太陽能電池互連組件及其製造方法
2023-04-24 17:21:36 1
太陽能電池互連組件及其製造方法
【專利摘要】提供了一種太陽能電池互連組件及其製造方法。在一實施例中，所述方法可以包括:提供其上形成有互聯部件的太陽能電池，所述互聯部件包括在所述太陽能電池的表面上形成的金屬部件以及在所述金屬部件上形成的第一前體層；提供互連件，所述互連件包括在其表面處的第二前體層；在等於或超過所述第一和第二前體層的材料的共熔溫度的溫度，加熱所述互連件和所述互聯部件，並將其中的一個壓向另一個，以形成共熔液相；以及使所述共熔液等溫固化以形成共熔合金的接合層。
【專利說明】太陽能電池互連組件及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及利用互連件的太陽能電池組件及其製造方法。
【背景技術】
[0002]將互連件(IC)焊料接合到用於空間(航空航天)應用的太陽能電池(下文中，也稱為空間級太陽能電池)是在歷史上常見且公知的工藝過程。然而，隨著對於航空太空飛行器的壽命期望的要求的增加，已發現將IC連接到太陽能電池的焊料接點在軌道上遇到疲勞和故障的問題。這些最終導致開發出作為現今使用的當前行業標準工藝過程的平行縫隙焊接工藝。
[0003]儘管這樣的平行縫隙焊接工藝過程被涉及太陽能電池集成的空間共同體(spacecommunity)的大多數的成員接受作為「標準工藝(Process of Record, P0R)」,但是也意識到其是具有潛在可靠性風險的邊界不太可靠的工藝過程。
[0004]因此，需要更魯棒的IC連接工藝。
[0005]概要
[0006]根據本公開的一個方面，提供了一種太陽能電池組件，包括:太陽能電池，其上形成有互聯部件；互連件；和共熔合金的接合層，其在所述互連件和所述互聯部件之間，用於接合所述互連件和所述互聯部件。
[0007]在一實施例中，所述互聯部件包括在所述太陽能電池上的金屬部件和在所述金屬部件的鍺(Ge)層，所述互連件包括在其表面處的第一金(Au)層，並且所述接合層是由至少一部分所述第一金層和至少一部分所述鍺層形成的共熔的Au-Ge合金層。
[0008]在另一實施例中，所述互聯部件還包括在所述鍺層之上的第二金層，並且其中，所述接合層是由至少一部分所述第一金層、至少一部分所述第二金層、和至少一部分所述鍺層形成的共熔的Au-Ge合金層。
[0009]根據本公開的另一方面，提供了一種製造太陽能電池組件的方法，包括:提供太陽能電池，其上形成有互聯部件，所述互聯部件包括在所述太陽能電池的表面上形成的金屬部件以及在所述金屬部件之上形成的第一前體層；提供互連件，所述互連件包括在其表面處的第二前體層；在等於或超過所述第一和第二前體層的材料的共熔溫度的溫度，加熱所述互連件和所述互聯部件，並將其中的一個壓向另一個，以使得至少一部分所述第一前體層和至少一部分所述第二前體層形成共熔液相；以及使所述共熔液等溫固化以形成共熔合金的接合層。
[0010]在一實施例中，所述第一前體層是鍺層；所述第二前體層是第一金層；所述共融液相是Au-Ge液相；並且所述接合層是共融的Au-Ge合金的接合層。
[0011 ] 在另一實施例中，所述提供所述太陽能電池還包括在所述第一前體層之上形成第三前體層，其包括與所述第二前體層相同的材料，並且所述加熱和壓使至少一部分所述第二前體層、至少一部分所述第三前體層、和至少一部分所述第一前體層形成共融的液相。
[0012]從下面的參考附圖的說明將理解本發明的另外方面、特徵和優點。【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]本申請包括附圖，其構成本說明書的一部分，示出了本發明的實施例，並與說明書一起來解釋本發明的原理。
[0014]圖1是示出了根據本公開一個實施例的用於製造太陽能電池組件的方法的示例的示意性的截面圖。
[0015]圖2是示出了根據本公開一個實施例的太陽能電池組件的示例的示意性截面圖。【具體實施方式】
[0016]下面將參考附圖詳細說明本公開的實施例。注意，在附圖中，使用類似的附圖標記來表示類似的要素，並因此省略其重複說明。
