TWI633677B - 使用金屬箔的太陽能電池的金屬化 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能電池結構包含P型摻雜區域及N型摻雜區域。介電質間隔物形成在太陽能電池結構的表面上。金屬層形成在介電質間隔物及由介電質間隔物露出的太陽能電池結構的表面上。金屬箔放置在金屬層上。使用雷射光束焊接金屬箔至金屬層。也使用雷射光束圖案化金屬箔。雷射光束剝蝕在介電質間隔物上的金屬箔及金屬層部分。金屬箔的雷射剝蝕切割金屬箔成分離的P型金屬指及N型金屬指。

Description

使用金屬箔的太陽能電池的金屬化
在本文中所描述的專利標的(subject matter)之實施例通常關於一種太陽能電池。更具體地，專利標的之實施例係關於一種太陽能電池製備製程及結構。
太陽能電池為習知用於轉化太陽能輻射至電能的裝置。太陽能電池具有在正常操作期間面向太陽以收集太陽能輻射的正面以及相反於正面的背面。衝射(impinging)在太陽能電池上的太陽能輻射產生了可利用以供電給外部電路之電荷，如負載(load)。外部電路可通過連接至太陽能電池的摻雜區域的金屬指接收來自太陽能電池的電流。
在本發明的一實施態樣中，揭露一種製備太陽能電池之方法。該方法包含：在太陽能電池結構的表面上形成介電質間隔物；在介電質間隔物、N型摻雜區域及P型摻雜區域上形成金屬層，其中金屬層電性連接N型摻雜區域至P型摻雜區域；在金屬 層上放置金屬箔；以及在金屬層上放置金屬箔之後，圖案化金屬箔，其中圖案化金屬箔包含移除在介電質間隔物上的金屬箔及金屬層之部分。
在本發明的又一實施態樣中，揭露一種太陽能電池結構。該太陽能電池結構包含N型摻雜區域及P型摻雜區域；位在N型摻雜區域及P型摻雜區域上之介電質間隔物；在介電質間隔物及N型摻雜區域上的第一金屬層，其中第一金屬層係電性連接至N型摻雜區域；在介電質間隔物及P型摻雜區域上的第二金屬層，其中第二金屬層係電性連接至P型摻雜區域；電性接合至第一金屬層之第一金屬箔指；以及電性接合至第二金屬層之第二金屬箔指。
在本發明的再一實施態樣中，揭露一種製備太陽能電池的方法。該方法包含在太陽能電池結構的表面上形成介電質間隔物；在由介電質間隔物露出的太陽能電池結構的表面的部分上沉積金屬層；安裝金屬箔至金屬層；以及在安裝金屬箔至金屬層之後圖案化金屬箔。
在一實施例中，介電質間隔物形成在太陽能電池結構的表面上。金屬層形成在介電質間隔物上且在由介電質間隔物露出的太陽能電池結構的表面上。金屬箔放置在金屬層上。使用雷射光束焊接金屬箔至金屬層。也使用雷射光束圖案化金屬箔。雷射光束剝蝕(ablate)在介電質間隔物上的金屬箔及金屬層之部分。金屬箔的雷射剝蝕切割金屬箔成分離的P型金屬指及N型金屬指。
對所屬技術領域具有通常知識者而言本揭露的這些及其他特徵藉由參閱其中包含附圖及申請專利範圍的本揭露全文將 更容易地顯而易見。
100‧‧‧太陽能電池結構
101‧‧‧太陽能電池基板
103‧‧‧介電質間隔物
104‧‧‧金屬層
105、105A‧‧‧金屬箔
106‧‧‧焊接接點
107‧‧‧切割
108、109‧‧‧金屬指
201、202、203、204、205‧‧‧步驟
當考量搭配下列圖式時，經由參照詳細描述及申請專利範圍可衍生專利標的之更完整的理解，其中在整個圖式中相同參考符號代表相似元件。圖式不按照比例繪製。
第1圖至第7圖為示意性地繪示根據本揭露的實施例製備太陽能電池的方法的截面圖。
第8圖為根據本揭露的實施例的未圖案化金屬箔的平面圖。
第9圖為在根據本揭露的實施例的圖案化之後的第8圖的金屬箔的平面圖。
第10圖為根據本揭露的實施例製備太陽能電池的方法之流程圖。
第11圖及第12圖為示意性地繪示根據本揭露的實施例以模組層級(module level)的金屬箔的圖案化的截面圖。
第13圖及第14圖為示意性地繪示根據本揭露的實施例具圖案化金屬層的金屬箔的使用的截面圖。
下列詳細描述在本質上僅為說明性的且非旨在限制專利標的之實施例或這樣的實施例的申請及使用。如在本文中所使用的，文字「例示性的(exemplary)」表示「作為一個示例(example)、 實例(instance)或說明(illustration)」。在本文中所描述的作為例示性的任何實施方式不需要被詮釋為較佳於或優於其他實施方式。此外，沒有意圖以在先前技術領域、背景、發明內容或下列實施方式提出的任何明示或暗示的理論所限制。
