CN109103276B - 具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池，以及形成具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池的分割方法。在一个例子中，所述太阳能电池包括多个子电池，所述子电池中的每一者具有已分割的物理上分离的半导体基板部分。已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽。太阳能电池还包括单片金属化结构。单片金属化结构的一部分耦接多个子电池中的子电池。已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽暴露单片金属化结构的一部分。

Description

具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池
本申请是基于申请日为2015年3月24日、申请号为 2015800099876(国际申请号为PCT/US2015/022338)、题为“具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本公开的实施例属于可再生能源领域，具体地讲，涉及具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池，以及形成具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池的分割方法。
背景技术
光伏电池(常被称为太阳能电池)是熟知的用于将太阳辐射直接转换为电能的装置。一般来讲，使用半导体加工技术在基板的表面附近形成p-n结而在半导体晶片或基板上制造太阳能电池。照射在基板表面上并进入基板内的太阳辐射在基板块体中形成电子空穴对。电子空穴对迁移至基板中的p掺杂区和n掺杂区，从而使掺杂区之间生成电压差。将掺杂区连接至太阳能电池上的导电区，以将电流从电池引导至与其耦接的外部电路。
效率是太阳能电池的重要特性，因其直接与太阳能电池发电能力有关。同样，制备太阳能电池的效率直接与此类太阳能电池的成本效益有关。因此，提高太阳能电池效率的技术或提高制造太阳能电池效率的技术是普遍所需的。本公开的一些实施例允许通过提供制造太阳能电池结构的新工艺而提高太阳能电池的制造效率。本公开的一些实施例允许通过提供新型太阳能电池结构来提高太阳能电池效率。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种太阳能电池，包括：多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，所述沟槽具有侧壁，所述侧壁具有与实质上平坦的表面垂直相邻的弯曲表面；和金属化结构，其包括设置在其中的应变消除特征，其中所述金属化结构的一部分耦接所述多个子电池中的子电池，其中，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽暴露所述金属化结构的一部分。
根据本公开的第二方面，提供了一种太阳能电池，包括：多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，所述沟槽具有侧壁，所述侧壁具有与实质上平坦的表面垂直相邻的弯曲表面；和金属化结构，其包括设置在其中的应变消除特征，其中所述金属化结构的一部分耦接所述多个子电池中的子电池，其中，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽暴露所述金属化结构的一部分，所述太阳能电池是背接触太阳能电池，并且所述金属化结构设置在所述已分割的物理上分离的半导体基板部分中每一者的与光接收表面相背对的背表面上。
根据本公开的第三方面，提供了一种太阳能电池，包括：多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，所述沟槽具有侧壁，所述侧壁具有与第二表面连续的第一表面，所述第二表面不同于所述第一表面；和金属化结构，其包括设置在其中的应变消除特征，其中所述金属化结构的一部分耦接所述多个子电池中的子电池，其中，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽暴露所述金属化结构的一部分。
附图说明
图1A示出了根据本公开实施方案的太阳能电池在分割以形成物理上分离的子电池之前的剖视图。
图1B示出了根据本公开实施方案的太阳能电池在分割以形成物理上分离的子电池之后的剖视图。
图2示出了根据本公开的实施方案使用金属作为电池分割的后挡板的一对已分割子电池的一部分的剖视图。
图3示出了根据本公开的实施方案使用聚合物或其他非金属作为电池分割的后挡板的一对已分割子电池的一部分的剖视图。
图4A示出了根据本公开的实施方案已被切割成四个并联子电池的太阳能电池从金属化侧观察的平面图。
图4B示出了根据本公开的另一个实施方案已被切割成四个并联子电池的另一个太阳能电池从金属化侧观察的平面图。
图5A示出了根据本公开的实施方案已被切割成并联布置的两个子电池的太阳能电池从金属化侧观察的平面图。
图5B示出了根据本公开的实施方案已被切割成串联布置的两个子电池的太阳能电池从金属化侧观察的平面图。
图5C示出了根据本公开的实施方案已被切割成串联布置的六个子电池的太阳能电池从金属化侧观察的平面图。
图5D示出了根据本公开的实施方案已被切割成串联布置的十个子电池的太阳能电池从金属化侧观察的平面图。
图6示出了根据本公开的一个或多个实施方案的电池分割考虑因素和方法的代表性示例。
图7示出了根据本公开的实施方案采用激光刻绘将太阳能电池分割形成子电池的三种可能的途径。
图8为根据本公开的实施方案的流程图，该流程图表示使用分割形成子电池的制造太阳能电池的方法中的操作。
