂系统中以解决粘着问题，这取决于另外的考虑因素和结构设计。硅烷偶合剂在硅上含有无机反应性基团且与大多数无机衬底粘结良好，尤其是如同在所提供的背接触太阳能电池实施方案的背面表面的情况下衬底含有硅或铝时。图9是说明硅烷与二氧化硅偶合和添加剂在树脂内扩散的图解。当使用硅烷时，粘着问题得以解决。因此，在一个背板附接式太阳能电池实施方案中，将硅烷粘着促进剂添加至与金属化太阳能电池的背面表面上的二氧化硅接触的预浸料中。

第四，最终产品太阳能电池可能需要某些美感。可以将颜料添加至树脂系统中以减弱芳纶纤维衬底的天然颜色。举例来说，对颜料的要求包括：在红外(IR)光谱中的透明度，与CO₂激光切割和钻孔的相容性，以及与太阳能电池制造工艺中所用的所有化学物质的相容性。

因此，尽管掺合树脂系统可以经添加硅烷粘着促进剂和颜料来改性，但不需要其它添加来满足本文所公开的背板附接式太阳能电池结构和应用实施方案的功能需求。

树脂可以用作用于填充背板附接式太阳能电池的背面金属结构中的间隙的独立组分。当背面上的M1或接触金属化金属结构的高度相当厚(例如介于约20微米和50微米之间)，从而导致高纵横比背接触太阳能电池表面构形，并且将预浸料中的树脂用于间隙填充剂是不可取时，这种策略最有用。实际上，各种材料可以用作有效间隙填充剂，例如多种类型的UV可固化树脂/粘着剂和可以使用丝网印刷或模板技术直接涂覆于太阳能电池上的具有极低模数的热固性树脂。间隙填充材料的CTE匹配不是主要考虑因素，因为一片低CTE预浸料也用作背板附接式太阳能电池的主要结构支撑。预浸料CTE应与硅相对匹配，以便两个层(预浸料和硅太阳能电池衬底)充当间隙填充材料的约束层，也就是说，预浸料片和太阳能电池衬底充当夹住间隙填充材料和电池上金属化层的膨胀控制层。即使考虑成本，使用间隙填充剂和单片预浸料也是商业化的可行选择。

重要的是，在一个主要实施方案中，可以使用预浸料中所用的相同树脂系统作为间隙填充剂。这需要层压过程优化以推动来自预浸料的树脂在电池上金属化结构内流动。这种背板结构概述于图2和4的背板支撑的太阳能电池截面图中。

可以使用层压过程将预浸料粘结于太阳能电池。层压使用热和压力来完成预浸料片中树脂的固化，这使其与电池粘结。图10A、10B和10C是示出掺合树脂系统的层压过程概况的图。图10A是示出温度概况的图，图10B是示出压力概况的图(应注意压力在层压过程期间降低)，且图10C是示出真空条件的图。下文描述过程条件的选择的主要考虑因素以确保可接受的层压结果。

用于固化预浸料的最大温度取决于三个主要因素：达到树脂的目标固化水平，确定预浸料结构的热历程，和实现有效过程周期时间。

对于环氧树脂或掺合树脂系统来说，最小固化温度(例如大多数制造者推荐的最小固化温度)常常是在180℃至190℃范围内历时90分钟。对于环氧树脂来说，可以使用高达约220℃最大值的固化温度而不损伤预浸料。掺合树脂系统对高温具有较大耐受性且层压可以在高达275℃下进行。在较高温度下，层压应在真空或惰性气体环境中进行以防止预浸料树脂因氧化而表面变暗。

确定固化预浸料的“热历程”是背板附接式太阳能电池的一个重要的考虑因素。在树脂固化期间，预浸料结构内的应力条件是基于热概况和所达到的最大温度所设定。内部应力对于在200℃下层压的部件和在250℃下层压的部件是不同的。因为太阳能电池在层压后将会暴露于另外的高温环境，所以可能有必要使部件在层压期间暴露于较高目标温度。根据一般经验，在比部件在层压后将会暴露的最大温度高25℃的温度下进行层压。

在较高温度下进行层压的一个特定优点是树脂将更完全地固化。树脂中的交联量是时间和温度两者的函数。通过在高层压温度下加工，当使部件在制造期间暴露于高温时，另外的层压后树脂固化将会更少。

