TW201340361A - 太陽能電池及製造太陽能電池的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種太陽能電池以及一種製造此類太陽能電池之方法,在該方法中製造了一太陽能電池內芯,在該太陽能電池內芯中檔光線射入該太陽能電池的正面時提供了電荷分離以及朝向該發射極和該太陽能電池的一位於該發射極相對側上的基極的電荷傳輸;製造一處於接觸指形式的能夠導電的發射極接觸結構,該等接觸指與發射極直接電接觸;製造一處於匯流排形式的可焊接的金屬發射極端子結構,該等匯流排與發射極接觸結構直接電接觸並且橫向連接發射極接觸結構的接觸指;發射極以及基極在太陽能電池的相對側面上進行接觸。本發明的目的在於提出上述類型的一種構造簡單而且功能可靠的太陽能電池,並且提出一種能夠減少太陽能電池製造成本之太陽能電池製造方法。採用所述類型的一種太陽能電池和一種太陽能電池製造方法即可實現這一目的,其中至少用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金製造該可焊接的金屬發射極端子結構,並且將一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排施加到該發射極端子結構上。
Description
本發明涉及一種製造太陽能電池之方法,包括以下方法步驟:製造了一太陽能電池內芯,在該太陽能電池內芯中檔光線射入該太陽能電池的正面時提供了電荷分離以及朝向該發射極和該太陽能電池的一位於該發射極相對側上的基極的電荷傳輸;製造一處於接觸指形式的能夠導電的發射極接觸結構,該等接觸指與發射極直接電接觸;製造一處於匯流排形式的可焊接的金屬發射極端子結構,該等匯流排與發射極接觸結構直接電接觸並且橫向連接發射極接觸結構的接觸指;發射極以及基極在太陽能電池的相對側面上進行接觸。本發明還涉及一太陽能電池,包括一太陽能電池內芯,在該太陽能電池內芯中當光線射入太陽能電池正面中時提供了電荷分離以及朝向該發射極和該太陽能電池的一位於該發射極相對側上的基極的電荷傳輸;一能夠導電並且與發射極直接電接觸的發射極接觸結構;一可焊接並且與發射極接觸結構直接電接觸的金屬發射極端子結構;其中發射極以及基極在太陽能電池的相對側面上進行接觸。
所述類型的方法已經應用於太陽能電池之工業化生產。例如可根據該方法生產其太陽能電池內芯具有一硼摻雜晶體矽基極和一位於太陽能電池正面的磷摻雜發射極的
太陽能電池。這種太陽能電池的發射極通常藉由銀製成的接觸指進行接觸。藉由通常稱作匯流排的母線將接觸指相互連接。將連接帶焊接到該等匯流排上,即可將太陽能電池與外部連接。
按照現有技術,在同一工藝步驟中以絲網印刷銀糊劑的方式製造標準太陽能電池的接觸指和匯流排。例如藉由鋁層與基極接觸,所述基極通常與太陽能電池背面上的發射極相對定位,其中所述鋁層形成該基極接觸結構。由於鋁不可以焊接,要將一可焊接的銀端子結構施加到這種基極接觸結構上。
按照迄今為止已知的技術生產標準太陽能電池之問題就是其生產成本很高,用於生產標準太陽能電池的銀糊劑在生產成本中佔據了很大比例。因此現有技術所採取的方法尤其是藉由限制銀的耗用量來降低生產成本。
文件DE 10 2010 014 554 A1公開了一種太陽能電池,其中使用電鍍在接觸指上的銅絲作為匯流排替代銀導線。這種太陽能電池和從屬的生產方法之缺點係需要適合於該方法之特殊電鍍設備。此外使用銅還存在銅擴散到太陽能電池的矽之中的危險。為了防止這種情況,在矽和銅之間需要有非常好的阻擋層。僅在與接觸指的較小的重疊範圍內將作為匯流排的銅絲與太陽能電池相連也容易出現問題。由於接觸面很小,這種太陽能電池之可靠性尚有疑問。
此外文件DE 10 2009 016 268 A1還公開了背側接觸
式太陽能電池,例如所謂的交叉背側接觸式電池(IBC),在該電池中在太陽能電池背側上不僅與基極接觸而且也與發射極接觸,其中使用金屬化的多層薄膜替代已知的厚銀層。該等太陽能電池的缺點係生產非常複雜,因此成本很高。例如比較纖細的背面結構就會產生很高的成本,其中必須保證n區和p區的分離,並且只有投入比標準太陽能電池之生產更大費用才能實現。
因此本發明的目的在於,提出上述類型的一種結構簡單而且功能可靠的太陽能電池,其成本低於現有技術的太陽能電池。此外本發明的目的還在於提出一種用於製造此類太陽能電池之相應生產方法。
採用開篇所述類型的一種方法即可實現這一目的,其中至少用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金製造的可焊接的金屬發射極端子結構,並將一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排(Bandanordnung)施加到該發射極端子結構上。
本發明所述的方法有別於迄今為止常見的標準太陽能電池製造方法,以往的方法係在一道工藝步驟中同時在太陽能電池之正面上製造發射極接觸結構和發射極端子結構,本發明之方法則依次在不同的工藝步驟中製造發射極接觸結構和發射極端子結構,而且並非以標準太陽能電池中被證實有效的、導電性極好的銀來形成發射極端子結
構。本發明代之以使用一眾所周知導電性比較差之材料來形成發射極端子結構,例如使用鎳、錫、一鎳合金或者錫合金。該材料主要由鎳或錫形成,但也可以是一鎳錫合金。原則上也可以使用鎳和/或錫的其他合金,例如與釩的合金。但是發射極端子結構不必僅僅由一含有鎳、鎳合金、錫和/或錫合金的層形成。按照本發明所述,也可以在含鎳層和/或含錫層的下方或上方將附加的層施加到太陽能電池上,例如粘合劑層或者覆蓋層。
