CN201681950U - 用于高功率重量比应用的背接触式太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了一种用于高功率重量比应用的背接触式太阳能电池。该太阳能电池制造在衬底上，该衬底具有正面和背面。该衬底在正面包括具有第一全局厚度的第一区和具有第二全局厚度的第二区。所述第二全局厚度大于所述第一全局厚度。在衬底背面布置有多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区。

Description

用于高功率重量比应用的背接触式太阳能电池
相关申请的交叉参考
本申请要求于2007年6月23日提交的第60/936,954号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用结合与此。
技术领域
本申请的实施例属于半导体制造领域，具体地，属于太阳能电池制造领域。
背景技术
通常被称作太阳能电池的光伏电池是已知用于将太阳辐射直接转换为电能的器件。参照图1，利用半导体工艺技术分别形成多个p型掺杂区104以及n型掺杂区106，在晶片或半导体材料(通常为硅)的衬底102上制造太阳能电池100。冲击到衬底102的表面108上的太阳辐射在衬底的主体中形成电子空穴对，它们迁移到衬底中的p型掺杂区104以及n型掺杂区106，从而在各掺杂区之间产生电压差。掺杂区104和106被电介质层110覆盖，并且在所示实施例中，耦接至金属背面触点112，以将电流从太阳能电池100导向与其耦接的外部电路(未示出)。通常，太阳能电池100的表面108有是有纹理的和/或涂覆有抗反射材料层或涂层114，以用于减少光反射并提高电池效率。
在完成制造太阳能电池100的工艺后，衬底102具有约200微米(μm)的厚度以及每平方厘米至少约0.047克(47mg/cm2)的硅重量。尽管该厚度通常是有利的并且甚至是为太阳能电池提供机械或结构强度(尤其是在将电池的输出端接点焊接至外部电路的位置处)所必须的，但是相对于为许多对重量苛求(weight critical)的应用来说，该重量实在是太大了。
实用新型内容
根据本实用新型，提供了一种在衬底上制造的背接触式太阳能电池，其中，衬底具有正面和背面，并且包括：第一区，位于正面，第一区具有第一全局厚度；第二区，位于正面，第二区具有大于第一全局厚度的第二全局厚度；以及多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区，位于背面。
根据本实用新型的实施例，第一区的各部分和第二区的各部分交替，在衬底的正面上提供了网格图案。
根据本实用新型的实施例，多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区被对准，从而各n型掺杂区与第二区交叠。
根据本实用新型的实施例，多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区被对准，从而各p型掺杂区与第二区交叠。
根据本实用新型的实施例，第二区包括由多个较窄脊分隔开的多个宽脊。
根据本实用新型的实施例，多个宽脊包括邻近太阳能电池周边的多个脊，用于加固该太阳能电池。
根据本实用新型的实施例，第一区的表面积包括该太阳能电池的整个正面表面积的约50％至约90％。
根据本实用新型的实施例，第一全局厚度为第二全局厚度的约10％至约50％。
附图说明
图1是示出传统的背接触式太阳能电池的截面侧视图的图示。
图2是示出根据本申请实施例的网格背接触式太阳能电池的截面侧视图的图示。
图3A是根据本申请实施例的具有分隔各薄区并被布置为在太阳能电池表面上形成图案的凸脊的太阳能电池的平面俯视图的图示。
图3B是根据本申请实施例的图3A所示太阳能电池的沿线3B-3B的截面透视图的图示。
图4是示出根据本申请实施例的具有离轴平面的太阳能电池的 俯视图的图示。
具体实施方式