图9为根据本公开的另一个实施方案的流程图，该流程图表示使用分割形成子电池的制造太阳能电池的另一种方法中的操作。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上只是例证性的，并非意图限制所述主题的实施例或此类实施例的应用和用途。如本文所用，词语“示例性”意指“用作示例、实例或举例说明”。本文描述为示例性的任何实施未必理解为相比其他实施优选的或有利的。此外，并不意图受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明示或暗示的理论的约束。
本说明书包括对“一个实施方案”或“实施方案”的提及。短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”的出现不一定是指同一实施方案。特定的特征、结构或特性可以任何与本公开一致的合适方式加以组合。
术语。以下段落提供存在于本公开(包括所附权利要求书)中的术语的定义和/或语境：
“包括”。该术语是开放式的。如在所附权利要求书中所用，该术语并不排除另外的结构或步骤。
“被配置为”。各种单元或部件可被描述或主张成“被配置为”执行一项或多项任务。在这样的语境下，“被配置为”用于通过指示该单元/部件包括在操作期间执行一项或多项那些任务的结构而暗示结构。因此，即使当指定的单元/部件目前不在操作(例如，未开启/激活)时，也可将该单元/部件说成是被配置为执行任务。详述某一单元/电路/部件“被配置为”执行一项或多项任务明确地意在对该单元/部件而言不援用35U.S.C.§112第六段。
如本文所用的“第一”、“第二”等这些术语用作其之后的名词的标记，而并不暗示任何类型的顺序(例如，空间、时间和逻辑等)。例如，提及“第一”太阳能电池并不一定暗示该太阳能电池为某一序列中的第一个太阳能电池；相反，术语“第一”用于区分该太阳能电池与另一个太阳能电池(例如，“第二”太阳能电池)。
“耦接”–以下描述是指元件或节点或结构特征被“耦接”在一起。如本文所用，除非另外明确指明，否则“耦接”意指一个元件/节点/结构特征直接或间接连接至另一个元件/节点/结构特征 (或直接或间接与其连通)，并且不一定是机械耦接。
此外，以下描述中还仅为了参考的目的使用了某些术语，因此这些术语并非意图进行限制。例如，诸如“上部”、“下部”、“上方”或“下方”之类的术语是指所参考的附图中的方向。诸如“正面”、“背面”、“后面”、“侧面”、“外侧”和“内侧”之类的术语描述部件的某些部分在一致但任意的参照系内的取向和/或位置，通过参考描述所讨论的部件的文字和相关的附图可以清楚地了解所述取向和/或位置。这样的术语可以包括上面具体提及的词语、它们的衍生词语以及类似意义的词语。
本文描述了具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池，以及形成具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池的分割方法。在下面的描述中，给出了许多具体细节，诸如具体的工艺流程操作，以便提供对本公开的实施例的透彻理解。对本领域的技术人员将显而易见的是可在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他情况中，没有详细地描述熟知的制造技术，诸如太阳能电池发射极区域制造技术，以避免不必要地使本公开的实施方案难以理解。此外，应当理解在图中示出的多种实施方案是示例性的展示并且未必按比例绘制。
本文公开了具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池。在一实施方案中，太阳能电池包括多个子电池，每个子电池具有已分割的物理上分离的半导体基板部分。已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽。太阳能电池还包括单片金属化结构。单片金属化结构的一部分耦接多个子电池中的子电池。已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽暴露单片金属化结构的一部分。
本文还公开了形成具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池的分割方法。在一实施方案中，制造太阳能电池的方法涉及在半导体基板的第一表面上形成金属化结构。该方法还涉及从半导体基板的第二相背对表面刻绘该半导体基板。刻绘被金属化结构的部分停止，并从第二表面暴露所述部分。
在另一个实施方案中，太阳能电池具有带第一表面的半导体基板，制造这种太阳能电池的方法涉及：直接在半导体基板的第一表面上形成位于太阳能电池的至少两个子太阳能电池之间的互连件，从而在这两个子电池之间提供电池间电连接，然后将半导体基板向上切割至第一表面，以在物理上隔离所述至少两个子太阳能电池。
更一般地说，各实施方案涉及使用金属化作为柄部，以便能够在不增加模块互连件或不需要处理更小的电池的情况下实现太阳能电池晶片的切割或分割。在示例性实施方案中，将单个太阳能电池(例如，125cm、156cm、210cm)细分成更小的电池，以实现模块电流和电压的灵活性以及金属化的灵活性。例如，单个硅P/N二极管具有0.6V至0.74V的开路电压(Voc)。太阳能电池的最大功率电压(Vmp)可为大约0.63V。因此，单个二极管电池将具有0.63V的电压。如果在单个全区域晶片上生成10个子二极管，并且将它们串联连接，则整个电池的电压将是6.3V (对于标准电池而言，大概是1/10的电流，或约0.5A)。具有这种电压范围的电池的应用可以是USB充电规范1.2。如果要将具有该电压的96个电池串联布置在模块中，则所述模块的操作电压将为大约604.8V DC。具有这种电压范围的模块可应用于简化逆变器内部的电力电子设备，所述逆变器使电压从低直流电压转换为高交流电压(大约240Vrms)。