本發明開闢了一種全然不同于傳統的太陽能電池接觸方式。在此取消了諸如銀之類的昂貴材料來製造發射極端子結構,而是採用導電性明顯較差的材料,如鎳、錫或者該等材料中的至少一種形成的合金。該材料之導電性當然足以與發射極接觸結構形成適當的電接觸。除此之外,鎳、錫和/或該等材料形成的合金之類的材料還有極好的可焊性,從而能夠將一焊料或者一覆蓋有焊料之導電帶安排施加到用該等材料製成的發射極端子結構上以便與太陽能電池接觸。採用本發明所述的方法最終能夠以明顯較少的成本製造太陽能電池,因為按照本發明不必使用銀之類的昂貴材料來製造發射極端子結構。採用本發明所述的措施,一方面可利用發射極接觸結構提供非常好的電接觸,另一方面可利用發射極端子結構提供非常好的可焊性,此外還可製成高品質的太陽能電池。
與使用銀匯流排作為發射極端子結構的太陽能電池標準技術相比,本發明所述方法之另一優點在於,本發明所
提出的發射極端子結構材料對於矽表面沒有不良影響,而在傳統型太陽能電池中則存在為了焊接而提供的銀匯流排穿透設置在太陽能電池上的氮化矽直至到達矽表面的效應。這降低了太陽能電池的效率。在現有技術條件下人們嘗試藉由以下方式避免這個問題:在太陽能電池上印刷接觸指,隨後執行燒制步驟,然後施加銀匯流排,接著僅僅將銀匯流排乾燥,從而可以防止銀穿透到太陽能電池的矽內芯。尤其當例如濺鍍本發明所提出的發射極端子結構時,則不必擔心這種效應。
如前所述,可焊接的金屬發射極端子結構與由銀形成的傳統型發射極端子結構一樣是可焊接的。因此無需比較大的生產設備改裝費用,就能在一種標準生產工藝中對利用本發明所述方法製成之太陽能電池進行繼續處理。無需改變工藝流程,就能在外側將太陽能電池與其他太陽能電池或者太陽能模組的外部連接極相連。例如按照本發明所述的方法,可以將一含錫的焊料和一導電帶安排施加到發射極端子結構上。例如導電帶安排可以由整面焊接在兩個匯流排上的兩個銅編織帶(Kupfergeflechtbändern)形成。在本實例中,由兩個銅編織帶形成的導電帶安排起到從太陽能電池表面收集電流和輸出電流的作用。
在本發明所述方法的其他可行的實施例中,可以不藉由導電帶安排、而是直接藉由具有充分大的橫截面而可以將太陽能電池中產生的電流排出之焊料,在發射極端子結構區域內傳輸電流。發射極端子結構本身在此僅僅需要從
發射極接觸結構朝向焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排垂直地傳輸電流。而在發射極端子結構中則並不在較大距離範圍內側向地傳輸電流。
本發明使用的太陽能電池內芯概念視所提供之太陽能電池類型而有很大不同。標準太陽能電池的太陽能電池內芯通常包括在太陽能電池中形成基極的n傳導型晶體內芯、在太陽能電池正面藉由將磷擴散到太陽能電池內芯之中所形成的高n傳導型發射極層、以及藉由與鋁進行反應製成的高p摻雜的背面層。位於正面的氮化矽減反射層用於使光反射最小化,並且不再屬於太陽能電池內芯。
在另一實施例中,利用本發明所述方法製成的太陽能電池可以是使用p傳導型起始晶片製成的異質結太陽能電池。例如藉由沈積一非摻雜的本征半導體層、一n傳導型半導體層和一透明且導電的表面層,即可形成異質結太陽能電池的太陽能電池內芯。透明且導電的表面層例如可以由銦錫氧化物形成。該表面層一方面可起到減反射塗層的作用,另一方面也有與太陽能電池內芯的外電觸點構造一樣的電功能。
在太陽能電池的正面希望有盡可能大的光入射面。發射極端子結構相應地應當覆蓋和遮蔽太陽能電池正面盡可能小的面積。因此有益的是在太陽能電池正面形成盡可能窄的發射極端子結構。在太陽能電池正面利用焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排加強整個發射極端子結構,以便實現良好的導電性。對於發射極在背面的太陽能電池來說則
相反,並非在任何情況下均需要或希望減小端子結構面積。在太陽能電池的背面可以有規律地大面積施加發射極端子結構,這種情況下可以用焊料或者覆蓋有焊料之導電帶安排僅僅覆蓋發射極端子結構的部分表面。
在本發明所述方法的一實施方式中,所述方法還包括以下方法步驟:製造一與基極直接電接觸的基極接觸結構;至少用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金製造一與基極接觸結構直接電接觸的可焊接的金屬基極端子結構;將一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排施加到基極端子結構上。
在本發明所述方法的該實施方式中,使用類似於本發明所述發射極端子結構製造方法的方法來製造基極端子結構。所述發射極和基極位於太陽能電池的相對側面上。對發射極端子結構和基極端子結構的要求大部分源自可焊性、用於外部連接之材料以及對整體太陽能電池之要求。
在太陽能電池正面,相應設置的端子結構應當遮蔽該正面的盡可能少的面積,無論太陽能電池的發射極端子結構還是基極端子結構位於太陽能電池正面。因此在此有意義的係:如果基極端子結構位於太陽能電池正面,則應將其結構尺寸設計得盡可能小,並且應在整個基極端子結構上設置一焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排,以便實現良好的導電性。在太陽能電池背面並非一定需要這樣整面覆蓋基極端子結構。
視發射極端子結構或者基極端子結構附近的層順序而
定,可能存在對相應接觸結構之特定要求。例如要求必須有防止銅擴散到太陽能電池內芯之中的阻擋作用。如果相應端子結構的相鄰層會使得銅擴散到太陽能電池內芯之中,則相應的接觸結構本身必須形成銅的擴散阻擋層。反之如果相應的接觸結構位於其他層上,例如位於起到銅擴散阻擋作用的氮化矽減反射層上,則相應的端子結構本身不必具有對銅的擴散阻擋作用。