本文中描述了一种太阳能电池以及制造太阳能电池的方法。在以下的说明书中，为了提供对本申请的透彻理解，阐述了诸如具体尺寸之类的多个具体细节。对本领域技术人员显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实践本申请。在其它情况下，为了不使本申请变得费解，没有详细描述诸如图案化步骤之类的已知工艺步骤。此外，应该理解，附图中示出的各种实施例是示例性表示，并且没必要按比例绘制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”是指结合该实施例描述的具体特征、结构、或特性包含于本申请的至少一个实施例中。在说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”并不必全部都指同一个实施例。
本申请旨在提供一种网格背接触式太阳能电池以及用于制造这种太阳能电池的方法或工艺。这种太阳能电池相对于传统的太阳能电池来说可以呈现出增大的功率重量比。根据本申请的实施例，太阳能电池包括多个具有第一厚度的薄的第一区以及多个具有大于第一厚度的第二厚度的凸第二区。在实施例中，各凸第二区均包括分隔各第一区的多个凸脊，各第一区规则地分隔开以在用于形成太阳能电池的衬底的表面上形成图案。在一个具体实施例中，至少有一些凸脊交叉，从而在衬底的表面上形成网格图案。
在本申请的一个方面中，太阳能电池的正面可以被局部蚀刻掉(例如，局部去除)达到预定深度，或者可以被局部延伸(例如，局部生长或沉积)达到预定高度，以提供在第一区中具有多个薄膜片以及在第二区中具有多个凸脊的太阳能电池，其中，这些第二区分隔并包围各第一区。在一个实施例中，太阳能电池的边缘或周边可以被保留较厚以加固太阳能电池，从而防止在太阳能电池边缘处形成裂缝，并且使得太阳能电池易于制造和维护，而不会有破损的危险。此外，太阳能电池最终被焊接的位置也可以保留较厚，从而使由接头焊接(tab soldering)工艺所引起的压力施加到电池的较厚的结实的部 分。在一个实施例中，太阳能电池的背面很平坦，从而不会不必要地使用于形成第一和第二区的图案化或蚀刻工艺变得复杂。根据本申请的一个实施例，所述太阳能电池是背接触式太阳能电池，在该电池的背面或下表面形成有连接至该电池的p型掺杂区和n型掺杂区的触点或连接。
太阳能电池可以被制造为具有变化厚度的区域。图2是示出根据本申请一个实施例的网格背接触式太阳能电池的截面侧视图的图示。
参照图2，在衬底202上制造太阳能电池200，该衬底具有正面和背面。衬底202包括位于正面的多个第一区214，各第一区都具有第一全局厚度。衬底202还包括位于正面的多个第二区216，各第二区都具有大于第一全局厚度的第二全局厚度。在衬底202的背面布置有多个交替的n型掺杂区206和p型掺杂区204。衬底202的顶面可以具有有意形成的粗糙表面以使收集辐射的表面积最大化并且使反射最小化。因此，在一个实施例中，各第一区214在其整个表面上都具有变化的厚度，如图2所示。然而，各第一区214的全局厚度被确定为如从衬底202的背面测量到的各第一区214的平均厚度。类似地，在一个实施例中，各第二区216在其整个表面上都具有变化的厚度，也如图2所示。然而，各第二区216的全局厚度被确定为如从衬底202的背面测量到的各第二区216的平均厚度。
衬底202可以由半导体材料(诸如但不限于硅)制成，在衬底中已经分别形成有多个p型掺杂区204和n型掺杂区206。冲击到衬底202的表面208上的太阳辐射在衬底202的主体中产生电子空穴对，这些电子空穴对迁移至p型掺杂区204和n型掺杂区206中，从而在这些掺杂区之间产生电压差。在一个实施例中，各掺杂区204和206都被电介质层(诸如但不限于二氧化硅(SiO2)层)210覆盖。此外，在所示实施例中，各掺杂区204和206都耦接至金属背面触点212以将来自太阳能电池200的电流导向与其耦接的外部电路(未示出)。
在一个实施例中，如图2所示，太阳能电池200还包括抗反射 涂覆(ARC)层(诸如但不限于一个或多个材料(诸如氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)或二氧化钛(TiO2))层)218。ARC层218覆盖衬底202的顶面208，以进一步提高太阳能电池的太阳辐射收集效率。如上面所指出的，还可以包括对于P+和N+区204、206成交错或叉指型结构的背面金属触点212，并且这些触点可以使用标准的光刻、蚀刻和金属沉积技术来形成。
