太陽能模塊及其製造方法
2023-10-08 07:35:54 4
專利名稱：太陽能模塊及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能模塊以及一種用於製造這種太陽能模塊的方法。本發明特別是涉及一種太陽能模塊，所述太陽能模塊具有正面和背面，所述背面具有多個半導體晶片太陽能電池。所述多個半導體晶片太陽能電池電連接成太陽能電池串並分別具有帶有背面表面的背面。背面表面通過介電的鈍化層被表面鈍化。在鈍化層上設置包含燒結的金屬顆粒的背面電極結構。所述金屬的背面電極結構通過多個局部的接觸區域與半導體晶片的半導體材料電觸點接通，所述接觸區域構造成鈍化層的開口並且總體上電接觸區域小於背面表面的5%，優選小於2%。此外，所述太陽能模塊具有構成太陽能模塊正面的正面封裝元件和構成太陽能模塊的背面的聚合物的背面封裝結構，所述背面封裝結構帶有埋入聚合物，所述埋入聚合物與半導體晶片太陽能電池的金屬的背面電極結構相接觸。通常對正面封裝元件、背面封裝結構和太陽能電池串進行層壓，以確保形成穩定的複合體。
背景技術：
對於具有包括由燒結的金屬顆粒、即開孔材料構成的背面電極結構的表面鈍化的背面的太陽能電池，存在這樣的問題:即在製造太陽能模塊時，在層壓之後，背面的層壓複合體的附著力，即背面封裝結構和半導體晶片太陽能電池之間的附著力是不夠的。用於製造背面電極結構的燒結的金屬膏狀物的機械穩定性不足以確保實現半導體晶片太陽能電池與背面的埋入聚合物和背面封裝元件的長時間穩定的複合體。
發明內容
本發明的目的由此在於提供一種太陽能模塊，所述太陽能模塊具有多個半導體晶片太陽能電池，所述半導體晶片太陽能電池具有表面鈍化的背面和背面封裝結構，所述背面和背面封裝結構適於形成充分長時間穩定的複合體。所述目的通過按權利要求1所述的太陽能模塊和按權利要求10所述的用於製造太陽能模塊的方法來實現。在從屬權利要求中列出有利的實施方式。根據本發明，埋入聚合物以這樣的方式潤溼鈍化層，使得構成潤溼區域，在這些潤溼區域中埋入聚合物潤溼鈍化層，並且潤溼區域相對於由潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例為大於20%，優選大於35%，並且特別優選大於50%，在覆蓋區域中，鈍化層由背面電極結構覆蓋。在本發明的範圍內，潤溼區域是這樣的區域，在這些區域中埋入聚合物在微觀上觀察潤溼鈍化層。在本申請中，覆蓋區域是指這樣的區域，在這些區域中鈍化層由背面電極結構覆蓋，但微觀上在金屬顆粒和鈍化層之間不存在接觸。就是說，表述方式「覆蓋」是指，背面電極結構沒有遮蓋、即沒有潤溼或接觸鈍化層，而是在背面電極結構和鈍化層之間存在至少一個空腔。所述空腔通過背面電極結構開孔式的結構構成，並且所述空腔沒有被埋入聚合物浸透，以至於埋入聚合物潤溼鈍化層。就是說，在覆蓋區域中，在微觀上觀察，背面電極結構和埋入材料都沒有貼靠在鈍化層上，但鈍化層也沒有露出，因為開孔式的背面電極結構設置成覆蓋在其上。所述潤溼可以這樣來實現，即埋入聚合物浸透泡沫式的開孔的背面電極結構，和/或這樣來實現，即在背面電極結構沒有覆蓋鈍化層並且由此埋入聚合物由於不存在背面電極結構而不必浸透背面電極結構的自由區域內，埋入聚合物潤溼鈍化層，以便與鈍化層發生接觸並由此潤溼鈍化層。因此潤溼區域在本發明的意義上可以在背面電極結構之外構造成常見的宏觀的自由區域，或在背面電極結構之內也可以構造成微觀的潤溼區域。通過在其表面部分上充分的潤溼，可以確保在背面封裝結構和半導體晶片太陽能電池之間實現抗斷裂的模塊複合體。