在本發明所述方法的一種有益實施方式中,製造層厚度小於5 μm的發射極端子結構和/或基極端子結構。在標準太陽能電池中經常使用層厚度約為20 μm的銀制發射極或基極端子結構。之所以需要如此大的銀層厚度度,係因為焊料和銀可以良好相互溶入,並且要防止完全溶解由銀形成的接觸結構,從而不會損壞太陽能電池內芯。而在本發明所述方法的上述實施例中則相反,較佳的是發射極和/或基極端子結構被製造為明顯較薄而且層厚度小於5 μm。之所以能夠如此,係因為鎳在施加到發射極和/或基極端子結構上的焊料中具有很小的溶解性,並且只有幾奈米的由鎳形成的端子結構會在焊接時溶解在焊料之中。這樣一方面可產生比傳統技術明顯更少的材料消耗量,另一方面現在也可以採用迄今為止由於層厚度要求出於效率原因而不適用的方法(例如濺鍍法)來施加較薄的層。
為了進一步減小成本,有益的是選用盡可能小的層厚度。因此按照本發明所述方法的一改進實施方式,發射極端子結構和/或基極端子結構較佳的是被製造為層厚度在
50至500 nm之間。視太陽能電池的類型而定,在發射極端子結構和/或基極端子結構的製造方法中,50 nm至500 nm之間的層厚度對於端子結構的功能而言是足夠的。在製造較緻密而且少缺陷的層的層製造方法中,較薄的層厚度通常足以製成相應的端子結構。反之在製造較低品質層的層製造方法中,需要略微大一些的層厚度。
按照本發明所述方法的另一可選方案,發射極端子結構和/或基極端子結構特別佳的是被製造為層厚度在100 nm至150 nm之間的。該等層厚度在本發明所述方法的實際實施過程中效果最佳,因為其能夠製造有效率地進行製造,並且因此造成太陽能電池的製造成本較低,除此之外,還能與發射極和/或基極接觸結構形成特別好的電接觸,此外還有非常好的可焊性。
在本發明所述方法的一有益變體中,用一金屬糊劑和/或用一電解槽來製造發射極接觸結構和/或基極接觸結構。可以用金屬糊劑以低廉成本快速地製造厚的金屬層。此外金屬糊劑還可以含有蝕刻性成分,從而例如當對用來製造金屬的金屬糊劑進行熱處理時可以同時局部蝕刻和打開減反射層。用於製造厚金屬層或者用於提高籽晶層厚度的另一成本低廉之方法係用電解槽進行製造。位於電解槽中的金屬離子在電勢或者電化學勢作用下朝向接觸結構運動並且累積在這裡。電解材料沈積可以用來對其他方式製成的接觸結構進行補償或者加強。
較佳的是形成層厚度在5 μm至50 μm之間的發射
極接觸結構和/或基極接觸結構。事實證明,如此大小的層厚度有利於滿足發射極和/或基極接觸結構的工藝和結構性目的。視電阻率而定,發射極和/或基極接觸結構需要極小的導體橫截面,以達到所要求的、接觸結構的較小之導體電阻。此外接觸結構的所需層厚度也取決於製造發射極和/或基極接觸結構所用的方法。例如用金屬糊劑製造金屬層就是一種只有當層厚度較大時才不會產生缺陷的厚層法。如果用一種電阻率小於用金屬糊劑製成的接觸結構的材料來製造接觸結構,或者如果太陽能電池背面的接觸結構可以佔據較大的面積,那麼5 μm或者更小的層厚度就足夠。
在本發明所述方法的一特別適用的變體中,用一種銀糊劑製造接觸指形式的發射極接觸結構。用銀糊劑在太陽能電池正面製造發射極接觸結構之方法已經應用於太陽能電池的工業化生產。但是在廣為使用的工業化方法中不僅要用銀糊劑製造接觸指,而且也要製造與接觸指電相連之匯流排。若要製造比較寬的匯流排,在現有技術條件下就需要使用很多的銀,這在太陽能電池的總成本中佔據了很大的比例。採用本發明所述之方法可以在製造中大大減少銀之用量,尤其是因為並非用銀來製造該等匯流排(即發射極端子結構),因此本發明所述之方法能發揮其有利的經濟作用。銀接觸指通常用於太陽能電池正面,但也可以製造背面具有銀接觸指的太陽能電池。
在本發明所述方法的另一實施方式中,藉由局部進行
的層沈積來製造發射極端子結構和/或基極端子結構。為了在太陽能電池的部分表面上形成端子結構,原則上可以整面沈積一個層,然後對其進行結構化處理,或者可以進行局部的層沈積。較佳的是使用局部進行的層沈積,因為這比較簡單而且成本比較低廉。此外局部進行的層沈積對於比較簡單的發射極和/基極端子結構而言也足夠精確。有各種各樣的局部層沈積可能性,例如使用金屬墨水進行局部噴墨印刷。
事實證明,利用物理真空沈積法在使用掩膜的情況下沈積發射極端子結構和/或基極端子結構,係本發明所述方法之特別適用的實施變體。使用例如濺射之類的物理真空沈積法可製造高質量金屬層,其突出之處為密度大而且導電性良好。此外採用物理真空沈積法通常可以進行定向塗覆,從而能夠藉由掩膜以充分的清晰度製成所需之結構。原則上也可以使用其他沈積法來製造發射極和/或基極端子結構,例如化學氣相沈積、鐳射輔助氣相沈積或者絲網印刷金屬糊劑。
按照本發明所述方法的一有利實施方式,在一道方法步驟中同時製造發射極端子結構和基極端子結構。同時執行這兩道方法步驟可實現快速且低成本之生產。例如實踐中可藉由同時運行兩個濺射源的方式在太陽能電池的正面和背面進行同時製造。
按照本發明所述方法的一有益實施方式,在至少一道方法步驟中首先藉由絲網印刷金屬糊劑來製造發射極接觸
結構和/或基極接觸結構,並且在後續的一道方法步驟中製造發射極端子結構和/或基極端子結構。這種方法變體特別適合於採用與現有技術相比經過修改的方法來製造標準太陽能電池。首先將鋁糊劑整面地印刷在太陽能電池背面上,接著採用絲網印刷在太陽能電池正面製造銀接觸指。並不採用絲網印刷法將形成發射極端子結構或者基極端子結構的匯流排印刷到太陽能電池的正面上。接著燒制太陽能電池,以便將絲網印刷的糊劑轉變成金屬層。鋁與矽在太陽能電池的背面上進行反應,從而形成與鋁背面層良好電接觸之高摻雜背面層。太陽能電池正面的接觸指經過燒制步驟之後被燒制到減反射層之中,並且與太陽能電池正面的發射極接觸。然後按照本發明所述的這種方法變體,例如藉由濺射鎳在太陽能電池的正面和背面製造端子結構。較佳的是藉由濺射掩膜在太陽能電池的正面進行濺鍍。與此相反,較佳的是對太陽能電池的背面進行整面地塗覆,因為這樣可在背面省去製造和清除濺射掩膜之費用。燒制步驟之後,通常對所生產的太陽能電池進行最終檢測。在本發明所述之方法中可能有必要修改最終檢測方法,因為尖銳的探針可能會破壞藉由濺射製成的薄鎳層。