当前层压过程周期时间可以设置成从层压机装载至卸载为110至120分钟。这种周期持续时间被设计成使树脂在250℃(110分钟周期)至275℃(120分钟周期)的目标温度下完全固化。周期时间优化高度受益于持续进行的过程工程。

加热和冷却斜坡率在PCB工业中是一个重要变量。典型地，为特定树脂系统定制加热速率以平衡熔化树脂的流动和树脂凝胶的开始。使用冷却速率来管理由于各层之间的CTE错配而在多层PCB中积累的残余应力。典型的推荐是3℃至7℃/min的加热斜坡和3℃至5℃/min的冷却斜坡。在使用掺合树脂的背板附接式太阳能电池中，为了在胶凝发生之前达到最大树脂流动，积极的加热斜坡可能是合乎需要的。已经在高达10℃/min的斜坡率下获得极好的结果。关于冷却，在预浸料和硅之间匹配的CTE下，对于冷却期间残余应力的积累的关注较少。因此，在一些情况下，可以使用8℃/min(受工艺设备限制)的积极冷却斜坡。

在层压期间所施加的压力用于使树脂在结构内分散以用于间隙填充和空隙减少。在极低压力下的操作产生预浸料结构内的各层和空隙之间的不良粘着性的完成的结构。在极高压力下的操作产生均匀的结构，但可能会使纤维衬底挤压/变形，导致残余应力积累在完成的结构中，并导致晶片开裂。在背板附接式太阳能电池中，当确定用于层压的压力时应平衡三个关键参数：最小压力、最大压力和在层压期间压力如何分布。

第一个关键最小压力参数是消除间隙和空隙。间隙和空隙降低组件的结构完整性并已显示会引起制造过程的产量损失。确定所需的最小压力需要知道闭合预浸材料内的空隙所需的压力和知道使熔融树脂流动至层压结构中的间隙中所需的压力。

已开发了氦泄漏测试方法来找出最小压力以确保预浸料内的空隙闭合。实际上，在特定压力和温度条件下使单层、大面积的预浸材料样品(太阳能电池的表面积的1.5倍)固化。然后使用加压氦泄漏测试分析固化样品的空隙。当空隙存在时，氦将穿过固化片泄漏并被检测到。流动的量确定了空隙的严重程度。接受标准是零空隙。图11是说明对具有掺合树脂系统的样品进行的一系列测试的结果的图。这种特定调查显示需要80psi的最小层压压力以确保固化层压物无空隙。

第二个关键最小压力参数是电池结构内的树脂流动。背接触太阳能电池设计使用钝化硅电池的背面表面上的金属结构(例如M1)来进行电接触并收集电流。这些金属结构(例如指叉式M1金属化指状物)的高度范围是在钝化硅背面表面上方约1微米至约50微米。因为预浸料仅接触金属结构的顶部，所以其在层压开始时是远离电池表面悬浮着的。在过程期间所施加的压力必须使树脂流动至间隙中并确保最终结构无空隙。举例来说，对于在10微米高度范围内的金属结构可能需要约100psi的压力来进行间隙填充且对于较厚M1金属结构(例如在50微米高度范围内)可能需要约200psi的压力。

最大压力限制可以通过达到太阳能电池结构的各种部件的损伤阈值来确定。举例来说，可能以下会遇到损伤：a)粘结于背板的薄半导体(例如硅)层，b)用于在背板层压之前支撑薄层的晶片载具(例如用于外延生长的薄硅半导体层的硅晶片或硅模板)，或c)太阳能电池上的金属结构。在一些情况下，对金属结构的损伤可能是门限因素或决定性因素。举例来说，背接触太阳能电池金属结构(例如电池上基极和发射极金属化M1)在分层失效模式发生之前可以耐受约300psi的最大层压压力。相反，示例性晶片载具和薄半导体(例如在硅模板上外延生长的硅层)的损伤阈值可以大于800psi而没问题或极少问题。

已经确定在层压周期的持续时间期间如何施加压力与完成部件中的翘曲量之间的紧密联系。当加工相同部件时，在整个层压周期期间施加压力且保持恒定的过程将会导致部件翘曲。然而，在层压周期期间施加压力且去除的过程将会使得部件无翘曲。因此，可能需要使用在层压期间具有不同压力的过程来实现完成的太阳能电池的设计目标，如由图10B中所概述的层压期间压力下降所示。