此說明書包含參照「一個實施例(one embodiment)」或「一實施例(an embodiment)」。片語「在一個實施例(in one embodiment)」或「在一實施例(in an embodiment)」的表述不必然表示相同實施例。特別的特徵、結構或特性可以任何與本揭露相符的合適方式結合。
在本揭露中，提供了許多特定細節，如結構及方法的實施例，以提供實施例的徹底理解。然而，所屬技術領域具有通常知識者將認知的是，實施例可在不具一或多個特定細節下實現。在其他實例中，不示出或描述習知的細節，以避免模糊了實施例的態樣。
第1圖至第7圖為示意性地繪示根據本揭露的實施例製備太陽能電池的方法的截面圖。所製備之太陽能電池為全背面接觸太陽能電池(all back contact solar cell)，其中N型摻雜區域及P型摻雜區域以及耦合至N型摻雜區域及P型摻雜區域的金屬指為在太陽能電池的背面上。
首先參照第1圖，示出了根據本揭露的實施例的太陽能電池結構100。在第1圖的實施例中，太陽能電池結構100包含可形成在太陽能電池基板101內或太陽能電池基板101外的交替之複數個N型摻雜區域及P型摻雜區域。例如，N型摻雜區域及P型摻雜區域可藉由分別擴散N型摻雜物及P型摻雜物至太陽能 電池基板101而形成。在另一實施例中，N型摻雜區域及P型摻雜區域形成在材料，如在太陽能電池基板101上形成的多晶矽的另外層(separate layer)中。在該實施例中，N型摻雜物及P型摻雜物擴散至多晶矽(其可為或可不為溝槽式(trench))以在多晶矽而非在太陽能電池基板101中形成N型摻雜區域及P型摻雜區域。太陽能電池基板101可包含例如單晶矽晶圓(monocrystalline silicon wafer)。
在第1圖的實施例中，標號「N」及「P」示意性地代表N型摻雜區域及P型摻雜區域或電性連接至N型摻雜區域及P型摻雜區域。更特別地，標號「N」示意性地代表露出的N型摻雜區域或至N型摻雜區域之露出的金屬連接。類似地，標號「P」示意性地代表露出的P型摻雜區域或至P型摻雜區域之露出的金屬連接。太陽能電池結構100可因此代表在聯至N型摻雜區域及P型摻雜區域之接觸孔形成之後，但在用以形成聯至N型摻雜區域及P型摻雜區域的金屬接觸指之金屬化製程(metallization process)之前所製備的太陽能電池的結構。
在第1圖的實施例中，N型摻雜區域及P型摻雜區域在太陽能電池結構100的背面上。太陽能電池結構100的背面相反於直接朝向太陽以在正常操作期間收集太陽能輻射的正面。
其次參照第2圖，複數個介電質間隔物103形成在太陽能電池結構100的表面上。在第2圖的實施例中，介電質間隔物103形成在於相鄰的P型摻雜區域及N型摻雜區域之間的界面上的太陽能電池結構100的表面上的區域上。如同可理解的，介電質間隔物103也可根據太陽能電池結構100的詳細情況而形成在其他區域上。
在一實施例中，介電質間隔物103藉由網版印刷印刷在太陽能電池結構100上。介電質間隔物103也可使用其他介電質形成製程來形成，包含藉由旋轉塗佈及藉由沉積(例如，化學氣相沉積)接續圖案化(例如，遮罩(masking)及蝕刻)。介電質間隔物103可包含具光能吸收器(optical absorber)、可燒結介電質(fireable dieletric)等的介電質材料。作為特定實施例，介電質間隔物103可包含網版印刷在太陽能電池結構100上成1-10微米厚度的聚亞醯胺(例如，具氧化鈦濾光片(titanium oxide filter))。一般而言，介電質間隔物103可配置以具有將阻擋(例如，藉由吸收或反射)在金屬箔105的圖案化中所使用的雷射光束的厚度及組成(參見第5圖)，且與使用的製程相容以形成重疊金屬層(例如，第3圖，金屬層104)。
在第2圖的實施例中，各介電質間隔物103形成在太陽能電池結構100的N型摻雜區域及P型摻雜區域上。如同下面更顯而易見的是，在隨後的金屬化製程中，在金屬箔在太陽能電池結構100上時金屬箔係使用雷射圖案化。介電質間隔物103在金屬箔105的圖案化期間有利地阻擋可穿透至太陽能電池結構100的雷射光束。