能够控制电压，反之就能控制电流，由于功率损耗与金属的电阻损耗相关，这种控制能力最终决定了成品装置所需的金属厚度。例如，对于5英寸晶片上的叉指型背接触(IBC)电池，标称触指长度为125mm长，并且需要大约30微米的镀铜(Cu) 来防止电网损耗。在6英寸晶片上，触指长度会延长至156毫米，并且由于电阻损耗与长度的平方成正比，这可需要大约48微米的金属厚度。这种可能(例如，通过带来更多的直接材料成本以及降低工具的吞吐量)为金属化增加了大量的成本。因此，采用多二极管解决方案能够控制触指长度和电池参数，从而可使太阳能电池金属化处理具有更大的灵活性。具体地讲，对于较大电池上的应用而言，增大电池尺寸也会产生更多电流。此外，现场操作中装置的温度取决于电流，并且通常应尽量使该温度最低化，以避免加速老化作用，并在电池进入反向偏置时避免更高温度的风险。此外，一般来讲，较低的电流将改善模块的整体可靠性。
在一实施方案中，使用金属化方案来使子电池在母电池内保持在一起，并且为子电池提供机械完整性，使得在构建所述模块时不一定带来额外的处理复杂性，而且电池保持物理上分离。一些实施方案还涉及在子电池互连件之内使用内置应变消除装置。所述实施方案可允许扩展至更大的晶片，且不会带来制造中的处理复杂性或金属化问题，也不会增加现场可靠性问题。
为了提供语境，当使用其上形成有单个二极管的较大晶片制造太阳能电池时，会生成较大的电流。这种增大的电流通常需要更厚的金属来避免Rs损耗，而Rs损耗可使所制造的太阳能电池更加昂贵且复杂。业内现有解决方案涉及将电池切割成较小的单个二极管，例如2个、4个、16个二极管等，使得电流因更小的面积以及沿接触指更短的电流输送长度而减小。然而，实施这种方法时经常会出现两个问题。第一，会产生个体部件，因为需要对每个子电池进行处理和互连。因此，需要数量更多的电池间互连件，并且需要在电池内处理不同尺寸的较小晶片。第二，在模板(例如，底板)上有时会产生子部件，这些子部件会将子电池连结在一起。与此类方法相关的一个问题是底板的成本，以及通过底板接合的复杂性。此外，为使系统的性能达到最佳，每个子电池的电流应相匹配，由于多条对称轴以及电池上的“无效”空间(例如，来自电镀或测试焊盘或者互连焊盘的“无效”空间)，这使得伪正方形单晶晶片变得复杂。这带来了一些几何约束。此外，在需要利用金属将子电池组件物理地保持在一起而不分流到相邻子电池的情况下，这给例如串联的1/4电池设计带来了一些挑战，这种设计需要新型发射极和金属构造，以便将电池保持在一起而无需对单个部件进行处理。
为了解决上述问题，本文所述的一个或多个实施方案涉及将单片金属化结构有效地实现为底板，以在分割前将子电池连结在一起。这种方法能够实现对应母电池上的电池间连接，而不需要处理单独的子电池或额外的金属互连件。此外，这种方法允许互连件的内置金属化，并由此去除或大幅减少传统互连焊盘中的任何无效空间。应当理解的是，使用金属或金属化结构来将电池连结在一起可能会涉及新的挑战和风险。例如，由于每个子电池通常都应具有相同的面积，因此它们通常都应具有相同的电流和电压性质。在具体实施方案中，对于伪正方形构造而言，可能需要以允许简单互连的方式来制造发射极和金属设计。根据本文所述的实施方案，下文更详细地描述了使用半电池、四分电池、 10电池或6电池设计的若干示例性布局。另外，可在不使用不同于背面金属化结构的底板的情况下实施本文所述的一个或多个实施方案。一些实施方案涉及背接触太阳能电池，并且一些实施方案允许制造具有可控电压和电流的切割的多二极管电池、具有可变电压和电流的模块以及制造相对大的电池。
根据本文所述的另外的实施方案，描述了用于应对子电池间金属失效风险的方法，例如，通过提供消除电池间应变的方法来应对这种风险。在一个示例性实施方案中，为电池间互连件内置应变消除装置的设计与上文所述的分割方法一起实施。
在另外的实施方案中，描述了用于应对由经切割的电池引起功率损耗的风险的方法。在一个示例性实施方案中，实施了用于减少边际损耗的方法。在一个此类实施方案中，在对太阳能电池的光接收表面进行纹理化之前执行预刻槽。然后是裂片工艺和可能的隔离后钝化工艺。在一个此类实施方案中，发射极被设计成使得划线主要或完全落在N掺杂区中，未钝化的N掺杂区的复合速率低于未钝化的P掺杂区，因此导致功率损耗显著更小。在另一个实施方案中，由于未钝化结的复合显著更高，从而导致更大的功率损耗，因此发射极和划线被设计成使得划线与P-N结几乎没有或者没有交叉点。此外，在一实施方案中，某些激光参数可能会导致侧壁的损坏、熔融以及后侧绝缘介电堆叠的破坏，基于这样的理解，选择可使这种损坏、熔融和破坏最小化的激光参数。通常情况下，这会促使人们选择脉冲长度较短(例如小于大约10纳秒)的激光，并且促成中途停止破坏后侧电介质(例如，机械分离后的刻槽)的处理。
在另外的实施方案中，描述了用于应对基板或晶片(例如，硅)隔离工艺中金属损伤风险的方法。在一个示例性实施方案中，通过使用缓冲材料作为烧蚀挡板，消除或至少减轻了损伤，使得金属不被直接刻绘。
额外风险可能涉及(例如)由于未完全隔离Si或让隔离的Si区域在循环期间彼此接触而产生穿过基部的分流。一个或多个实施方案通过引入封装剂来填充各个硅部分之间的沟槽，以便减轻分流和硅磨耗的风险，从而解决此类问题。在一个此类实施方案中，使用耐金属的钝化材料作为初级或次级抗反射涂层 (ARC)，以使边缘钝化和绝缘。
如下文结合附图更详细所述，本文所述的具体实施方案可基于以下理解而实施：可以使用厚度大于约20微米的金属或金属化结构来防止本来因使用金属将电池保持在一起而与太阳能电池中的硅(Si)破裂相关的功率损耗。本文所述的实施方案提供了接合到具有子电池的全区域晶片的金属结构(例如，电镀金属、金属箔、金属带等)。所述金属被图案化，使得子电池互连件在与子电池金属化相同的操作中形成。此外，子电池布置在全电池内，使得Si可被隔离，从而得到通过所得金属化结构连接的整数个子二极管。对于一些实施方案而言，这种布置方式可能需要采用并联二极管构造(例如，2个、4个等)，其例子在下文会更详细地描述。在使用具有足够厚度的金属化结构进行连接后，可将二极管进行隔离。在一个此类实施方案中，在电镀或形成期间将金属图案化，从而在电池之间包括应变消除特征，例如具有圆角沟槽。隔离之后，可使边缘钝化和/或绝缘，从而既限制边缘处复合引起的功率损耗，又对分流提供绝缘。