层压期间的真空在PCB工业中是一个任选的层压参数。每日用仅使用层压压力来确保无空隙结构的层压过程来制造数百万的PCB组件。一般来说，当预浸料中存在足够量的树脂以使组件中任何夹带的空气容易经由树脂流动而流动和分散时，使用非真空过程。

在使用“不流动”掺合树脂的背板附接式太阳能电池中，可能需要在层压期间使用真空。换句话说，可能存在不足的树脂流动来将气泡“推”出组件，因此必须使用真空来排出过量的空气。图12A和12B是突出显示在非真空层压期间出现的太阳能电池结构中的空隙并示出硅因夹带的气泡而与固化树脂分层的部件的SEM照片。可以使用在层压后在高温下将部件放至高度真空下的制造步骤以使层压中的任何充满空气的气泡破裂。图12A和12B中所示的部件故意不使用真空而制造的且在层压期间空气被夹带在硅和预浸料层之间。对于预浸料背板层压于太阳能电池来说，层压设备应具有真空能力且部件保持在真空下历时整个层压周期的持续时间。

总固化时间是确定固化层压的机械性质中的一个关键参数。较短的固化时间会面临使树脂不能完全固化的风险，然后导致完成部件的不良机械性质并在稍后太阳能电池制造步骤中需要另外的树脂固化。较长的固化时间是无效的且仅当固化温度是最小值(例如最小推荐固化温度)时需要。对于背板附接式太阳能电池，树脂和最大固化温度的选择使得有效固化持续时间是60分钟，这个固化时间显著快于典型的层压，但已显示提供符合所有机械要求的完全固化组件。

在传统PCB制造中，在层压周期期间用于固持部件的压板一般由不锈钢制成。不锈钢的优点包括例如：低CTE，极好的热传递性质，并且不锈钢可以被机械加工成高平坦度公差。除了压板，将各种类型的隔板、脱模片和保形压力转移层添加至铺层中以形成部件的“书”。将这本书放至层压机中且书中的所有部件都在同一时间进行加工。

可以使用极类似于来自PCB工业的加工将预浸料衬底层压于背接触太阳能电池。一个值得注意的例外是压板可以由铝或不锈钢制成。使用铝压板的广泛实验已显示其提供极好的热传递性质且重量上轻于不锈钢。铝的较高CTE值不会不利于符合完成的太阳能电池产品的设计要求，只要书中存在解耦层即可。材料堆叠形成书对于确保各种部件的解耦以说明CTE错配的原因是至关重要的。

可以调整脱模片和保形压力转移材料的选择以说明在层压期间所用的显著较高温度的原因。这些高温层的标准材料可以来源于PCB工业以有助于将制造成本降至最低。

由结晶硅制成的太阳能电池易碎且可能会因错误处理而容易被损伤。然而，提供的背板设计是稳健的并可以具有柔性，因此使得使用极薄硅层的完成的太阳能电池容易被处理和运输而损伤风险极小至零。这种属性赋予了在制造中使用简单盒至盒转移工具和简单机械自动化工具的能力。在将背板层压于太阳能电池的硅层后，由部分破损引起的制造产量损失极小。因为背板的厚度减小，所以太阳能电池变得极具柔性。可以调整处理实践以将部件折叠或折皱的风险降至最低且设置处理工具以确保其轻轻地接触。

所公开的预浸料背板支撑的太阳能电池结构提供了极好的工艺中制造可靠性以及在对于温度和湿度的太阳能电池最终用途操作限制内的可靠性和耐用性。这些可靠性表现结果进一步支持太阳能电池设计(背板材料和层压过程)用于高效太阳能电池的可行性。举例来说，使用热循环来确定模块承受由温度重复变化所引起的热错配、疲劳和其它应力的能力。重要的是，根据特定要求(根据国际电工委员会以IEC标准61215修订版2实施的示例性热周期、湿度和湿冷冻测试)的测试已显示预浸料背板支撑的太阳能电池已大大超过认证要求。举例来说，预浸料背板支撑的太阳能电池已度过需要-40℃的模块温度历时十分钟的最少停留时间和85℃历时十分钟的最少停留时间(在最大100℃/小时温度斜坡变化下)的标准测试的400次热周期。使用湿度测试来确定模块承受长期湿度渗透的影响的能力。预浸料背板支撑的太阳能电池通过了1,300小时的浸泡测试，其中使用在不经边缘密封进行的最坏情况模块层压下的样品构型和使用已知在长期高湿度条件下允许水分渗透的背片材料，模块在85℃±2℃温度和85％±5的相对湿度下保持数小时。使用湿冷冻测试来确定模块承受高温和湿度、随后零下温度的影响的能力。预浸料背板支撑的太阳能电池通过了这种IEC认证测试的38个周期且样品已显示无问题，通过约4倍的认证要求。