根据本申请的一个实施例，各第一区214的各部分与各第二区216的各部分交替从而在衬底202顶面上提供网格图案，如图2所示。在一个实施例中，网格图案与衬底202的晶体取向对准。在另一方面中，可以根据各第一区214和各第二区216的位置来在衬底202中布置多个交替的n型掺杂区206和p型掺杂区204。在一个实施例中，该多个交替的n型掺杂区206和p型掺杂区204被对准以使各n型掺杂区206与各第二区216交叠，如图2所示。然而，在一个可替换实施例中，该多个交替的n型掺杂区206和p型掺杂区204被对准以使各p型掺杂区204与各第二区216交叠。在再一个可替换实施例中，该多个交替的n型掺杂区206和p型掺杂区204未与各第一区214或各第二区216对准。各第二区216的各部分的宽度可以根据太阳能电池200的结构要求改变。根据本申请的一个实施例，各第二区216均包括由多个较窄脊分隔开的多个宽脊。在一个实施例中，多个宽脊包括紧邻太阳能电池200的周边的多个脊，用于加固太阳能电池200。在一个实施例中，各第一区214的表面积构成太阳能电池200的整个顶面表面积的约50％至约90％。在一个实施例中，各第一区214的厚度(例如，第一全局厚度)为第二全局厚度的约10％至约50％。在另一个实施例中，各第一区214的全局厚度约为80微米，而各第二区216的全局厚度约为165微米。应该理解，衬底202的背面不需要是平坦的。即，尽管未示出，但是根据本申请的另一个实施例，各第二区216突出超过第一区214的背面。
为了达到各第一区214和各第二区216之间的全局厚度差，可以对衬底202的多个部分进行蚀刻。因此，根据本申请的一个实施例，可以对太阳能电池200的正面或顶面208进行局部蚀刻或图案化达预 定深度，从而形成多个薄膜片或薄的第一区214以及第二区216中的多个凸脊，所述第二区分隔并包围各第一区214。在一个实施例中，通过首先在衬底202的正面208上形成图案化蚀刻掩模来执行局部图案化。对通过图案化蚀刻掩模露出的衬底202的正面208的那些区域进行蚀刻以形成各薄的第一区214。在该实施例中，由图案化蚀刻掩模保护的衬底202的正面208的那些区域被保留以形成各第二区216。
可以通过在衬底202的顶面208上形成图案化蚀刻掩模(未示出)、以及随后以使用例如氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)或其它各向异性蚀刻溶液的湿式蚀刻工艺对该表面进行蚀刻来完成局部变薄或蚀刻工艺。在一个实施例中，蚀刻掩模包括一个或多个材料(诸如SiO2或氮化硅(SiN))层，其抗上述蚀刻溶液的蚀刻。SiO2或SiN蚀刻掩模可以利用任何适合的技术(包括例如，通过在低压(100-200mTorr)氧气包含环境中进行热生长，或通过化学汽相沉积(CVD))来形成或沉积，并且可以利用标准光刻和蚀刻技术进行图案化。SiO2或SiN蚀刻掩模或层的厚度被选择得足够厚以保护并使得衬底的基本未被蚀刻的区域形成凸第二区216。可选地，在一个实施例中，SiO2或SiN蚀刻掩模的厚度被选择为在局部蚀刻步骤的结尾基本被完全消耗掉，从而消除对单独的剥离或去除步骤的需要。这是可行的，这是因为尽管是以比露出的衬底202的硅的速率慢很多的速率，但是SiO2或SiN仍然受到蚀刻溶液的蚀刻。
蚀刻工艺可以被允许进行预定时间或直到衬底已经变薄了期望量。已经发现使衬底202变薄约50％至90％提供了期望的太阳能电池200重量的减少量。类似地，可以调整蚀刻掩模中特征的图案和尺寸(即各第二区216与每一区的宽度之间的间隔)，以使太阳能电池的机械特性、效率和重量最佳。已经发现这些特性在以下情况下是最佳的：变薄的第一区214的累加面积包括太阳能电池200的整个表面积的约50％至约90％，或者第二区216包括为太阳能电池200的约10％至约50％的累加面积。例如，在一个实施例中，变薄的第一区214包括太阳能电池200的整个表面积的约75％，并具有200μm厚的未被 蚀刻的第二区216的厚度的约25％的厚度，即约50微米的厚度。已经发现这些尺寸可以使衬底202的重量从约0.047克每平方厘米(47mg/cm2)减少至约0.020g/cm2。