按照本發明所述方法的另一選項,可以如下地執行該方法,使得在至少一個方法步驟中首先製造發射極端子結構和/或基極端子結構,並且在隨後的一方法步驟中製造發射極接觸結構和/或基極接觸結構。執行這種方法時首先將發射極端子結構和/或基極端子結構施加到太陽能電
池內芯上或者在其上施加一減反射層。爾後才製造發射極接觸結構和/或基極接觸結構,從而使得接觸結構在端子結構的區域內不與太陽能電池內芯直接接觸。在太陽能電池正面上的匯流排區域內也不需要在接觸結構與太陽能電池內芯之間的接觸。接觸結構與太陽能電池內芯之間的接觸首要地在平面摻雜分佈的情況下弊大於利。所述的這種方法可以用於各種各樣的技術。例如對於標準太陽能電池而言,以這種方式可防止在燒制匯流排區域內的銀糊劑時透過減反射層燒灼銀接觸指。
在另一實施例中,可以將上述類型的方法變體用於製造異質結太陽能電池。異質結太陽能電池具有對溫度敏感的薄層,該等層限定製造工藝之溫度上限。因此異質結太陽能電池的製造工藝明顯有別於標準太陽能電池的製造工藝。這種差別之一就是沈積一透明的導電的氧化物作為減反射層替代介電減反射層。使用透明的導電的氧化物作為電導體,從而可省去將銀糊劑燒入到介電減反射層之中的銀糊劑燒制步驟。在異質結太陽能電池之製造工藝中也已證明合適的方式係:在發射極接觸結構和/基極接觸結構之前製造發射極端子結構和/或基極端子結構。
在本發明所述方法的一典型實施方式中,使用一種金屬聚合物糊劑來絲網印刷發射極接觸結構和/或基極接觸結構,接著在低於300℃的溫度下進行溫度處理(Temperaturbehandlung),以將金屬聚合物糊劑轉變成至少一個金屬層。在製造異質結太陽能電池時不允許例如
在製造標準太陽能電池的過程中燒制銀糊劑時設定的850℃的高溫。這裡所允許的溫度要低很多,例如350℃以下。一種經驗證的、在允許的低溫條件下製造金屬結構之變體係使用可以在低於300℃的溫度下藉由溫度處理轉變為導電金屬結構的金屬聚合物糊劑進行絲網印刷。但是該等金屬聚合物糊劑(例如銀聚合物糊劑)為價格昂貴的產品,使得主要的關注在於減小金屬聚合物糊劑的需要量。採用本發明所述方法之實施方式,不必使用金屬聚合物糊劑即可製造發射極端子結構和/或基極端子結構,這樣與也使用金屬聚合物糊劑製造端子結構之方法相比,金屬聚合物糊劑的用量只有其幾分之一。
在本發明所述方法的一較佳變體中,在至少一道方法步驟中將一焊料施加到層厚度為至少20 μm的發射極端子結構和/或基極端子結構上,或者將覆蓋有焊料的銅帶安排焊接到發射極端子結構和/或基極端子結構上。以這種方式在端子結構上產生的導體橫截面大小足以傳導在太陽能電池中所產生的電流。特別佳的是焊上一銅帶安排,即每一匯流排藉由一銅帶加強。銅帶可以是一實心的銅帶,但也可以是在機械上柔軟而且對太陽能電池的機械負荷比較小的銅編織帶。也可以用其他方式加強端子結構,例如可以將一具有較大層厚度的焊料施加到端子結構上,或者以電鍍方式加強端子結構。
還可以採用一種太陽能電池實現本發明的目的,該太陽能電池中可焊接的金屬發射極端子結構至少由鎳、一鎳
合金、錫和/或一錫合金形成,其中在可焊接的金屬發射極端子結構上設置一焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排。
在本發明所述的太陽能電池中,太陽能電池的正面端子結構並非像現有技術那樣由銀形成,而是代之以由鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金形成。眾所周知,該等材料均具有比銀小得多的導電性。因此迄今為止基本上從未考慮過使用鎳、錫或者其合金之類的材料來形成太陽能電池上的端子結構。但是鎳、錫及其合金之類的材料卻有可焊性非常好的特點。因此能夠非常好地將按照本發明所述地施加到發射極端子結構上的焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排焊接到由鎳、錫或者一鎳合金和/或錫合金形成的發射極端子結構上。除此之外,由鎳、錫或者其合金形成的發射極端子結構的導電性完全足以在發射極接觸結構與發射極端子結構之間形成適當的電接觸。因此按照本發明所述,可以將現有技術條件下作為發射極端子結構、通常90%以上由銀形成並且因此而昂貴的匯流排替換為成本低很多的材料,從而可以大大節省太陽能電池的製造成本。
標準太陽能電池的發射極位於陽光照射的太陽能電池正面上,於是就這種類型的太陽能電池而言,將發射極端子結構理解成正面端子結構。在其他類型的太陽能電池中,也可以將發射極端子結構施加在太陽能電池的背面上,其中本發明所述太陽能電池中的基極端子就位於相對的正面上。在將發射極端子結構施加在太陽能電池的背面上的情況下,在一實施方式中可以將其佈置為與正面端子
結構相對,以便補償正面的機械力。但是按照另一實施例所述,例如為了便於製造,也可以整面或者幾乎整面地形成發射極端子結構。在任何情況下均將一焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排設置在可焊接的金屬發射極端子結構上。焊料或者導電帶安排在發射極端子結構上形成傳輸所產生的光電流所需的導體橫截面的實質性部分。
在本發明所述太陽能電池的一有利的改進方式中,設置一基極接觸結構與基極直接電接觸,並且設置一至少由鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金形成的可焊接的金屬基極端子結構與基極接觸結構直接電接觸,其中將一焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排設置在可焊接的金屬基極端子結構上。在該改進方式中,不僅在太陽能電池的其中一面上的發射極接觸結構,而且還有在太陽能電池另一面上的基極接觸結構都是由鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金形成的。以這種方式不需要將銀用於這兩種端子結構,並且與由銀形成的端子結構相比能實現特別大的節約效果。