作为本文所涉及的概念的示例性表示，图1A和图1B分别示出了根据本公开的实施方案的太阳能电池在分割以形成物理上分离的子电池之前和之后的剖视图。
参见图1A，太阳能电池100包括基板102，该基板具有设置在其上的金属化结构104。太阳能电池100在基板102中或上方包括交替的N型区域和P型区域。在一个实施方案中，金属化结构104是单片金属化结构，如下文更详细所述。参见图 1B，太阳能电池100已被分割或切割，从而提供具有在物理上彼此分离的子电池108和110的太阳能电池106。在一个实施方案中，太阳能电池100是采用激光烧蚀来分割的，这在下文会更详细地描述。在一个实施方案中，分割时形成的所得沟槽112填充有封装材料114，如图1B所示。在一个实施方案中，同样如图 1B所示，金属化结构104的一部分116桥接两个子电池108和 110。在具体实施方案中，子电池108和110提供串联或并联的二极管结构，其例子在下文有详细描述。
再次参见图1A和图1B，在切割期间(例如，在基板102 材料的激光烧蚀期间)，金属化结构104的部分116被同时用作机械支撑件和后挡板。在第一具体示例中，图2示出了根据本公开的实施方案使用金属作为电池分割的后挡板的一对已分割子电池的一部分的剖视图。参见图2，分割基板102时形成子电池 108和110，所述子电池之间具有沟槽112。金属化结构104的部分116直接形成在基板102的背表面上，因此，金属或金属区域在分割期间被用作后挡板。
在第二具体示例中，图3示出了根据本公开的实施方案使用缓冲材料作为电池分割的后挡板的一对已分割子电池的一部分的剖视图。参见图3，分割基板102时形成子电池108和110，所述子电池之间具有沟槽112。然而，金属化结构104的部分116 形成在聚合物区域120上，而聚合物区域直接形成在基板102的背表面上，因此，聚合物或其他金属或非金属区域在分割期间被用作后挡板。在图2和图3的任一种情况下，应当理解，在实施方案中，金属化结构104可被视作单片金属化结构，如下文更详细所述。此外，在实施方案中，在任一种情况下，子电池互连件是在与子电池金属相同的操作中制造的。或者，可在外部应用子电池互连件，但需要额外的处理操作。
再次参见图1A、图1B和图2，更一般地说，在实施方案中，太阳能电池包括多个子电池。子电池中的每一个都具有已分割的物理上分离的半导体基板部分。已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽。太阳能电池还包括金属化结构。金属化结构的一部分与多个子电池中的一些子电池耦接。此外，已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽暴露金属化结构的一部分。
在一实施方案中，金属化结构由箔(例如，导电箔，诸如具有或不具有额外晶种层的铝箔)制得，或通过电镀工艺制造。在一个此类实施方案中，在使用相对较厚(例如，大于约25微米)的背垫金属的情况下，可接受部分激光烧蚀进入金属中。然而，如果使用薄的(例如，小于约25微米的)金属化结构，则可能需要在未对金属化结构造成任何刻绘的情况下停止烧蚀，以便维持金属经受住可靠性测试所需的电气完整性和物理完整性。金属化结构可通过电镀、印刷、使用接合工序(例如，就箔而言) 来制造，或者可通过沉积、光刻和蚀刻方法来制造。
在一实施方案中，在实施缓冲挡板的情况下(如结合图3 所述)，该缓冲挡板为聚合物，诸如聚酰亚胺。所述聚合物可全局沉积然后图案化，或者可仅在有需要的区域沉积，例如通过印刷来沉积。在其他实施方案中，这种缓冲挡板由介电材料构成，诸如但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)或氧氮化硅(SiON)。在一个此类实施方案中，介电材料使用沉积技术形成，诸如但不限于低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)或物理气相沉积(PVD)。
应当认识到，本文所述的一个或多个实施方案涉及对所有子电池实施单个级别的“单片”金属化。因而，所得的电池金属化可与互连件金属化相同，并且以相同工艺同时制造。在一个此类实施方案中，单片金属化结构的使用使得电池隔离的实施在所有二极管被金属化后即完成。这区别于金属化为多步骤过程的常规方法。在更具体的实施方案中，结合缓冲或保护层(例如，结合图3所述)来实施单片金属化方法，使单片金属化结构形成于缓冲或保护层上方。此类实施方案可允许烧蚀挡板处于缓冲或保护层上而不暴露金属本身，如下文更详细所述。
如结合图1B所述，已切割的太阳能电池还包括封装材料 (例如乙烯-乙烯醇(EVA)、聚烯烃)，所述封装材料设置在已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽中。在一个此类实施方案中，封装剂在相邻子电池部分之间提供分流电阻和耐磨性。在一个实施方案中，封装材料具有大于约1000V/cm 的介电击穿强度，使得所述材料在相邻子电池之间充分地提供分流保护。在一个实施方案中，在应用时，封装剂具有足够低的黏度或足够高的熔流性，以确保封装材料流入分割产生的细沟槽中。在一个实施方案中，封装剂对沟槽的填充能够通过形成Si/金属/ 聚合物复合材料而改进系统的机械强度。
根据本公开的实施方案，已切割太阳能电池的每个子电池具有大致相同的电压特性和大致相同的电流特性。在实施方案中，多个子电池是多个并联二极管、串联二极管或它们的组合。在实施方案中，太阳能电池(以及从而子电池部分)是背接触太阳能电池，并且金属化结构设置在已分割的物理上分离的半导体基板部分中每一者的与光接收表面相背对的背表面上。在一个此类实施方案中，子电池中每一者的背表面具有大致相同的表面积。在具体实施方案中，子电池中每一者的光接收表面是纹理化表面，如下文更详细所述。