最后，利用任何适合的方法(包括例如，湿式或干式蚀刻或化学机械抛光(CMP))来剥离或去除蚀刻掩模。在一个实施例中，以利用含氢氟酸(HF)的溶液的湿式蚀刻工艺去除蚀刻掩模。可替换地，可以保留蚀刻掩模以使其留在完成的太阳能电池200上，这是因为对于给定的第二区216的小的表面积来说，电池的任何效率损失都可以通过降低的制造成本和提高的功率重量比来补偿。
在一个实施例中，在对太阳能电池200的顶面208进行局部蚀刻以分别形成各第一区214和各第二区216以后，以利用氢氧化钾(KOH)和异丙醇(IPA)或其它各向异性蚀刻溶液的湿式蚀刻工艺使顶面208纹理化以形成随机特征，诸如图2所示的锥形物。在一个实施例中，这种纹理化提高了太阳能电池200的太阳辐射收集效率。可替换地，可以使用标准光刻和蚀刻工艺来使衬底202的顶面208纹理化或图案化，以形成规则的重复特征或图案。有利的是，电介质(SiO2)层210可以用于在纹理化或蚀刻工艺期间保护P+区204和N+区206。在一个实施例中，纹理化可以在去除蚀刻掩模之前完成，在此情况中，只有第一区214被纹理化，而各凸出的第二区216基本保持为平坦表面。
在本申请的另一个方面中，可以使用生长工艺替代蚀刻工艺。即，为了实现第一区214和第二区216之间的全局厚度差，可以以生长或沉积工艺来延伸衬底202的多个部分。因此，根据本申请的一个实施例，在太阳能电池200的正面或顶面208上局部沉积或生长材料达预定厚度，从而形成多个厚的或凸的脊，例如形成分隔并包围较薄的各第一区214的各第二区216。在一个实施例中，通过首先在衬底202的正面208上形成图案化掩模来执行局部图案化。通过图案化掩模露出的衬底202的正面208的那些部分被延伸，以形成加厚的第二区216。在该实施例中，由图案化掩模保护的衬底202的正面208的那些区域被保留用于形成各第一区214。在一个实施例中，利用选择 性生长或沉积工艺来延伸通过图案化掩模露出的衬底202的正面208的那些区域。在一个具体实施例中，利用在硅衬底202的露出部分上而不是在图案化掩模上形成外延层的选择性化学汽相沉积工艺来延伸通过图案化掩模露出的衬底202的正面208的那些区域。
下面参照图3A和图3B描述根据本申请一个实施例的通过第二区的凸脊和薄的第一区形成在太阳能电池顶面上的图案。
参照图3A，例如，通过蚀刻工艺或通过生长或沉积工艺使太阳能电池300的顶面局部图案化，以形成由形状规则且分隔开的多个第二交叉脊或凸出区304分隔开的多个多边形的第一区302。在一个可替换实施例中，各第一区302具有方框形状(未示出)，与具有多边形形状相反，其具有较直的侧壁。在任一情况下，这种布置都形成如所示的网格或类似网格外观的图案。在一个实施例中，如图3B所示，太阳能电池300的顶面被局部蚀刻以形成与大量较窄脊304B交替、或被这些窄脊分隔开的多个宽脊或凸出区304A。在一个具体实施例中，这些窄脊或凸出区304B具有为太阳能电池300的未被蚀刻的衬底厚度的约25％至约150％的宽度，而这些宽脊304A具有大于窄脊约10倍至约100倍的宽度。在另一个具体实施例中，这些窄脊304B具有从约100至约200微米的宽度，而这些宽脊304A具有约1厘米的宽度。
如上所述，太阳能电池300可以包括位于周边附件的凸出的或未被蚀刻的区域中的焊接接头或垫片306，从而使由接头焊接工艺引起的压力施加至电池的厚的、坚固的部分。在其它实施例中，太阳能电池的顶面被蚀刻以形成由形状规则的且分隔开的多个非交叉脊或第二区分隔开的多个第一区(未示出)。在该非交叉实施例的情况中，这些脊或第二区包括多个其间限定多个圆形或环形第一区的同心环。在一个具体实施例中，这些脊或第二区还包括邻近太阳能电池周边或边缘的至少一个脊或凸出区，以加固太阳能电池。
本申请的太阳能电池及其制造方法优于之前的或传统的电池和方法之处包括：(i)充分减少了太阳能电池的重量，而没有不利地影响电池的结构强度和完整性；(ii)提高了太阳能电池的功率重量 比；以及(iii)与现有太阳能电池的生产工艺和设备兼容。此外，已经发现减少第一区中衬底的厚度有利地地减少了由于温度增加而造成的电池效率的劣化。