了解来自PCB工业的历史失效模式可能对评估预浸料背板支撑的太阳能电池设计可能会发生的潜在失效模式是有用的。太阳能电池可能会经历的失效的类型可以经由可测量的性能损失来确定。在PCB中，单一失去连接会引起整个组件失效，而在太阳能电池中，失去连接将会降低功率输出。可靠性测试通过/失效结果是基于随着测试持续时间所见的功率损失的量。在PCB和太阳能电池应用中，失去电连接是归因于可能由以下引起的接点失效：CTE错配、由热或机械循环引起的疲劳断裂或由水分渗入引起的分层。这些失效模式的每一种都已经在进行可靠性测试的过程中作为一个关注来研究和讨论。

为解决CTE错配，所提供的创新方法确定了硅太阳能电池和预浸料背板之间的CTE匹配。这种CTE匹配防止了在温度变化下对电连接的应力并且消除了这种传统PCB失效模式。

由热和机械循环引起的失效是经由极低CTE和选择高于太阳能电池的操作范围的Tg点的树脂的组合来解决。这些设计特征确保电连接决不受张力或剪切。举例来说，镀铜和其它金属的高CTE(约17ppm/℃)确保了其受预浸料的低CTE约束，因此当温度上升时，保持铜受压缩。另外地，预浸料背板的固有柔性使其在机械装载期间弯曲以防止层间剪切应力的积累，这可能会引起失效。对于增加的优势，太阳能电池的数千个电接触点(例如M2至M1的电连接)可以穿过背板中的孔来制造。芳纶纤维衬底在恶劣环境中服务多年后也已被证明提供在防止孔位置周围形成微裂纹方面的显著优势。高孔数提供一定程度的冗余并且如果少量连接退化，那么将使太阳能电池的25年场地预期寿命的影响减至最小。

为解决水分渗入，掺合树脂系统可以使预浸料的吸湿性相比于环氧树脂系统降低三倍。结果是产品对高湿度环境的敏感性低，从而为产品在场地安装方面增加了优势。在可靠性证明期间所进行的两种高湿度测试强烈表明湿度不是一个需要考虑的问题。

因此，来自PCB工业的传统失效模式可以经由预浸材料选择和太阳能电池中的电接触冗余来解决。

在操作中，本文所提供的用于使用高能力、低成本预浸料背板支撑薄硅基太阳能电池的独特解决方法是工业改变。预浸料背板消除了处理和加工极薄硅的障碍并且打开了达到极具竞争性产品成本的路径。另外地，这种技术的潜在应用是广泛的。可以在一系列太阳能电池架构中使用以下关键背板属性：低成本、柔性、简单制造过程和稳健可靠性且预浸料可以容易地被改性以与许多不同太阳能电池原材料相容。柔性电池的能力打开了除了传统模块设计以外的许多潜在应用，包括消费者电子设备、建筑一体化PV(BuildingIntegrated PV；BIPV)产品和汽车应用。

本文所描述M1和M2金属化层由介电预浸料层隔开并由穿过预浸料的导电孔连接，可选地，M1和M2金属化层可以由导电柱电连接。图3和4是具有M1和M2金属化结构的背接触太阳能电池的截面图。接近太阳能电池(M1)的金属层可以使用物理方法(PVD、膏印刷)或使用化学技术(CVD)来沉积。然后层压预浸料层与粘合树脂。可以在背板层压/附接后使用机械、化学或激光钻孔技术来钻孔。然后可以使用等离子溅镀、活性物质等离子或湿式化学方法来清洁孔。在一个M2制造实施方案中，使用PVD、喷墨或丝网印刷使顶层金属层(M2)的晶种层沉积，且随后将厚的金属电镀于晶种层上以降低线电阻和孔中的电阻。应保护电池的正面(例如具有抗反射涂层ARC层)以免受电镀和蚀刻槽影响。在一个实施方案中，在湿式化学方法步骤期间在电镀和随后金属蚀刻图案化以确定M2线期间将单面夹具附接于电池正面。