根据本公开的实施方案，已分割的物理上分离的半导体基板部分中的每一者是诸如由N型单晶基板制得的块体单晶硅基板部分。在一个此类实施方案中，每个硅部分包括形成于基板本身中的一个或多个N+区域(例如，磷或砷掺杂区域)和一个或多个P+区域(例如，硼掺杂区域)。在其他实施方案中，每个硅部分包括形成于硅基板上方的一个或多个多晶硅N+区域和一个或多个多晶硅P+区域。
应当认识到，可在本文所述的实施方案的精神和范围内设想已分割的太阳能电池内子电池数量和电耦接的多种布置。在第一实施例中，图4A示出了根据本公开的实施方案已被切割成四个子电池的太阳能电池400A从金属化侧观察的平面图。参见图4A，太阳能电池400A被分割以提供四个子电池402A、404A、 406A和408A。金属化线410A用来在子电池的每一者汇合处将四分电池设计保持在一起。在一个实施方案中，应变消除特征 420A被包括在金属化线410A中，如图4A所示。另外，示出了通往第一邻近电池位置412A和第二邻近电池位置414A的金属化耦接。
再次参见图4A，二极管示意图450A示出了并联四分电池设计的电气配置。在实施方案中，各个子电池的电流是单个二极管全电池电流的1/4，并且具有与单个二极管电池相同的电压，而组合的4个二极管全电池现具有与单个全尺寸单个二极管电池相同的电流和相同的电压。在具有最低隔离后复合水平的扩散区上执行刻绘切割。金属线长度是标准电池的1/2，其中有1/4的电池桥接长度，这使得能够减小相同尺寸电池的金属厚度，或允许扩展至更大的晶片而不需要增加金属厚度。
在第二实施例中，图4B示出根据本公开的另一个实施方案已被切割成四个子电池的另一个太阳能电池400B从金属化侧观察的平面图。参见图4B，太阳能电池400B被分割以提供四个子电池402B、404B、406B和408B。金属化线410B用来在子电池的每一者汇合处将四分电池设计保持在一起。在一个实施方案中，应变消除特征420B被包括在金属化线410B中，如图4B所示。另外，示出了通往第一邻近电池位置412B和第二邻近电池位置414B的金属化耦接。
再次参见图4B，二极管示意图450B示出了并联四分电池设计的电气配置。在实施方案中，子电池是1/4电流、相同电压的子电池，而组合的全电池具有相同的电流和相同的电压。在具有最低隔离后复合水平的扩散区上执行刻绘切割。金属线长度是标准电池的1/4。
在第三实施例中，图5A示出了根据本公开的实施方案已被切割成并联布置的两个子电池的太阳能电池500A从金属化侧观察的平面图。参见图5A，太阳能电池500A被分割以提供两个子电池502A和504A。金属化线510A用来在子电池的每一者汇合处将两分电池设计保持在一起。在一个实施方案中，应变消除特征520A被包括在金属化线510A中，如图5A所示。另外，示出了通往第一邻近电池位置512A和第二邻近电池位置514A 的金属化耦接。
再次参见图5A，二极管示意图550A示出了并联两分电池设计的电气配置。在实施方案中，子电池是1/2电流、相同电压的子电池，而组合的全电池具有相同的电流和相同的电压。在具有最低隔离后复合水平的扩散区上执行刻绘切割。金属线长度是标准电池的1/2，以提供将两个半电池保持在一起的单个金属接合部。
在第四实施例中，图5B示出根据本公开的实施方案已被切割成串联布置的两个子电池的太阳能电池500B从金属化侧观察的平面图。参见图5B，太阳能电池500B被分割以提供两个子电池502B和504B。金属化线510B用来在子电池的每一者汇合处将两分电池设计保持在一起。在一个实施方案中，应变消除特征520B被包括在金属化线510B中，如图5B所示。另外，示出了通往第一邻近电池位置512B和第二邻近电池位置514B的金属化耦接。
再次参见图5B，二极管示意图550B示出了串联两分电池设计的电气配置。在实施方案中，子电池的电流是单个二极管全电池电流的1/2，电压相同，而组合的全电池电流是相同尺寸的单个二极管电池电流的1/2，但电压是其两倍。沿发射极结执行刻绘切割。金属线长度是标准电池的1/2，以提供将两个半电池保持在一起的单个金属接合部。
再次参见图4A、图4B、图5A和图5B，应当认识到，可将各自被分割成子电池的多个太阳能电池包括在光伏(PV)模块中。在一个此类实施方案中，对于每个太阳能电池，PV模块层压体的封装材料设置在已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽中。也就是说，在一个实施方案中，在刻绘半导体基板之后，太阳能电池被嵌入在光伏(PV)模块层压体中。 PV模块层压体的封装材料填充已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽。此外，PV模块内电池间的互连可能涉及串联互连、并联互连或它们的组合。
应当认识到，使用本文所述的方法也可实现子电池的其他布置，诸如但不限于3×3、4×4等类型的布置。另外，原始电池内子电池的串联和并联配置的组合也是可理解的。所述方法可同时有益于背接触电池和前接触电池。作为示例性的额外布置，图5C示出了根据本公开的实施方案已被切割成串联布置的六个子电池的太阳能电池500C从金属化侧观察的平面图。图5D示出了根据本公开的实施方案已被切割成串联布置的十个子电池的太阳能电池500D从金属化侧观察的平面图。参见图5D，用该电池内串联连接布置的10个子二极管制成了全尺寸电池。组合电池的电压是相同尺寸的单个二极管电池电压的10倍，即，约6.3Vmp。组合电池中的电流是原始电池电流的约1/10(例如，约0.5A)。在实施方案中，可针对消费充电应用直接使用电池 500D给USB充电，或者如果内置在96个电池模块中，则能够产生约600V的模块电压。该类型的电池设计使得电流减小10 倍，这可降低电阻加热引起的峰值温度，从而改进可靠性和安全性。此外，对于需要逆变器的AC电力应用，升降电压以匹配逆变器输出将显著节约逆变器部件成本，换句话说可省去为了从标准面板电压(例如，约50V)升高到满足典型住宅或商用电力需求(约240Vrms AC)所需的升压电力电子设备。