在本申请的另一个方面中，在完成太阳能电池的制造后，可以去除在太阳能电池中使用的衬底的较厚区域。即，根据本申请的一个实施例，在太阳能电池的制造期间包括了较厚区域，以在制造期间提供太阳能电池的结构完整性。然后，对结构完整性的需要一旦减小，就可以去除部分或全部较厚的区域，以提供重量更轻的太阳能电池。在一个实施例中，在形成多个交替的n型和p型掺杂区之后，去除较厚的第二区的一部分。在一个具体实施例中，较厚的第二区的一部分对准太阳能电池的周边或附近，以便于切掉该部分，从而减少这些较厚区域对最终太阳能电池的总重量的贡献。
在本申请的一个方面中，太阳能电池的这些薄的区域不需要与太阳能电池的轴对准，如图3A所示。此外，太阳能电池的轴不需要对应于太阳能电池衬底的结晶面。相反，根据本申请的另一个方面，太阳能电池的这些薄的区域被布置为相对于太阳能电池的轴而离轴。图4是示出根据本申请一个实施例的具有离轴平面的太阳能电池的平面俯视图的图示。参照图4，太阳能电池400形成在衬底401上，并具有与虚线平行的轴。然而，由位于区402中的菱形表示的薄的区域相对于太阳能电池400的轴而离轴。在一个具体实施例中，如图4所示，这些薄的区域离轴约45度。根据太阳能电池400的空间和结构要求，这些离轴的薄的区域可以局限于太阳能电池400的衬底401的特定区域，例如区域402。例如，在一个实施例中，所有的薄的区域都局限于区域402，如图4所示。然而，在另一个实施例中，允许第一离轴薄区域406形成为从区域402的左侧突出，如图所示，或从区域402的右侧突出从而侵占间隔404。然而，在该实施例的具体实施中，不允许第二离轴薄区域410形成为从区域402的顶面突出，如图所示，或从区域402的下面突出，从而不侵占间隔408。在一个实施例中，这些薄区域处的衬底厚度大约在40-100微米的范围内。
为了示例和说明的目的，已经提供了本申请的具体实施例和示 例的前述描述，尽管已经通过前述实例描述和示出了本申请，但是不应该理解为限制于此。上述描述不旨在穷尽或将本申请限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导，在本申请的范围内的许多变型、改进和变体均可行。本申请的范围旨在包括如本文中由所附权利要求及其等同物所公开的一般领域。本申请的范围由权利要求限定，所述权利要求包括在提交该申请时已知的等同物和不可预料的等同物。

Claims (8)

1.一种在衬底上制造的背接触式太阳能电池，其中，所述衬底具有正面和背面，并且包括：
第一区，位于所述正面，所述第一区具有第一全局厚度；
第二区，位于所述正面，所述第二区具有大于所述第一全局厚度的第二全局厚度；以及
多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区，位于所述背面。
2.根据权利要求1所述的背接触式太阳能电池，其中，所述第一区的各部分和所述第二区的各部分交替，在所述衬底的正面上提供了网格图案。
3.根据权利要求1所述的背接触式太阳能电池，其中，所述多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区被对准，从而各n型掺杂区与所述第二区交叠。
4.根据权利要求1所述的背接触式太阳能电池，其中，所述多个交替的n型掺杂区和p型掺杂区被对准，从而各p型掺杂区与所述第二区交叠。
5.根据权利要求2所述的背接触式太阳能电池，其中，所述第二区包括由多个较窄脊分隔开的多个宽脊。
6.根据权利要求5所述的背接触式太阳能电池，其中，所述多个宽脊包括邻近所述太阳能电池周边的多个脊，用于加固所述太阳能电池。
7.根据权利要求1所述的背接触式太阳能电池，其中，所述第一区的表面积包括所述太阳能电池的整个正面表面积的约50％至约 90％。
8.根据权利要求1所述的背接触式太阳能电池，其中，所述第一全局厚度为所述第二全局厚度的约10％至约50％。 
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