即使背面電極結構的燒結的金屬顆粒固有的穩定性是不充分的，但通過埋入材料與鈍化層之間的接觸，特別是藉助於對背面電極結構的浸透，也能按前面所述的程度確保太陽能模塊背面的附著力。在一個優選的實施方式中，金屬的背面電極結構與背面表面的百分比為大於80%。就是說，背面表面的沒有金屬顆粒的宏觀區域小於20%。優選金屬的背面電極結構與背面表面的百分比為大於90%。更為優選地，金屬的背面電極結構與背面表面的百分比為大於95%。就是說，背面電極結構幾乎完全或完全覆蓋背面表面。用埋入聚合物對鈍化層的潤溼因此優選通過埋入聚合物對背面電極結構的穿透來實現。為此要求背面電極結構在對通常通過絲網印刷或注射法施加的膏狀物進行燒結之後是開孔的。埋入材料在層壓過程中滲透背面電極結構的敞開的孔隙並在背面電極結構的敞開的孔隙中形成網絡。優選埋入聚合物不僅滲透背面電極材料，而且還覆蓋背面電極材料，使得埋入聚合物也設置在背面電極結構上，並且埋入聚合物能構成與背面封裝元件的均勻的附著。背面電極結構在前面所述的實施方式中在與埋入聚合物接觸之前具有敞開的孔隙。在層壓具有埋入聚合物和背面封裝元件的半導體晶片太陽能電池時，埋入聚合物滲入敞開的孔隙中並將其填充，從而在層壓時由敞開的孔隙的網絡形成埋入聚合物網絡。敞開的孔隙以多種方式相互連接，使得背面電極結構具有多孔的金屬網或金屬架構，所述金屬網或金屬架構被埋入聚合 物滲透並在適當的條件下完全填充。就是說，半導體晶片太陽能電池作為一個層具有金屬網絡和埋入聚合物網絡，其中在該層中還可以有敞開的孔隙。優選敞開的孔隙在該層中的比例較低。以這種方式得到一個層，該層具有兩個本身聚聯的網絡，這兩個網絡相結合實現了半導體晶片太陽能電池/埋入聚合物/背面封裝元件的良好附著以及實現了良好的導電性，其中根據面積比例用埋入聚合物充分地潤溼鈍化層確保了優化的長時間穩定的附著。在一個優選的實施方式中，以這樣的方式進行層壓，在具有兩個前面所述的網絡的層上設有埋入聚合物層，從而在埋入聚合物和背面封裝元件之間實現了整面的附著。所述太陽能模塊因此除了可能的其他層以外還在背面具有這樣的層序列，背面封裝元件/可選的埋入聚合物/由埋入聚合物構成的網絡和由金屬構成的網絡/鈍化層。背面電極結構的電阻率優選為< 10.KT7Ohm.ηι,優選< 7.KT7Ohm.ηι、更為優選^ 5.IO-7Ohm.m。由此對於所述電池希望的效率確保了足夠好的導電性。在一個優選的實施方式中，背面電極結構具有層厚變化的附著區域，所述附著區域與其餘區域相比具有較小的層厚，該層厚小於30 μ m、優選小於25 μ m,優選小於20 μ m,更為優選小於15 μ m。這種附著區域的這種較小的層厚使得在所述附著區域中在層壓過程之後，與具有較大層厚的背面電極結構的其餘區域相比，埋入聚合物滲透多孔的金屬結構和微觀潤溼位於金屬結構下面的鈍化層的可能性較高。最後前面所述附著區域提供了這樣的可能性，即在本發明的範圍內將背面電極結構和鈍化層之間的錨固區域稱為潤溼區域。同樣自由區域也構成潤溼區域，因為在自由區域內埋入聚合物可以直接潤溼鈍化層，而不必為此滲透開孔的金屬基體。與埋入聚合物沒有潤溼鈍化層的區域的面積比例相比，埋入聚合物潤溼鈍化層的潤溼區域的面積比例隨著背面電極結構的層厚增加而下降。如果背面電極結構具有較小的層厚，則它可以較為容易地被埋入材料滲透。如果背面電極結構的層厚為零，則存在自由區域。在一個優選實施方式中，埋入聚合物是交聯的。通過交聯，埋入聚合物連接成三維的網絡。橫向交聯的埋入聚合物有利地具有防止從鈍化層和背面電極結構上脫落的特性。