本文所描述的双层金属化背接触太阳能电池可以在使用外延生长过程或单晶、准单晶或多结晶硅CZ晶片形成的薄膜硅衬底上形成。以下表1和2呈现两个工艺流程实施方案以及用于由外延生长的衬底(表1以多孔硅/外延衬底沉积/释放过程中的多孔层形成开始)和由CZ晶片(表2)形成具有双层金属化结构的薄结晶(具有在约5至100um范围内的厚度)背接触背结太阳能电池的相应加工步骤。

表1.具有双层金属化结构的基于外延的薄单晶(5um至100um)背接触背结太阳能电池工艺流程。

表2.用于具有双层金属化结构的基于CZ晶片的薄单晶、准单晶或多晶背接触背结太阳能电池的和谐的工艺流程。

下文提供了一种更加详述的基于外延的背接触太阳能电池工艺流程。这种工艺流程的许多方面且尤其是与金属化有关的那些方面适用于基于非外延的背接触太阳能电池。以可重复使用的硅模板(例如由p型单晶硅晶片制成)开始，形成多孔硅的薄牺牲层(例如通过电化学蚀刻过程，经由表面改性过程，在HF/IPA湿式化学方法中，在电流存在下)。起始材料或可重复使用的模板可以是单一结晶硅晶片，例如使用例如FZ、CZ、MCZ(磁稳定CZ)的晶体生长方法形成，且可以进一步包括在这类硅晶片上生长的外延层。半导体掺杂类型可以是p或n且晶片形状虽然最常见的是方形，但可以是任何几何或非几何形状，例如准方形或圆形。

在形成充当高质量外延晶种层以及后续分离/剥离层的牺牲多孔硅层后，形成薄层(例如层厚度在数微米至约70微米范围内，或厚度小于约50微米)的原位掺杂单晶硅，也称为外延生长。例如通过在包括例如三氯硅烷或TCS的硅气体和氢气的环境中，使用化学气相沉积或CVD工艺进行大气压力外延，可以形成原位掺杂单晶硅层。

在背板层压之前，直接在电池背面上形成太阳能电池基极和发射极接触金属化图案，例如使用薄层的丝网印刷或溅镀(PVD)或蒸镀铝(或铝硅合金或Al/NiV/Sn堆叠)材料层。这种第一层金属化结构(本文称为M1)定义了太阳能电池接触金属化图案，例如定义了IBC电池的基极和发射极区域的细微间距指叉式背接触(IBC)导体指状物。M1层提取太阳能电池电流和电压并将太阳能电池电力转移至在M1之后形成的第二级/层较高导电性太阳能电池金属化结构(本文称为M2)。

在完成大部分太阳能电池加工步骤后，可以将极低成本的背板层粘结于薄外延层以用于永久性电池支撑和强化以及支撑太阳能电池的高导电性电池金属化结构。预浸料背板材料可能是薄的(例如厚度在约50至250微米范围内且在一些情况下在50至150微米范围内)，具有柔性，并且电绝缘。然后分离主要加工的背接触背结背板强化大面积(例如至少125mm x 125mm、156mm x 156mm或更大的太阳能电池面积)太阳能电池，并从模板沿着机械薄弱牺牲多孔硅层(例如经由机械释放MR工艺)剥离，而模板可以重复使用许多次以进一步将太阳能电池制造成本降至最低。然后可以对从模板释放后就暴露的太阳能电池向阳面进行最后的电池加工。向阳面加工可以包括例如完成正面纹理化和钝化以及抗反射涂料沉积过程。