在另一方面中，本发明考虑了有利的太阳能电池分割方法。例如，可实施分割以利用基于标准硅基板的电池的开裂耐受性质作为设计特征。在一个此类实施方案中，标准尺寸的电池镀有x个子二极管，并且有意引入了裂纹。仅在金属化结构保持完整的情况下穿过硅(Si)对电池进行切割。金属桥最终将已切割的硅保持在一起。在一些实施方案中，向所得布置中并入了集成的应变消除装置。
作为电池分割的考虑因素和方法的代表性例子，图6示出了根据本公开的一个或多个实施方案的太阳能电池的(a)正面 (光接收侧)。在(b)中提供了示意图，示出了已刻绘的硅基板和桥接金属的剖视图。在(c)中，已刻绘基板的背面被图示为对应于二极管1和二极管2的子电池，其中电镀金属602将这两个子电池保持在一起。在(d)中，示出了应变消除特征的放大视图。
图7示出了根据本公开的实施方案采用激光刻绘将太阳能电池分割形成子电池的三种可能的途径。参见图7，太阳能电池700包括硅基板702和硅基板背面上的金属化结构704。
参见图7的途径(a)，示出了刻绘加断裂的方法，其中(i) 基板被部分地刻绘(例如，约70％的深度)，然后(ii)沿裂痕裂开直至终止于金属化结构。参见图7的途径(B)，示出了仅刻绘的方法，其中硅的激光烧蚀停止于金属化结构的金属上，或部分地进入金属化结构的金属中。参见图7的途径(a)，示出了刻绘加损伤缓冲断裂的方法，其中硅的激光烧蚀被执行为穿过硅的整个深度然后停止于损伤缓冲层上，或部分地进入损伤缓冲层中，该损伤缓冲层不同于金属化结构的金属。在这些情况的任何一种中，激光参数的一个选择包括皮秒激光烧蚀，其具有较清洁的工艺、较低的复合和较窄的刻绘宽度。另一个选择包括纳秒或时间更长的激光，其具有更宽的刻绘线和更高的吞吐量，但复合增加并且更可能产生碎片。
现参照图8的流程图800，在实施方案中，制造太阳能电池的方法涉及在半导体基板的第一表面上形成金属化结构，如流程图800的操作802所示。该方法然后涉及从半导体基板的相背对的第二表面刻绘半导体基板，如流程图800的操作804所示。在一个此类实施方案中，所述刻绘被金属化结构的部分停止并从第二表面暴露金属化结构的部分。
在实施方案中，所述刻绘被金属化结构的互连金属停止。然而，在其他实施方案中，使用损伤缓冲层来保护金属化结构的金属。在一个此类实施方案中，如上所述，损伤缓冲层是聚合物材料。在另一个实施方案中，损伤缓冲层是与金属化结构的金属不同的金属。在另一个实施方案中，损伤缓冲层是便于电镀穿透的网状材料。在最后一个示例中，由于Si的开裂/分裂可使金属开裂或损坏，从而降低金属的可靠性，因此在金属化之前有若干选择，诸如印刷或贴装损伤缓冲层来充当开裂/激光挡板。
在实施方案中，在半导体基板的第一表面上形成金属化结构涉及对形成于半导体基板的第一表面上的金属箔进行图案化。然而，在其他实施方案中，金属化结构通过印刷金属、电镀金属或金属叠堆或通过金属沉积和蚀刻工艺来形成。在任何情况下，在实施方案中，金属化结构被形成为具有足够的机械性能以将两个子电池桥接在一起并且经受住制造和测试工序中执行的所有可靠性测试。
在实施方案中，刻绘涉及使用激光进行刻绘。然而，应当认识到，可实施机械刻绘工艺代替激光刻绘工艺或者与之结合实施。例如，在具体实施方案中，执行了部分激光刻绘，然后进行控制深度的裂断或锯切。
在实施方案中，该电池制造方法还涉及在刻绘半导体基板之前，对半导体基板的第二表面(光接收表面)进行纹理化。在一个此类实施方案中，照此顺序执行操作可减轻切割损伤。在一个此类实施方案中，首先对晶片执行部分刻槽，然后在硅蚀刻工艺(例如，纹理化)期间去除任何损伤。然而，在其他实施方案中，可以进行刻绘，然后实施后续的湿法蚀刻。在任何情况下，在一个实施方案中，太阳能电池的光接收表面的纹理化可涉及使用基于氢氧化物的蚀刻工艺进行纹理化。应当认识到，纹理化表面可为具有规则或不规则形状的表面，其用于散射入射光、减少从太阳能电池的光接收表面反射离开的光量。另外的实施方案可包括在光接收表面上形成钝化或抗反射涂层。
现在参照图9的流程图900，在实施方案中，制造包括具有第一表面的半导体基板的太阳能电池的方法涉及：直接在半导体基板的第一表面上形成太阳能电池的至少两个子太阳能电池之间的互连件，以在这两个子电池之间提供电池间电连接，如流程图900的操作902所示。该方法然后涉及切割半导体基板直到切割至第一表面，从而在物理上分离所述至少两个子太阳能电池，如流程图900的操作904所示。
在实施方案中，形成太阳能电池的至少两个子太阳能电池之间的互连件还涉及，在太阳能电池的半导体基板的第一表面上形成金属化结构。在实施方案中，切割半导体基板还涉及从半导体基板的相背对的第二表面刻绘半导体基板。在一个此类实施方案中，所述刻绘在从第二表面暴露金属化结构的部分时停止。
在实施方案中，刻绘半导体基板还涉及在至少两个子太阳能电池之间形成沟槽，使得金属化结构将所述至少两个子太阳能电池的部分电耦接。在该实施方案中，该方法还涉及在沟槽中形成封装材料。
在实施方案中，切割半导体基板还涉及在所述至少两个子太阳能电池的每一者中形成至少一个二极管。所述至少两个子太阳能电池中的每一者被形成为具有大致相同的电压特性和大致相同的电流特性。在一个此类实施方案中，在所述至少两个子太阳能电池的每一者中形成至少一个二极管还涉及：在所述至少两个子太阳能电池中每一者的至少一个二极管中形成P型掺杂区域和N型掺杂区域，形成通往P型掺杂区域的第一金属触点，以及形成通往N型掺杂区域的第二金属触点。
在实施方案中，通过在半导体基板的第一表面的部分上电镀一层或多层金属膜来形成金属化结构，从而实质上同时形成金属化结构。在一个此类实施方案中，形成金属化结构的工艺操作与在半导体基板的第一表面的部分上电镀一层或多层金属膜所用的工艺操作相同。然而，在其他实施方案中，形成金属化结构涉及对形成于半导体基板的第一表面上的金属箔进行图案化。在实施方案中，该方法还涉及，在刻绘半导体基板之前，对半导体基板的第二表面进行纹理化。