在本發明所述太陽能電池的一較佳實施方式中,發射極端子結構和/或基極端子結構具有小於5 μm的層厚度。發射極端子結構和/或基極端子結構的首要作用並非是電流導體,而是基本上用來形成適合於施加焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排之基礎。只要5 μm或者顯著小於5 μm的層厚度即可滿足這一目的。所需的層厚度尤其取決於用來形成相應端子結構的製造工藝。在產生質量不太高的層的製造工藝中,需要較大的層厚度;而在產生緻密層的其
他製造工藝中,薄層就足以形成適當的發射極和/或基極端子結構。此外所需的層厚度還取決於端子結構的材料在焊料中的可溶性。端子結構的厚度通常必須足以避免端子結構完全溶解在焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排之中。
在本發明所述太陽能電池的有益實施方式中,發射極端子結構和/或基極端子結構具有50 nm至500 nm之間的層厚度。發射極端子結構和/或基極端子結構特別佳的是具有100 nm至150 nm之間的層厚度。可利用該等層厚度製造功能齊全的太陽能電池,其端子結構的製造成本也很低。
在本發明所述太陽能電池的另一實施方式中,發射極端子結構和/或基極端子結構由一金屬糊劑和/或一電解沈積材料形成。用銀糊劑製造發射極端子結構係一種已經在工業界使用的簡單製造方法,但問題係銀價格很高,而且不斷攀升。但是並非只能使用銀糊劑作為金屬糊劑,也可以將鋁糊劑用於p摻雜的發射極。此外在各種類型的太陽能電池中也可以使用其他金屬糊劑,例如銅糊劑。但是發射極端子結構並非一定要由一金屬糊劑形成,實際上也可以採用其他製造工藝,例如電解沈積。
在本發明所述太陽能電池的一較佳實施方式中,發射極端子結構和/或基極端子結構具有5 μm至20 μm之間的層厚度。可根據所需的導體橫截面和允許的導體寬度得出相應端子結構所需的層厚度。在太陽能電池正面需要窄的導體,以便盡可能少地遮蔽太陽能電池表面。所述窄導體
的層厚度比較大,以便實現所需的橫截面。在太陽能電池的背面通常不需要形成與太陽能電池正面一樣窄的導體。當導體寬度比較大時,較小的層厚度就足以產生足夠小的導體電阻。
按照本發明所述太陽能電池的一實施例,發射極端子結構和/或基極端子結構特別有益地具有用銀糊劑形成的接觸指。接觸指形式的端子結構容易控制,並因此在工業界是較佳結構。藉由傳統方式用銀糊劑製造接觸指,只要對生產線稍加改動,就能製造本發明所述的太陽能電池。因此改造生產線來製造本發明所述太陽能電池時遇到的阻力很少。
按照本發明所述太陽能電池的一可行的變體,在太陽能電池內芯與發射極端子結構之間設置該發射極接觸結構,和/或在太陽能電磁內芯與基極端子結構之間設置該基極接觸結構。在該實施方式中藉由接觸結構在太陽能電池內芯與端子結構之間形成直接的電接觸。該構造相當於標準太陽能電池中常見的構造。
在本發明所述太陽能電池的一較佳的替代實施方式中,在太陽能電池內芯與發射極接觸結構之間設置發射極端子結構,和/或在太陽能電池內芯與基極接觸結構之間設置基極端子結構。在該實施方式中端子結構下方的面積並不或者僅有限地用來藉由接觸結構與太陽能電池內芯接觸。也不需要將該面積用來與太陽能電池內芯接觸,而是在端子結構區域中對太陽能電池內芯的損害比較少,並且
可產生更好的擴散阻擋層,例如防止銅擴散的阻擋層。
圖1所示為本發明所述太陽能電池1的一實施例的橫截面示意圖。太陽能電池1具有一太陽能電池內芯2,在太陽能電池內芯2的相對側面上有一發射極3和一基極4。當光線入射到太陽能電池1中時,發生電荷分離以及朝向發射極3和太陽能電池1的位於發射極3對相側上的基極4的電荷傳輸。太陽能電池內芯2除了具有圖1中所示的層之外,還可以有其他的層,例如發射極3與基極4之間的非摻雜層,或者太陽能電池內芯2兩個表面中的一個上的導電層。
發射極3與導電的發射極接觸結構5直接電接觸。除此之外,在發射極接觸結構5上還有一將發射極接觸結構5的各個接片橫向連接的發射極端子結構6。電流可以藉由直接的電接觸從太陽能電池內芯2朝向太陽能電池表面的方向上流入發射極接觸結構5直至進入發射極端子結構6中。表述直接的電接觸也包括太陽能電池內芯2具有其他圖中沒有繪出的層,例如透明的導電氧化物。
在圖1所示的實施例中,發射極接觸結構5位於陽光照射的、太陽能電池1的正面9上。所述發射極接觸結構5在圖示的實施方式中是用銀糊劑製成的銀窄線或者銀接觸指。在圖示的本發明所述太陽能電池1的實施例中,僅發射極接觸結構5由銀形成,而發射極端子結構6則由一薄
鎳層形成。在本發明的另一圖中沒有繪出的實施方式中,發射極端子結構6也可以由錫、一鎳合金或者一錫合金形成。
發射極端子結構6在圖1所示的實施例中由三個匯流排形成,通常也將該等匯流排稱作母線。但是圖中所示匯流排的數量並沒有更多含義。實際上可設想任意數量的匯流排來形成發射極端子結構6。在本發明所述的太陽能電池1中,在本示例中由鎳形成的發射極端子結構6上設置一焊料或者覆蓋有焊料的導電帶安排11。在太陽能電池1的工作過程中,焊料或者導電帶安排佔據了大部分導體截面積,因此發射極端子結構6本身不必是低歐姆的電導體。
在圖示的實施例中,發射極端子結構6係一個150 nm的薄鎳層。但是發射極端子結構6並非僅限於這種層厚度。在本發明的圖中沒有繪出的其他實施方式中,發射極端子結構6的層厚度可以在100 nm至150 nm之間,或者也可以在50 nm至500 nm之間,或者也可以總體小於5 μm。但是按照本發明所述,原則上也可以將大於5 μm的層厚度用於發射極端子結構6。可以在相同的焊接設備(即所謂的串焊機(Stringern))中將銅帶焊接在圖1中所使用的鎳層上,在該焊接設備中也可以將導電帶安排焊接在具有銀匯流排的現有技術的標準太陽能電池上。
基極接觸結構7位於太陽能電池1的背面,在圖示的實施例中是一大面積的鋁層。在基極接觸結構7的外側施