在形成背板(在M1层上或M1层中以及周围)，随后背板支撑的太阳能电池从模板沿着机械薄弱的牺牲多孔硅层脱离，并完成正面纹理化和钝化过程后，在背板上形成较高导电性M2层。在背板中钻出(例如通过激光钻孔)通孔(在一些情况下多达数百或数千个通孔)且所述通孔可以具有在约50至500微米范围内的直径。这些通孔位于M1的预先指定的区域上以用于随后经由在这些通孔中所形成的导电插塞来进行图案化M2和M1层之间的电连接。随后或结合通孔填充和导电插塞形成，形成图案化的较高导电性金属化层M2(例如通过等离子溅镀、电镀、蒸镀或其组合，使用包括铝、Al/NIV、Al/NiV/Sn或铜的M2材料)。对于在M1上具有细微间距IBC指状物(例如数百个指状物)的指叉式背接触(IBC)太阳能电池，图案化M2层可以被设计成与M1正交，也就是说，矩形或锥形M2指状物基本上与M1指状物垂直。由于这种正交转变，M2层可以具有远远少于M1层的IBC指状物(例如M2指状物少约10至50倍)。因此，M2层可以更粗糙图案形成，IBC指状物宽于M1层的。太阳能电池汇流排可以位于M2层上，而不在M1层上(也就是无汇流排M1)，以消除与电池上汇流排相关的电遮蔽损失。因为基极和发射极互连且汇流排可以位于太阳能电池背面背板上的M2层上，所以在来自太阳能电池的背面的背板上向太阳能电池的基极和发射极末端提供电存取。

在M1和M2之间所形成的背板材料可以是具有足够低的热膨胀系数(CTE)的薄预浸材料片以避免在薄硅层上造成过多热诱发应力。此外，预浸料背板应符合后端电池制造工艺的工艺集成要求，尤其是电池正面的湿式纹理化期间的耐化学性以及正面钝化和ARC层的PECVD沉积期间的热稳定性。电绝缘预浸料背板材料也应符合模块层面层压工艺和长期可靠性要求。

图13是根据所公开的主题使用起始结晶(单晶或多晶)硅晶片的高级别太阳能电池和模块制造工艺流程实施方案。图13示出用于使用以下两层金属化结构制造背板附接式背接触/背结(IBC)的高级别电池工艺流程：M1和M2。形成第一层或级图案化电池金属化M1作为在背板层压于部分加工过的太阳能电池之前多个前端电池制造工艺中的基本上最后工艺步骤。图14是根据所公开的主题且可以根据以上工艺步骤制造的太阳能电池的截面图。

可以使用真空层压机将预浸料片附接于太阳能电池背面，同时仍在模板上(在电池剥离工艺之前)。在施加热和压力后，薄预浸料片永久性地层压或附接于加工过的太阳能电池的背面。然后，例如通过使用脉冲激光划线工具，围绕太阳能电池(接近模板边缘)的外周确定剥离释放边界，且然后使用机械释放或剥离工艺将背板层压的太阳能电池与可重复使用的模板分离。后续工艺步骤可以包括：(i)在太阳能电池向阳面完成纹理化和钝化工艺，(ii)在电池背面完成太阳能电池高导电性金属化结构(其可以占太阳能电池背板的一部分)。在层压太阳能电池背板上形成包括发射极和基极极性的高导电性金属化M2层(例如包括铝、铜或银)。

提供示例性实施方案的以上描述以使本领域任何技术人员能够制造或使用所主张的主题。对这些实施方案的各种修改对于本领域技术人员将是明显的，且本文所定义的一般原理可以应用于其它实施方案而无需使用创新能力。因此，所主张的主题并不旨在限于本文所示的实施方案，而是赋予与本文所公开的原理和新颖特点一致的最广泛范围。

Claims

1.一种包括太阳光接收正面和金属化背面的背接触太阳能电池结构，其还包括：

电池上图案化基极和发射极金属化结构，其电连接至背接触太阳能电池半导体衬底背面的基极和发射极区域，所述背接触太阳能电池半导体衬底背面的部分未被所述电池上图案化基极和发射极金属化结构覆盖；以及

背板层压物层，其附接至所述图案化电池上基极和发射极金属化结构并附接至所述背接触太阳能电池衬底背面的未被所述电池上图案化基极和发射极金属化结构覆盖的区域，所述背板层压物包括树脂和纤维且具有与所述背接触太阳能电池半导体衬底相对密切匹配的热膨胀系数。

2.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是纤维强化预浸料层。

3.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述纤维是由芳纶纤维制成。

4.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述纤维包括非编织芳纶纤维。

5.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述纤维包括编织芳纶纤维。

6.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是厚度在约75μm至1000μm范围内的半刚性背板。

7.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是厚度在约50μm至150μm范围内的柔性背板。

8.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是厚度在约25μm至100μm范围内的柔性背板。

9.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述树脂是包括至少两种不同树脂组分的掺合树脂。

10.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述树脂是包括至少一种热塑性树脂组分的掺合树脂。

11.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述树脂包括环氧树脂或热固性树脂或B阶树脂。

12.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物还包括硅烷基粘着促进剂。

13.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背接触太阳能电池衬底是结晶硅背接触太阳能电池衬底。