总之，虽然上文具体描述了某些材料，但对于仍然在本发明实施例的精神和范围内的其他此类实施方案而言，一些材料可易于被其他材料取代。例如，在实施方案中，可使用不同材料的基板，诸如III-V族材料的基板，来代替硅基板。在另一个实施方案中，使用多晶硅基板。此外，应当理解，在具体描述N+ 型和P+型区域的情况下，设想的其他实施方案包括切换的导电类型，分别为例如P+型和N+型区域。
本文所述实施方案的一个或多个益处或优点可包括能够使用较大的晶片(例如，156cm)，而不必在太阳能电池制造过程中采用额外的金属。可实施这些实施方案来实现可扩展的电压和电流设计，包括高电压设计，诸如先前针对5V USB应用或 120/240Vrms逆变器应用所描述的那些。一个或多个实施方案涉及使用标准电池制造工艺，而不改变已就位的常规电池制造工厂模块。可能不需要进行特殊处理或使用额外的子电池互连。由金属网格电阻引起的功率损耗的降低可与金属网格触指长度的平方成正比。最后，基于更低的电流和可能更可靠的电池制造过程，可以实现效率优势。
由此，本文已公开了具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池，以及形成具有通过金属化结构耦接的多个子电池的太阳能电池的分割方法。
尽管上面已经描述了具体实施方案，但即使相对于特定的特征仅描述了单个实施方案，这些实施方案也并非旨在限制本公开的范围。在本公开中所提供的特征的例子除非另有说明否则旨在为说明性的而非限制性的。以上描述旨在涵盖将对本领域的技术人员显而易见的具有本公开的有益效果的那些替代形式、修改形式和等效形式。
本公开的范围包括本文所公开的任何特征或特征组合 (明示或暗示)，或其任何概括，不管其是否减轻本文所解决的任何或全部问题。因此，可以在本申请(或对其要求优先权的申请)的审查过程期间对任何此类特征组合提出新的权利要求。具体地讲，参考所附权利要求书，来自从属权利要求的特征可与独立权利要求的那些特征相结合，来自相应的独立权利要求的特征可以按任何适当的方式组合，而并非只是所附权利要求中枚举的特定组合。
在实施方案中，太阳能电池包括多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽。太阳能电池包括单片金属化结构，其中单片金属化结构的一部分耦接多个子电池中的子电池，并且其中已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽暴露单片金属化结构的一部分。
在一个实施方案中，太阳能电池还包括设置在已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽中的封装材料。
在一个实施方案中，子电池中的每一者具有大致相同的电压特性和大致相同的电流特性。
在一个实施方案中，所述多个子电池是多个并联二极管、串联二极管或它们的组合。
在一个实施方案中，太阳能电池是背接触太阳能电池，并且单片金属化结构设置在已分割的物理上分离的半导体基板部分中每一者的与光接收表面相背对的背表面上。
在一个实施方案中，由子电池中的每一者产生的电流大致相同。
在一个实施方案中，子电池中每一者的光接收表面是纹理化表面。
在一个实施方案中，已分割的物理上分离的半导体基板部分中的每一者是块体单晶硅基板部分。
在一个实施方案中，光伏模块包括多个太阳能电池。
在一个实施方案中，对于每个太阳能电池，光伏(PV)模块具有PV模块层压体的封装材料，所述封装材料设置在已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽中。
在实施方案中，一种制造太阳能电池的方法包括在半导体基板的第一表面上形成金属化结构。该方法还包括从半导体基板的相背对的第二表面刻绘半导体基板，所述刻绘被金属化结构的部分停止并从第二表面暴露金属化结构的部分。
在一个实施方案中，在半导体基板的第一表面上形成金属化结构包括对形成于半导体基板的第一表面上的金属箔进行图案化。
在一个实施方案中，在半导体基板的第一表面上形成金属化结构包括在半导体基板的第一表面的部分上电镀一层或多层金属膜。
在一个实施方案中，所述刻绘包括使用激光进行刻绘。
在一个实施方案中，该方法还包括，在刻绘半导体基板之前，对半导体基板的第二表面进行纹理化。
在一个实施方案中，所述刻绘包括形成多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，其中，所述金属化结构耦接所述多个子电池中的子电池。
在一个实施方案中，该方法还包括在已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽中形成封装材料。
在一个实施方案中，形成多个子电池包括形成子电池中的每一者，以使它们具有大致相同的电压特性和大致相同的电流特性。
在一个实施方案中，形成多个子电池包括形成多个并联二极管、串联二极管或它们的组合。
在一个实施方案中，该方法还包括，在刻绘半导体基板之后，在光伏(PV)模块层压体中嵌入太阳能电池，其中PV模块层压体的封装材料填充已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的沟槽。
在实施方案中，一种制造包括具有第一表面的半导体基板的太阳能电池的方法涉及：直接在半导体基板的第一表面上形成太阳能电池的至少两个子太阳能电池之间的互连件，以在这两个子电池之间提供电池间电连接，再切割半导体基板直到切割至第一表面，从而在物理上隔离所述至少两个子太阳能电池。
在一个实施方案中，形成太阳能电池的至少两个子太阳能电池之间的互连件还包括，在太阳能电池的半导体基板的第一表面上形成金属化结构。
在一个实施方案中，切割半导体基板还包括从半导体基板的相背对的第二表面刻绘半导体基板。
在一个实施方案中，刻绘半导体基板还包括在从第二表面暴露金属化结构的部分时停止刻绘。