[0017]圖1是示出了根據本公開一個實施例的用於製造太陽能電池組件的方法的示例的示意性截面圖。
[0018]如所示的，提供了太陽能電池101，並且該太陽能電池具有在其表面上形成的互聯部件。如上所述，太陽能電池101優選是空間級太陽能電池。
[0019]在一實施例中，該互聯部件可以包括在太陽能電池之上形成的金屬部件103以及在互聯部件103之上形成的第一前體層107。互聯部件103可以是接合墊盤或電極，並且可以包括銀(Ag)作為其主要成分。第一前體層107可以包括鍺(Ge);然而本發明不限於此。
[0020]在某些實施例中優選在第一前體層107 (例如，Ge層)和互聯部件103之間提供阻擋層105，以用於抑制或避免來自互連墊盤103的元素(例如，Ag)擴散到第一前體層和由該前體層形成的所得到的接合層中。通常，阻擋層105可以由鈦(Ti)或鈀(Pd)等形成。作為示例，鍺層可以通過如下來形成:將鍺材料沉積到其上形成有金屬部件(例如，墊盤或電極)的太陽能電池上，以及對所沉積的鍺材料進行圖案化以使在互聯部件之上的鍺層保留。至於用於第一前體層的其它合適的材料，本領域技術人員將容易理解本領域中已知的合適的形成其的方法。
[0021]提供互連件，該互連件上形成了第二前體層109。在一實施例中，該互連件可以包括主體部分和在該主體部分上的第二前體層109。換而言之，互連件可以包括在其表面處的第二前體層109。該主體部分可以由Kovar?材料形成，或更通常地，由鑰、鎳鈷鐵基合金材料、或鎳鐵合金材料形成。
[0022]第二前體層109可以包括金(Au)。作為在互連件的主體部分上形成第二前體層109的方法，可以採用多種方法，包括但不是限於，鍍、無電鍍、或沉積(例如，CVD、PVD)等。
[0023]在另一優選實施例中，互聯部件可以還包括在第一前體層107上形成的第三前體層(未示出)，用於防止第一前體層受周圍環境的不利影響(例如，被氧化)。在這樣的情況下，該第三前體層可以由與第二前體層相同的材料(例如，Au)形成。因此，可以通過圖1中的附圖標記109共同地表示第二和第三前體層。
[0024]互連件和互聯部件可以被加熱到等於或超過前體的共融溫度的溫度，同時它們中的一個被在一定壓力下壓向另一個，從而使得至少一部分第一前體層和至少一部分第二前體層可以形成共融的液相。在還提供了第三前體層的情況下，所述加熱和壓的步驟使至少一部分第二前體層、至少一部分第三前體層、和至少一部分第一前體層形成共融液相。[0025]將以上述的金-鍺(Au-Ge)二元系統作為示例給出原理上的詳細說明。互連件被鍍有Au層109，並且互聯部件包括Ge層107和另外的Au層(如果有的話)。在該示例中，互連件和互聯部件可以被加熱到稍微超過Au和Ge的共融溫度(約361° C)的溫度，並且可以將壓力設置為中等壓力，例如，大約1，760，000帕斯卡(Pa)。一帕斯卡等於一牛頓每平方米,或,0.102千克力每平方米(Kgf/m2),或0.000145磅每平方英寸(psi)。以psi表示的話，該壓力可以設置為大約254psi。在這種情況下，Au(其可以來自互連件的鍍層(B卩，第二前體層)，或者來自互連件的鍍的Au層和互連部件的另外的Au層兩者(即，第二和第三前體兩者))，可以被擴散到Ge層(第一前體層)中，以便形成Au-Ge液相。也就是說，至少一部分Ge層和至少一部分Au層(第二前體層或者第二和第三前體層兩者)形成共融液相。此時，該Au-Ge液相可以溶解殘餘的表面汙染物，諸如氧化鍺。優選的，互連件和互聯部件的相應配合表面是不平坦的，從而其促進Au-Ge液體填充由於配合表面的不平而形成的空洞。隨著時間Au的擴散繼續，導致該液的等溫固化。在某些實施例中，在固化期間熱和壓力可以繼續施加。因此，形成共融合金，在該示例中，形成Au和Ge的共融合金。在冷卻後，沒有液相。理想地，在所得到的共融合金層和父層(如果剩餘的話)(Au和/或Ge層之間的界面處可以存在連續的元素分布廓圖。
[0026]在另一實施例中，可以在形成阻擋層(例如，Pd和/或Ti)和/或第一前體層(例如，Ge層)之前將所述金屬部件退火，例如在205° C退火60分鐘，以使得在電極表面處或接近電極表面處發生較少的墊盤(或，電極)的主要成分(例如，Ag)的金屬擴散。該退火在電極和互連件接合之前完成，以避免這樣的擴散，從而允許形成良好的歐姆接觸。