加了可焊接的金屬基極端子結構8。在圖示的實施例中,處於三個匯流排形式的基極端子結構8由鎳形成。這裡所示的三個匯流排僅作為示範,一般可以有任意數量的匯流排來形成基極端子結構8。在本發明的圖中沒有繪出的其他實施方式中,也可以使用錫、鎳合金或者錫合金來製造基極端子結構8。原則上也可以使用其他材料來製造基極端子結構8。
在圖1所示的實施例中,分別採用藉由掩膜濺射鎳的方式形成相對的發射極端子結構6和基極端子結構8。在另一圖中沒有繪出的實施例中,也可以整面地沈積基極端子結構8,例如作為錫合金層。
圖2以太陽能電池1的正面9的俯視圖示意性示出了圖1的本發明所述太陽能電池1的實施方式。在此使用與圖1中相同的附圖標記標識相同的元件。在該示意圖中可明顯看出,發射極端子結構6與發射極接觸結構5相比佔據了較大的面積,在發射極接觸結構5由銀形成時將會產生對應的高成本。而在本發明所述的太陽能電池1中則相反,發射極端子結構6由成本低廉的材料形成,使得本發明所述太陽能電池1的製造成本低於使用例如銀之類的高價材料製成發射極接觸結構和發射極端子結構的太陽能電池。
圖3以太陽能電池1的背面10的俯視圖示意性示出了圖1和2所示太陽能電池的實施例。將基極接觸結構7在此幾乎整面地施加在太陽能電池1的背面上。而基極端
子結構8則局部地與發射極端子結構6的條紋相對的三個條紋中形成。在圖示的實施例中,採用藉由掩膜濺射的方式製造基極端子結構8。在其他類型的方法變體中,也可以藉由特殊的線性電漿源、相對於太陽能電池運動的點狀沈積源、電化學或者以其他方式沈積該等條紋。
圖4、5和6所示為本發明所述太陽能電池1’的一替代實施方式的示意圖。圖4所示為通過太陽能電池1’的橫截面,圖5所示為太陽能電池1’的正面9的示意圖,並且圖6所示為太陽能電池1’的背面10的俯視圖。在圖示的實施例中,太陽能電池內芯2係一異質結太陽能電池,其基極4和發射極3由不同的材料形成。在圖示的實施例中,基極4係晶體矽晶片,將發射極3作為梯度層沈積在該晶片上。在這種情況下,太陽能電池內芯2也包括一位於發射極3上的、但是圖中沒有繪出的、用作減反射層和連接層的導電透明氧化物層。在該實施例中,首先藉由物理氣相沈積在太陽能電池內芯2的正面9上製造發射極端子結構6。接著使用銀聚合物糊劑進行絲網印刷並且隨後在300℃溫度下進行熱處理的方式來製造發射極接觸結構5。在太陽能電池1’的背面10上,基本上整面的基極接觸結構7由一鋁層,並且隨後同樣也作為整面層形成可焊接的金屬基極端子結構8。
圖示的實施例僅用來對本發明進行說明和解釋。該等實施例不以任何方式造成對本發明的限制。在本發明領域工作的技術人員憑藉其專業知識瞭解:在充分利用本說明
書的情況下也可以稍加改動後實現本發明。
從圖1至6所示的實施例很容易得出本發明所述用於製造太陽能電池1、1’的方法。在該方法中首先製造或提供太陽能電池內芯2,在該太陽能電池內芯中當陽光入射到太陽能電池1、1’的正面9中時提供了電荷分離以及朝向發射極3和太陽能電池1、1’的位於發射極3相對側10的基極4的電荷傳輸。
隨後製造與發射極3直接電接觸的導電發射極接觸結構5,也可以與此平行地製造基極接觸結構7。
在製造發射極接觸結構5之後或者之前製造與發射極接觸結構5直接電接觸的可焊接金屬發射極端子結構6,與此平行地或者在一個單獨的步驟中可以在太陽能電池1、1’的相對側製造基極端子結構8。
使用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金製造發射極端子結構6。也有益地使用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金來製造基極端子結構8。
較佳的是用相對小的層厚度形成發射極端子結構6。例如可以按照本發明所述方法的一實施變體,使用100至150 nm厚度的鎳或者鎳釩層替代現有技術條件下使用的銀匯流排作為發射極端子結構6。
按照本發明所述,將電池繼續加工成模組時,在模組生產工藝中需要將所製成的矽太陽能電池上的發射極端子結構6以及匯流排用於電池互連,也就是所謂的串焊。在此值得提及的是,儘管按照本發明所述對本發明所述太陽
能電池1、1’的製造工藝進行了改動,不必像現有技術條件下已知的同樣也造成較低的銀糊劑成本的其他工藝技術那樣在繼續加工成最終模組的工藝流程中進行改動。還可以繼續使用標準太陽能電池連接線、標準焊料和標準模組設備(尤其當使用串焊機時)進行操作。
例如可以利用濺射沈積之類的真空沈積法來沈積例如可用於製造發射極端子結構6的薄鎳層。鎳在標準焊料中的溶解率比銀小得多,因此在製造發射極端子結構6時可以用以上所述較小的層厚度來工作。
為了在沈積時就能對發射極端子結構6進行對應的結構化,建議在沈積用於發射極端子結構6的層時使用濺射掩膜,其中露出了將要在其中產生匯流排(發射極端子結構6)的區域,並且對其進行相應的塗覆處理。
可以如上所述,對用來製造基極端子結構8的太陽能電池1、1’的背面10進行整面的塗覆,或者同樣也在使用掩膜的情況下僅僅在某些位置上形成要製造的匯流排(基極端子結構8)。
相應採用的濺射塗層可以在一道工藝步驟中藉由從上方和下方的平行塗覆來進行。較佳的是在使用可以將太陽能電池及其掩膜放入其中的襯底承載物或載體的情況下給相應使用的濺射塗層設備填裝太陽能電池晶片。這時要注意掩膜和太陽能電池盡可能對齊地封閉,從而可形成清晰的邊緣並且盡可能不會在太陽能電池的活性區域內發生背後濺射(Hintersputterung)。
在後續的一道工藝步驟中給形成發射極端子結構6的鎳層條帶設置覆蓋有焊料的導電帶安排11並且與其焊接。薄鎳層在串焊過程中的可焊性通常很好。可達到與純銀匯流排類似的剝離力,即>2N。
在使用背面鈍化的標準太陽能電池(“Passivated Emitter and Rear Contacts”(PERC)鈍化發射極與背觸結構)時,則按照本發明使用的工藝流程如下:絲網印刷接觸指形式的發射極和基極接觸結構5、7;替代性地在匯流排位置上形成中斷的接觸指結構