如同在第3圖所示出的，金屬層104形成在太陽能電池結構100上。金屬層104提供電性連接至N型摻雜區域及P型摻雜區域以隨後形成金屬指。在一實施例中，金屬層104包含在介電質間隔物103上共形的(conformal)連續覆蓋金屬塗層(continuous blanket metal coating)。例如，金屬層104可包含藉由濺鍍、沉積或一些其他製程形成在介電質間隔物103、N型摻雜區域及P型摻雜區域上成10埃(Angstrom)至5微米(例如，0.3微 米至1微米)之厚度的鋁。一般而言，金屬層104包含可接合至金屬箔105的材料。例如，金屬層104可包含鋁以促進焊接至鋁金屬箔105。在第3圖中金屬層104仍然電性連接N型摻雜區域至P型摻雜區域。金屬層104隨後在金屬箔105的圖案化期間圖案化以從P型摻雜區域分離N型摻雜區域。
其次參照第4圖，金屬箔105大致地位在太陽能電池結構100之上。金屬箔105為「金屬箔」，其中包含了預先製備的金屬薄板。第8圖為在製備製程的此階段的金屬箔105的平面圖。如同在第8圖所示出的，金屬箔105未圖案化。如同下面將更顯而易見的，在金屬箔105安裝至金屬層104之後金屬箔105隨後圖案化以形成太陽能電池的金屬指。
接著在第5圖中，金屬箔105放置在太陽能電池結構100上。不像沉積或塗佈在太陽能電池結構100上的金屬，金屬箔105為預先製備的板。在一實施例，金屬箔105包含鋁板。金屬箔105在其中其未形成在太陽能電池結構100上處放置在太陽能電池結構100上。在一實施例，金屬箔105為藉由安裝至金屬層104而放置在太陽能電池結構100上。安裝過程可包含擠壓金屬箔105至金屬層104以使金屬箔105得以與金屬層104密切接觸。安裝過程可導致金屬箔105在金屬層104的特徵(例如，凸塊(bump))上為共形的。可使用真空對著金屬層104擠壓金屬箔105，以在焊接期間於其間得到小於10微米的間隙。也可在焊接期間使用壓板對著金屬層104擠壓金屬箔105；為了雷射剝蝕而移除壓板。
第6圖示出在金屬箔105電性接合至金屬層104之後的太陽能電池結構100。在第6圖的實施例中，在金屬箔105對著金屬層104擠壓時金屬箔105藉由導向雷射光束在金屬箔105上 而焊接至金屬層104。雷射焊接製程產生電性接合金屬箔105至金屬層104的焊接接點106。因為金屬箔105在製備製程的此階段為未圖案化，故金屬箔105仍然電性連接太陽能電池結構100的N型摻雜區域及P型摻雜區域。
接著在第7圖中，金屬箔105係圖案化以形成金屬指108及金屬指109。在一實施例中，金屬箔105藉由剝蝕在介電質間隔物103上的金屬箔105及金屬層104的部分而圖案化。金屬箔105及金屬層104可使用雷射光束剝蝕。雷射剝蝕製程可切割(參見107)金屬箔105成至少兩個分離片段(piece)，有一片段為電性連接至N型摻雜區域的金屬指108且另一片段為電性連接至P型摻雜區域的金屬指109。雷射剝蝕製程截斷了N型摻雜區域及P型摻雜區域通過金屬層104及金屬箔105的電性連接。金屬箔105及金屬層104係因此在相同步驟圖案化，有利地減少製備成本。
第9圖為根據本揭露的實施例的第7圖的圖案化金屬箔105的平面圖。第9圖示出切割107物理性地從金屬指109分離金屬指108。在第9圖的實施例中，金屬箔105係圖案化以形成交指型(interdigitated)金屬指108及交指型金屬指109。也可根據太陽能電池使用其他金屬指圖案(design)。
回到第7圖，雷射剝蝕製程使用逐步切割金屬箔105及金屬層104的雷射光束。根據雷射剝蝕製程的製程窗口(process window)，雷射光束也可切割其部分，但不通過介電質間隔物103。介電質間隔物103有利地阻擋可以其他方式達到且損壞太陽能電池結構100的雷射光束。介電質間隔物103也有利地保護太陽能電池結構100免於機械性損壞(mechanical damage)，如在金屬箔105至金屬層104的安裝期間。介電質間隔物103在完成 的太陽能電池中可留下，所以其使用不需要涉及在金屬箔105的圖案化之後添加的移除步驟。
鑑於前述，所屬技術領域具有通常知識者將理解的是，本揭露的實施例提供迄今為止未實現的額外益處。金屬箔的使用以形成金屬指相較於涉及金屬指的沉積或電鍍(plating)的金屬化製程為相對地具成本效益的。介電質間隔物103允許雷射焊接製程及雷射剝蝕製程在原位進行，即接連在相同製程平台(station)。介電質間隔物103也使雷射光束的使用能夠在金屬箔105位於太陽能電池結構100上時圖案化金屬箔105。如同能理解的，放置及對準金屬箔板相較於放置及對準金屬指的個別條帶係為更容易的，具微米尺度之精密度。不像蝕刻及其他化學根據的圖案化製程，使用雷射圖案化金屬箔105減少了可能形成在所製備的太陽能電池上的殘留物的量。