[0027]儘管上述的說明以Au-Ge 二元系統作為示例，然而本領域技術人員明白，上述的原理可以容易地適當應用到其它前體材料。
[0028]圖2是示出了根據本公開一個實施例的太陽能電池組件的示意性截面圖。
[0029]形成在互連件和互聯部件之間的共熔合金層201作為接合層以將互連件和太陽能電池上形成的所述互聯部件接合。如圖2中所示，全部Au層109和Ge層107被轉換到成共熔Au-Ge合金層，然而，並不總是如此，並且本發明也不限於此。如上面討論的，在需要時，可以有部分的Au層109和/或Ge層107保留。
[0030]根據本公開的上述實施例，可以成功將互連件接合到太陽能電池，也即，接合到太陽能電池上形成的互連部件。對根據本公開的的一個示例製備的太陽能電池組件進行拉拔測試(pull test)，發現由共熔合金層形成的接點(或者說，互連件和互連部件的接合)可以耐受約14.7N (其表示約1.5kgf的「拉拔強度(pull strength)」或更大的張應力。
[0031]根據本發明的實施例，可以極大增強太陽能電池組件的可靠性。不同於在多個熱循環下由於多個相的摩蝕而疲勞的焊接接合，根據本公開實施例的接合併不呈現出多個相，並因此可以大大改善耐疲勞性。另外，可以在相對低的溫度，例如，在稍高於前體材料的共熔點的溫度，形成共熔合金接合層(或，接點)。這在解放熱預算和簡化工藝方面將是有用的。另外，根據本公開的某些實施例，僅需要中等壓力，這使得工藝簡單並降低了製造成本。此外，可以增加互連件和互聯部件的接合的抗張強度。
[0032]此外，說明書和權利要求中的術語「前」、「後」、「頂」、「底」、「在...之上」、「在...之
下」等(如果有的話)用於描述性目的而並不必然用於描述永久性的相對位置。應理解，如此使用的這些術語在適當的環境下是可互換的，從而在此描述的本發明的實施例例如能夠在與在此示出的或者以另外的方式描述的取向不同的其它取向中操作。
[0033]此外，本領域技術人員將認識到，上述的操作的功能性之間的分界僅僅是說明性的。多個操作可以被組合到單個操作中，單個操作可以分布在另外的多個操作中，並且操作可以至少部分時間交迭地執行。此外，替代實施例可以包含特定操作的多個實例，並且在多種其它實施例中操作的順序可以被改變。
[0034]在權利要求中，詞『包括』或『具有』並不排除權利要求中列出的之外的其它元件或步驟的存在。如在此所使用的，術語「一」(「a」或「an」)被定義為一個或更多個。此外，權利要求中的引入性的短語(諸如，「至少一個」和「一個或更多個」)的使用不應被認為是暗示了通過「一」(不定冠詞「a」或「an」)的另一權利要求要素的引入將含有這樣引入的權利要求要素的任何特定權利要求限制到僅含有一個這樣的要素的發明，即使在同一權利要求包含引入性的短語「一個或更多個」或「至少一個」以及「一」(不定冠詞「a」或「an」)時也是如此。對於定冠詞的使用也是如此。除非以另外的方式說明，否則，諸如「第一」和「第二」的術語被用於在這樣的術語所描述的要素之間任意地進行區分。因此這些術語並不必然表示這些要素的時間上的或其它的優先次序。在彼此不同的權利要求中引述了特定特徵的事實並不表示不可以使用這些特徵的組合來得到優點。
[0035]可以以多種方式實施本公開的太陽能電池組件及其製造方法。上述說明的方法的步驟的順序僅僅是說明性的，並且除非另有具體說明，否則本公開的方法的步驟並不限於上面具體說明的順序。注意，本公開的實施例可以彼此自由組合而不偏離本發明的精神和範圍。
[0036]儘管已經利用示例詳細說明了本發明的某些具體實施例，然而本領域技術人員應當理解上面的示例意圖僅僅是說明性的而不是限制本發明的範圍。應當理解，可以修改上面的實施例而不偏離應由所附權利要求限定的本發明的範圍和精神。
【權利要求】
1.一種太陽能電池組件，包括: 太陽能電池，其上形成有互聯部件； 互連件；和 共熔合金的接合層，在所述互連件和所述互聯部件之間，用於接合所述互連件和所述互聯部件。