燒制接觸指結構
以真空法藉由掩膜在太陽能電池的正面和背面9、10上沈積發射極和基極端子結構6、8
在閃爍器(Flasher)上進行最終檢測,在閃爍器的檢測臺上較佳的是需要將通常放在匯流排上的測針替換成測量條。
按照本發明所述,製造異質結太陽能電池之工藝流程如下:以濺射法給太陽能電池內芯2塗覆透明的導電氧化物(TCO)
出料
放置掩膜
在太陽能電池的正面和背面9、10塗覆NiV,同時形成發射極端子結構6和基極端子結構8(可以在與TCO塗覆一樣的設備中進行NiV塗覆;但也可以使用專門配備的
PVD設備,在使用掩膜的情況下進行兩面塗覆)
在太陽能電池正面9印刷發射極接觸結構5,同時形成銀接觸指(在鎳匯流排上可以有凹陷)
乾燥銀糊劑
在閃爍器上進行最終檢測。
上述示例性方法變體基本上利用PVD法製造例如用於製造發射極和基極端子結構6、8的鎳層,但儘管如此可設想的是,完全可以利用絲網印刷法製造該等層,當然為此需要使用相應的糊劑。雖然印刷的層通常厚於濺射的層,但是這對於太陽能電池的製造成本來說仍然是可以接受的,因為本發明所提出的鎳、錫、鎳合金或錫合金之類的材料比現有技術條件下使用的銀要便宜得多。
將本發明所提出的太陽能電池1、1’和本發明所提出的相應方法用於標準(PERC)太陽能電池之太陽能電池生產工藝,銀糊劑的用量可以節省50至80%。如果使用本發明所述的方法來製造異質結太陽能電池,則節約效果特別明顯,可以將極其昂貴的聚合物銀糊劑節省50%以上。
本發明所述的方法還明顯有利於使用一種高效而且成本低廉的標準電池連接工藝對異質結太陽能電池進行正面焊接,迄今為止在現有技術條件下還不能以這種形式做到這一點。此外本發明所述方法還有與標準模組生產工藝完全相容的特點。例如可以在傳統的串焊機上進行焊接。如果使用本發明所述的方法,就不需要改造模組方面的設
備,可以繼續使用標準設備,不必做任何改動。
儘管使用本發明所述的方法具有上述高度的節約能力,但是電池連接的品質仍然與標準焊接技術相當。可實現>2N的剝離力。此外在本發明所述的太陽能電池1、1’上不會出現背面匯流排引起的背表面場或者鈍化背面的損失,按照本發明所述製造的太陽能電池1、1’與現有技術相比可將效率提高大約0.1至0.2%。
1‧‧‧太陽能電池
1’‧‧‧太陽能電池
2‧‧‧太陽能電池內芯
3‧‧‧發射極
4‧‧‧基極
5‧‧‧發射極接觸結構
6‧‧‧發射極端子結構
7‧‧‧基極接觸結構
8‧‧‧基極端子結構
9‧‧‧正面
10‧‧‧背面
11‧‧‧導電帶安排
12‧‧‧導電帶安排
以下將根據附圖詳細解釋本發明的首選實施方式及其構造、功能和優點,其中:圖1示出本發明所述太陽能電池的實施方式之橫截面示意圖;圖2以俯視圖示出本發明所述太陽能電池之正面;圖3以俯視圖示出本發明所述太陽能電池之背面;圖4示出本發明所述太陽能電池的替代實施方式之橫截面示意圖;圖5以正面的俯視圖示出本發明所述太陽能電池之替代實施方式;以及圖6以背面的俯視圖示出本發明所述太陽能電池之可選實施方式。
1‧‧‧太陽能電池
2‧‧‧太陽能電池內芯
3‧‧‧發射極
4‧‧‧基極
5‧‧‧發射極接觸結構
6‧‧‧發射極端子結構
7‧‧‧基極接觸結構
8‧‧‧基極端子結構
9‧‧‧正面
10‧‧‧背面
11‧‧‧導電帶安排
12‧‧‧導電帶安排
Claims (25)
- 一種製造太陽能電池(1,1’)之方法,包括以下方法步驟:製造一太陽能電池內芯(2),在該內芯中當光線入射到該太陽能電池(1,1’)的一正面(9)中時就會發生電荷分離,並且朝向一發射極(3)和太陽能電池(1,1’)的一位於該發射極相對側的基極(4)傳輸電荷;製造處於多個接觸指形式的一導電發射極接觸結構(5),該等接觸指與該發射極(3)直接電接觸;並且製造處於多個匯流排形式的一可焊接的金屬發射極端子結構(6),該等匯流排與該發射極接觸結構(5)直接電接觸並且橫向連接發射極接觸結構(5)之接觸指;其中發射極(3)以及基極(4)在該太陽能電池(1,1’)的相對側面上進行接觸,其特徵在於,至少用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金製造該可焊接的金屬發射極端子結構(6),並且將一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排(11)施加到該發射極端子結構(6)上。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,所述方法還包括以下方法步驟:製造一與該基極(4)直接電接觸的基極接觸結構(7);至少用鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金製造一與該 基極接觸結構(7)直接電接觸的可焊接的金屬基極端子結構(8);並且將一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排(12)施加到該基極端子結構(8)上。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之方法,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)被製造為層厚度小於5 μm。
- 如上述申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)被製造為層厚度在50 nm與500 nm之間。
- 如上述申請專利範圍第1至4項中任一項所述之方法,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)被製造為層厚度在100 nm與150 nm之間。