進一步注意的是在第9圖的實施例中，金屬層104與金屬箔105為同時地圖案化。這有利地在雷射焊接及剝蝕之前消除用以圖案化金屬層104而分離P型摻雜區域及N型摻雜區域之多餘步驟。
第10圖示出根據本揭露的實施例製備太陽能電池的方法之流程圖。第10圖的方法可在具N型摻雜區域及P型摻雜區域的太陽能電池結構上進行。第10圖的方法可在太陽能電池的製備期間以電池層級(cell level)進行或當太陽能電池與其他太陽能電池連接及封裝時以模組層級(module level)進行。注意的是在各種實施例中，第10圖的方法可包含比繪示的更多的或更少的方塊。
在第10圖的方法中，複數個介電質間隔物形成在太陽能電池結構的表面上(步驟201)。各介電質間隔物可形成在太陽能電池結構的N型摻雜區域及P型摻雜區域上。介電質間隔物可例如經由網版印刷、旋轉塗佈或由沉積及圖案化形成。金屬層在此後形成在介電質間隔物上且在介電質間隔物之間露出的太陽能電池結構的表面上(步驟202)。在一實施例中，金屬層為經由覆蓋沉積(blanket deposition)形成的連續且共形的層。金屬箔安裝至金屬層(步驟203)。在一實施例中，金屬箔使用雷射光束焊接至金屬層(步驟204)。注意的是也可進行非雷射根據的焊接技術來焊接金屬箔至金屬層。也可使用雷射光束剝蝕在介電質間隔物上的金屬箔及金屬層部分(步驟205)。雷射剝蝕製程係圖案化金屬箔成分離的金屬指，且圖案化金屬層以分離P型摻雜區域及N型摻雜區域。
當所製造的太陽能電池與其他太陽能電池封裝時可以模組層級進行金屬箔105的圖案化。在該實施例中，金屬箔105可安裝至複數個太陽能電池結構100的金屬層104。這示意性地繪示在第11圖，其中金屬箔105A安裝至二或多個太陽能電池結構100的金屬層104。除了金屬箔105A跨越超過一個太陽能電池結構100以外，金屬箔105A係相同於先前討論的金屬箔105。如同在第12圖所示出的，金屬箔105A在太陽能電池結構100上時可藉由雷射剝蝕圖案化。雷射剝蝕製程可圖案化金屬箔105A成如同先前討論的金屬指108及金屬指109。在圖案化之後可切割金屬箔105A以物理性地分開太陽能電池結構100。在圖案化之後，金屬箔105A的部分也可保留在原位以將相鄰的太陽能電池結構100串在一起。
在一實施例中，金屬箔105A的雷射剝蝕保留了相鄰的 太陽能電池結構100的相反型金屬指之間的連接。這為示意性地繪示在第12圖的實施例，其中金屬箔105係圖案化，以使一個太陽能電池結構100的P型金屬指109保留連接至相鄰的太陽能電池結構100的N型金屬指108，從而電性連接串聯的太陽能電池結構100。因為金屬箔105A的圖案化可與太陽能電池結構100串結合，這有利地省下在模組層級的製備步驟。
如同解釋的，金屬層104可形成作為電性連接P型摻雜區域及N型摻雜區域的金屬的覆蓋層，且在此後金屬箔105的圖案化期間圖案化以分離P型摻雜區域及N型摻雜區域。在其他實施例中，根據製備製程之詳細情況，金屬層104可在雷射焊接及剝蝕之前圖案化。這為示意性地繪示在第13圖，其中金屬層104形成在其未電性連接的P型摻雜區域及N型摻雜區域上。例如，金屬層104可藉由覆蓋沉積而沉積在介電質間隔物103、N型摻雜區域及P型摻雜區域上，且然後如同在第13圖所示出的圖案化(例如，經由遮罩及蝕刻)以從P型摻雜區域分離N型摻雜區域。如同先前描述的，金屬箔105然後可放置在圖案化的金屬層104及介電質間隔物103上，雷射焊接至金屬層104，且藉由雷射剝蝕而圖案化。第14圖示意性地示出在該實施例中的雷射剝蝕製程之後的N型金屬指108及P型金屬指109。雷射剝蝕製程通過金屬箔105切割但在介電質間隔物103終止。
揭露了製備太陽能電池的方法及結構。雖然提供了特定實施例，要了解的是這些實施例為用於描述目的而非限制性的。在參閱本揭露下許多添加的實施例對所屬技術領域具有通常知識者而言將為顯而易見的。
本揭露的範圍包含本文中所揭露的任何特徵或特徵的組 合(明顯地或隱含地)或其任何通則，而不管其是否減輕了在本文中所解決的任何或所有問題。據此，在本申請的審查(或主張優先權的本申請)期間可以任何這樣的特徵組合製訂新的申請專利範圍。特別是，參照所附的申請專利範圍，附屬項的特徵可與獨立項的特徵組合且各獨立項的特徵可以任何適當的方式組合而不僅為在所附的申請專利範圍中所列舉的特定組合。

Claims (17)