2.根據權利要求1的太陽能電池組件，其中所述互聯部件包括在所述太陽能電池上的金屬部件以及在所述金屬部件之上的鍺(Ge)層，並且所述互連件包括在其表面處的第一金(Au)層，並且 其中所述接合層是由至少一部分所述第一金層和至少一部分所述鍺層形成的共熔Au-Ge合金層。
3.根據權利要求2的太陽能電池組件，其中所述互聯部件還包括在所述鍺層之上的第二金層，並且 其中所述接合層是由至少一部分所述第一金層、至少一部分所述第二金層、以及至少一部分所述鍺層形成的共熔Au-Ge合金層。
4.根據權利要求2的太陽能電池組件，其中所述共熔Au-Ge合金的接合層是通過如下形成的: 加熱所述互連件和所述互聯部件到等於或在Au-Ge共熔溫度之上的溫度並將它們中的一個壓向另一個，以使得至少一部分所述第一金層和至少一部分所述鍺層形成Au-Ge液相，以及 使所述Au-Ge液等溫固化以形成共熔Au-Ge合金的所述接合層。
5.根據權利要求3的太陽能電池組件，其中共熔Au-Ge合金的所述接合層是通過如下形成的: 加熱所述互連件和所述互聯部件到等於Au-Ge共熔溫度或在Au-Ge共熔溫度之上的溫度並將它們中的一個壓向另一個，以使得至少一部分所述第一金層、至少一部分所述第二金層、以及至少一部分所述鍺層形成Au-Ge液相，以及 將所述Au-Ge液等溫固化以形成共熔Au-Ge合金的所述接合層。
6.根據權利要求4的太陽能電池組件，其中所述壓的步驟在中等壓力下執行。
7.根據權利要求1的太陽能電池組件，其中所述互聯部件還包括直接形成在所述金屬部件之上並且在所述共熔合金的接合層和所述金屬部件之間的阻擋層。
8.根據權利要求1的太陽能電池組件，其中所述互聯部件和所述互連件通過所述接合層的接合能夠耐受14N或更大的張應力。
9.根據權利要求1的太陽能電池組件，其中所述太陽能電池組件適於用在航空航天應用中。
10.一種製造太陽能電池組件的方法，包括: 提供太陽能電池，太陽能電池上形成有互聯部件，所述互聯部件包括形成在所述太陽能電池的表面上的金屬部件以及形成在所述金屬部件之上的第一前體層； 提供互連件，所述互連件包括在其表面處的第二前體層； 加熱所述互連件和所述互聯部件到等於所述第一和第二前體層的材料的共熔溫度或在該共熔溫度之上的溫度並將它們中的一個壓向另一個，以使得至少一部分所述第一前體層和至少一部分所述第二前體層形成共熔液相，以及將所述共熔液等溫固化以形成共熔合金的接合層。
11.根據權利要求10的方法，其中: 所述第一前體層是鍺層； 所述第二前體層是第一金層； 所述共熔液相是Au-Ge液相；並且 所述接合層是共熔Au-Ge合金的接合層。
12.根據權利要求10的方法，其中所述提供太陽能電池還包括:提供其上形成有所述金屬部件的太陽能電池；並且 在所述金屬部件上形成所述第一前體層。
13.根據權 利要求10的方法，其中所述提供太陽能電池還包括: 提供其上形成有所述金屬部件的太陽能電池； 在所述金屬部件上形成阻擋層；以及 在所述阻擋層上形成所述第一前體層。
14.根據權利要求10的方法，其中所述提供太陽能電池還包括在所述第一前體層之上形成第三前體層，所述第三前體層包括與所述第二前體層相同的材料，並且 其中所述加熱和壓的步驟使得至少一部分所述第二前體層、至少一部分所述第三前體層、以及至少一部分所述第一前體層形成共熔液相。
15.根據權利要求10的方法，其中所述壓的步驟在中等壓力下執行。
16.根據權利要求12的方法，其中所述提供太陽能電池還包括:在形成所述第一前體層之前將所述金屬部件退火。
17.根據權利要求13的方法，其中所述提供太陽能電池還包括: 在形成所述阻擋層之前將所述金屬部件退火。
18.根據權利要求10的方法，其中所述互聯部件和所述互連件通過所述接合層的接合能夠耐受14N或更大的張力。
19.根據權利要求10的方法，其中所述太陽能電池組件適於用在空間應用中。
【文檔編號】H01L31/18GK104037255SQ201310068633
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月5日 優先權日:2013年3月5日
【發明者】C·圖裡諾, A·科恩菲爾德, P·帕泰爾, A·博卡 申請人:安科太陽能股份有限公司