- 如上述申請專利範圍第1至5項中任一項所述之方法,其中,用一金屬糊劑和/或用一電解槽來製造該發射極接觸結構(5)和/或基極接觸結構(7)。
- 如上述申請專利範圍第1至6項中任一項所述之方法,其中,該發射極接觸結構(5)和/或基極接觸結構(7)被形成為層厚度在5 μm與50 μm之間。
- 如上述申請專利範圍第1至7項中任一項所述之方法,其中,用一銀糊劑來製造該發射極接觸結構(5)。
- 如上述申請專利範圍第1至8項中任一項所述之方法,其中,採用局部進行的層沈積來製造該發射極端子 結構(6)和/或基極端子結構(8)。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,利用物理真空沈積法在使用掩膜的情況下沈積該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)。
- 如上述申請專利範圍第1至10項中任一項所述之方法,其中,在一道工藝步驟中同時製造該發射極端子結構(6)和該基極端子結構(8)。
- 如上述申請專利範圍第1至11項中任一項所述之方法,其中,在至少一道工藝步驟中首先藉由絲網印刷金屬糊劑來製造該發射極接觸結構(5)和/或基極接觸結構(7),並且在隨後的一道工藝步驟中製造該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)。
- 如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之方法,其中,在至少一道工藝步驟中首先製造該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8),並且在隨後的一道工藝步驟中製造該發射極接觸結構(5)和/或基極接觸結構(7)。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法,其中,使用金屬聚合物糊劑來絲網印刷該發射極接觸結構(5)和/或基極接觸結構(7),接著在低於300℃的溫度下進行溫度處理,以將金屬聚合糊劑轉變為至少一個金屬層。
- 如上述申請專利範圍第1至14項中任一項項所述之方法,其中,在至少一道工藝步驟中以至少20 μm的層厚度將該焊料施加到該發射極端子結構(6)和/或基 極端子結構(8)上,或者將一銅帶安排焊接到該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)上。
- 一種太陽能電池(1,1’),具有一太陽能電池內芯(2),在該太陽能電池內芯中當光線射入該太陽能電池(1,1’)的正面(9)中時提供了電荷分離以及朝向一發射極(3)和該太陽能電池(1)的一位於該發射極相對側上的基極(4)的電荷傳輸;一處於多個接觸指形式的導電發射極接觸結構(5),該等接觸指與該發射極(3)直接電接觸;並且一處於多個匯流排形式的可焊接的金屬發射極端子結構(6),該等匯流排與發射極接觸結構(5)直接電接觸並且橫向連接該發射極接觸結構(5)之接觸指;其中發射極(3)以及基極(4)在該太陽能電池(1,1’)的相對側面上進行接觸,其特徵在於,該可焊接的金屬發射極端子結構(6)至少由鎳、一鎳合金、錫和/或一錫合金形成,其中在可焊接的金屬發射極端子結構(6)上施加一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排(11)。
- 如申請專利範圍第16項所述之太陽能電池,其中,設置一基極接觸結構(7)與該基極(4)直接電接觸,並且設置一至少由鎳、一鎳合金、錫和/或錫合金形成的可焊接的金屬基極端子結構(8)與該基極接觸結構(7)直接電接觸,其中將一焊料或者一覆蓋有焊料的導電帶安排(12)施加在該可焊接的金屬基極端子結構 (8)上。
- 如申請專利範圍第16或17項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)和/或該基極端子結構(8)具有小於5 μm的層厚度。
- 如申請專利範圍第16至18項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)具有50 nm與500 nm之間的層厚度。
- 如申請專利範圍第16至19項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)具有100 nm與150 nm之間的層厚度。
- 如申請專利範圍第16至20項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)由一金屬糊劑和/或一電解沈積材料形成。
- 如申請專利範圍第16至21項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)具有5 μm與20 μm之間的層厚度。
- 如申請專利範圍第16至22項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)和/或基極端子結構(8)具有由銀糊劑形成的接觸指。
- 如申請專利範圍第16至23項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極接觸結構(5)設置在該太陽能電池內芯(2)與該發射極端子結構(6)之間,和/或該基極接觸結構(7)設置在該太陽能電池內芯(2)與該基極端子結構(7)之間。
- 如申請專利範圍第16至23項中任一項所述之太陽能電池,其中,該發射極端子結構(6)設置在該太陽能電池內芯(2)與該發射極接觸結構(5)之間,和/或該基極端子結構(8)設置在該太陽能電池內芯(2)與該基極接觸結構(7)之間。
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