  1. 一種製備太陽能電池之方法，該方法包含：在一太陽能電池結構的表面上形成一介電質間隔物；在該介電質間隔物、一N型摻雜區域及一P型摻雜區域上形成一金屬層，其中該金屬層電性連接該N型摻雜區域至該P型摻雜區域；在該金屬層上放置一金屬箔；以及在該金屬層上放置該金屬箔之後，圖案化該金屬箔，其中圖案化該金屬箔包含移除在該介電質間隔物上的該金屬箔及該金屬層之部分，且其中該方法進一步包含焊接該金屬箔至該金屬層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中圖案化該金屬箔包含導向一雷射光束在該金屬箔上以剝蝕該金屬箔。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該雷射光束也剝蝕至少一部分在該金屬層之下的該介電質間隔物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其進一步包含：藉由導引一雷射光束在該金屬箔上來焊接該金屬箔至該金屬層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬層藉由覆蓋沉積而形成在該介電質間隔物上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中圖案化該金屬箔成一P型金屬指及一N型金屬指，且該P型金屬指為物理性地及電性地從該N型金屬指分離。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬箔放置在該太陽能電池結構的該金屬層及另一太陽能電池結構的另一金屬層上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中圖案化該金屬箔包含保留該太陽能電池結構及該另一太陽能電池結構的金屬指之間的電性連接。
  9. 一種太陽能電池結構，其包含：一N型摻雜區域及一P型摻雜區域；一介電質間隔物，在該N型摻雜區域及該P型摻雜區域上；一第一金屬層，在該介電質間隔物及該N型摻雜區域上，其中該第一金屬層係電性連接至該N型摻雜區域；一第二金屬層，在該介電質間隔物及該P型摻雜區域上，其中該第二金屬層係電性連接至該P型摻雜區域；一第一金屬箔指，係電性接合至該第一金屬層；一第二金屬箔指，係電性接合至該第二金屬層；以及一焊接接點，係連接該第一金屬箔指至該第一金屬層且連接該第二金屬箔指至該第二金屬層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池結構，其中該太陽能電池包含一全背面接觸太陽能電池。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池結構，其中該第一金屬箔指及該第二金屬箔指包含鋁。
  12. 一種製備太陽能電池的方法，該方法包含：在一太陽能電池結構的一表面上形成一介電質間隔物；在由該介電質間隔物露出的該太陽能電池結構的該表面的部分上沉積一金屬層；安裝一金屬箔至該金屬層；在安裝該金屬箔至該金屬層之後圖案化該金屬箔；以及在安裝該金屬箔至該金屬層之後但在圖案化該金屬箔之前焊接該金屬箔至該金屬層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中安裝該金屬箔至該金屬層包含在該金屬層上放置一鋁箔板。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中圖案化該金屬箔包含導向一雷射光束在該金屬箔上以剝蝕該金屬箔及該金屬層。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中在該介電質間隔物上沉積該金屬層包含在該介電質間隔物上沉積一金屬覆蓋層。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中在該太陽能電池結構的該表面上形成該介電質間隔物係包含在該太陽能電池結構的該表面上印刷該介電質間隔物。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其進一步包含：在安裝該金屬箔至該金屬層之後但在圖案化該金屬箔之前，導向一雷射光束在該金屬箔上以焊接該金屬箔至該金屬層。
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