在一个实施方案中，在从第二表面暴露金属化结构的部分时停止刻绘包括停止于缓冲损伤层上，所述缓冲损伤层选自聚合物层、金属层和金属网构成的组。
在一个实施方案中，刻绘半导体基板还包括：在所述至少两个子太阳能电池之间形成沟槽以使得金属化结构电耦接所述至少两个子太阳能电池的部分，以及在沟槽中形成封装材料。
在一个实施方案中，切割半导体基板还包括：在所述至少两个子太阳能电池的每一者中形成至少一个二极管，以及形成所述至少两个子太阳能电池中的每一者以使它们具有大致相同的电压特性和大致相同的电流特性。
在一个此类实施方案中，在所述至少两个子太阳能电池的每一者中形成至少一个二极管还包括：在所述至少两个子太阳能电池中每一者的至少一个二极管中形成P型掺杂区域和N型掺杂区域，形成通往P型掺杂区域的第一金属触点，以及形成通往N型掺杂区域的第二金属触点。
在一个实施方案中，形成金属化结构还包括，与形成金属化结构实质上同时地，在半导体基板的第一表面的部分上电镀一层或多层金属膜。
在一个实施方案中，形成金属化结构还包括对形成于半导体基板的第一表面上的金属箔进行图案化。
在一个实施方案中，该方法还包括，在刻绘半导体基板之前，对半导体基板的第二表面进行纹理化。

Claims (16)

1.一种太阳能电池，包括：
多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，所述沟槽具有侧壁，所述侧壁具有与实质上平坦的表面垂直相邻的弯曲表面；和
金属化结构，其包括设置在其中的应变消除特征，其中所述金属化结构的一部分耦接所述多个子电池中的子电池，其中，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽暴露所述金属化结构的一部分，并且其中，所述金属化结构具有足够的厚度，使得所述金属化结构在电池分割期间被用作后挡板。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述多个子电池是多个并联二极管、串联二极管、或其组合。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，还包括：
设置在所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽中的封装材料。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中各个所述子电池具有相同的电压特征和相同的电流特征。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分中的每一者是块体单晶硅基板部分。
6.一种太阳能电池，包括：
多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，所述沟槽具有侧壁，所述侧壁具有与实质上平坦的表面垂直相邻的弯曲表面；和
金属化结构，其包括设置在其中的应变消除特征，其中所述金属化结构的一部分耦接所述多个子电池中的子电池，其中，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽暴露所述金属化结构的一部分，所述太阳能电池是背接触太阳能电池，并且所述金属化结构设置在所述已分割的物理上分离的半导体基板部分中每一者的与光接收表面相背对的背表面上，并且其中，所述金属化结构具有足够的厚度，使得所述金属化结构在电池分割期间被用作后挡板。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中各个所述子电池产生的电流相同。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中所述子电池中的每一者的光接收表面是纹理化表面。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分中的每一者是块体单晶硅基板部分。
10.一种太阳能电池，包括：
多个子电池，所述子电池中的每一者包括已分割的物理上分离的半导体基板部分，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间具有沟槽，所述沟槽具有侧壁，所述侧壁具有与第二表面连续的第一表面，所述第二表面不同于所述第一表面；和
金属化结构，其包括设置在其中的应变消除特征，其中所述金属化结构的一部分耦接所述多个子电池中的子电池，其中，所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽暴露所述金属化结构的一部分，并且其中，所述金属化结构具有足够的厚度，使得所述金属化结构在电池分割期间被用作后挡板。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中所述第一表面是弯曲表面。
12.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中所述第二表面是平坦表面。
13.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中所述多个子电池是多个并联二极管、串联二极管、或其组合。
14.根据权利要求10所述的太阳能电池，还包括：
设置在所述已分割的物理上分离的半导体基板部分的相邻者之间的所述沟槽中的封装材料。
15.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中各个所述子电池具有相同的电压特征和相同的电流特征。
16.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中所述已分割的物理上分离的半导体基板部分中的每一者是块体单晶硅基板部分。
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