14.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背接触太阳能电池衬底是指叉式背接触太阳能电池衬底且所述电池上基极和发射极金属化结构是以指叉式基极和发射极金属化结构指状物的图案来形成。

15.如权利要求1所述的背接触太阳能电池结构，其还包括：

多个通孔，其在所述背板层压物中钻出；以及

第二层基极和发射极金属化结构，其在所述背板层压物上形成且经由所述背板层压物中的所述通孔提供与所述电池上基极和发射极金属化结构的电互连。

16.一种包括太阳光接收正面和金属化背面的背接触太阳能电池结构，其还包括：

电池上图案化基极和发射极金属化结构，其电连接至背接触太阳能电池半导体衬底的基极和发射极区域，所述背接触太阳能电池衬底背面的部分未被所述电池上图案化基极和发射极金属化结构覆盖；以及

背板层压物层，其附接至所述电池上图案化基极和发射极金属化结构并附接至所述背接触太阳能电池衬底背面的未被所述电池上图案化基极和发射极金属化结构覆盖的区域，所述背板层压物具有包括树脂且在所述图案化电池上基极和发射极金属化结构上和之间流动并附接至所述背接触太阳能电池衬底背面的第一部分，所述背板层压物具有在所述第一部分上包括树脂和纤维且结合并相对于所述背接触太阳能电池半导体衬底提供具有足够低的热膨胀系数(CTE)的热膨胀控制层的第二部分。

17.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是电绝缘层。

18.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层的所述第二部分中的所述纤维是芳纶纤维。

19.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层的所述第二部分中的所述纤维是非编织芳纶纤维。

20.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层的所述第二部分中的所述纤维是编织芳纶纤维。

21.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是厚度在约75μm至1000μm范围内的刚性背板。

22.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是厚度在约50μm至150μm范围内的柔性背板。

23.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层是厚度在约25μm至100μm范围内的柔性背板。

24.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述树脂是包括至少两种树脂组分的掺合树脂。

25.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述树脂是包括至少一种热塑性树脂组分的掺合树脂。

26.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层中的所述树脂包括环氧树脂或热固性树脂或B阶树脂。

27.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物还包括硅烷基粘着促进剂。

28.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背接触太阳能电池衬底是结晶硅背接触太阳能电池衬底。

29.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背接触太阳能电池是指叉式背接触太阳能电池且所述电池上图案化基极和发射极金属化结构是以指叉式基极和发射极金属化结构指状物的图案来形成。

30.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其还包括：

多个通孔，其在所述背板层压物中钻出；以及

31.如权利要求16所述的背接触太阳能电池结构，其中所述背板层压物层具有在30％至45％范围内的树脂含量。

32.一种在半导体衬底上形成的微电子半导体结构，其包括：

第一层图案化金属化结构，其电连接至所述半导体衬底的选定区域，所述半导体衬底的部分未被所述第一层图案化金属化结构覆盖；以及

背板层压物层，其附接至所述第一层图案化金属化结构并附接至所述半导体衬底的未被所述第一层图案化金属化结构覆盖的区域，所述背板层压物具有包括树脂且在所述第一层图案化金属化结构上和之间流动并附接至所述半导体衬底的第一部分，所述背板层压物具有在所述第一部分上包括树脂和纤维且结合并相对于所述半导体衬底提供具有足够低的热膨胀系数(CTE)的热膨胀控制层的第二部分。

33.一种在半导体衬底上形成的半导体器件结构，其包括：

34.一种在半导体衬底上形成的半导体器件结构，其包括：

电绝缘背板层压物层，其附接至所述第一层图案化金属化结构并附接至所述半导体衬底的未被所述第一层图案化金属化结构覆盖的区域，所述背板层压物具有树脂和与所述半导体衬底相对密切匹配的热膨胀系数(CTE)的组合。

35.如权利要求34(上文)所述的背接触太阳能电池结构，其还包括：

多个通孔，其在所述背板层压物中钻出；以及

第二层图案化金属化结构，其在所述背板层压物上形成且经由所述背板层压物中的所述通孔提供与所述第一层图案化金属化结构的电互连。