橫向交聯的聚合物例如與未交聯的聚合物相比具有較高的粘性，較小的可溶性和較高的熔點。鈍化層優選構造成薄層疊。所述薄層疊具有至少一個直接施加在半導體材料上的鈍化層。可選地，在第一層上設置一個或多個另外的層。作為優選的方案，構造成薄層疊的鈍化層具有增附層作為薄層疊的最上層。所述最上層上設置背面金屬電極結構或者在層壓時設置埋入材料。當增附層用埋入材料潤溼並由此與其接觸時，能形成特別好的附著。通過埋入材料與鈍化層疊的最上層的接觸，確保了待製造的由太陽能電池/埋入材料/背面封裝元件組成的整個複合體具有足夠的附著性。可選地，薄層疊作為最上層具有導電層。進一步可選地，薄層疊作為最上層具有介電層，例如氮化矽或氮氧化矽層。例如乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、聚烯烴、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、熱塑性聚氨酯(TPU)、有機矽適於作為埋入聚合物。優選採用EVA。乙烯乙酸乙烯酯具有與鈍化層，如氮化矽或氮氧化矽的良好附著性並且還具有與背面封裝元件(如玻璃或塑料膜)的良好附著性。在一個優選的實施方式中，半導體晶片太陽能電池的背面表面具有面積比例小於20%，優選小於10%，優選小於5%的自由區域，在所述自由區域中，鈍化層沒有被背面電極結構覆蓋。就是說埋入聚合物對鈍化層的潤溼主要通過用埋入聚合物滲透背面電極結構來實現。這是有利的，因為這裡幾乎可以在鈍化層的整個表面區域實現良好的導電特性。本發明的主題還涉及用於製造太陽能模塊的方法，所述太陽能模塊具有正面和背面，所述方法具有以下步驟:提供多個半導體晶片太陽能電池，所述多個半導體晶片太陽能電池電連接成太陽能電池串並分別具有背面，所述背面具有背面表面，所述背面表面通過介電的鈍化層表面鈍化；在所述鈍化層上設置包括燒結的金屬顆粒的背面電極結構；所述金屬的背面電極結構通過多個局部的接觸區與半導體晶片的半導體材料觸點接通，所述接觸區域構造成鈍化層的開口並且總體上電接觸面積佔背面表面的比例小於5%，優選小於2%，並且將構成太陽能模塊的背面的帶有埋入聚合物的聚合物的背面封裝結構層壓到太陽能電池的背面上，從而埋入聚合物與半導體晶片太陽能電池的金屬的背面電極結構相接觸。所述方法的特徵在於，層壓參數，如壓力和時間曲線以這樣的方式來設置，使得埋入聚合物這樣潤溼鈍化層，使得構成潤溼區域，在這些潤溼區域中，埋入聚合物潤溼鈍化層，潤溼區域相對於由潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例為大於20%，優選大於35%，特別優選大於50%，在所述覆蓋區域中，鈍化層由背面電極結構覆蓋。半導體晶片太陽能電池在一個優選實施方式中這樣提供，使得背面電極結構具有變化的層厚。這可以這樣來實現，通過絲網印刷將背面電極結構以具有較小間距的多個指狀部的形式施加到鈍化層上。在接下來的灼燒之後，所述指狀部不再間隔開，而是在指狀部之間構成具有比背面電極指狀部結構區域中小的層厚的背面電極結構區域。使用金屬膏狀物作為背面電極結構，優選是鋁膏狀物，例如Ferro CN53-200，其可由製造商Ferro (美國克力夫蘭市)處購得。所有在灼燒後形成開放式多孔性的金屬膏狀物都適於用作背面電極結構。可選地,變化的層厚也可以例如通過多次印刷形成。埋入聚合物至少局部地滲透背面電極結構，一直到鈍化層，並潤溼鈍化層。這可以這樣的方式來實現，即埋入聚合物造為固體例如以薄膜的形式施加到背面電極結構上，並受到隨時間的溫度變化。埋入聚合物例如被加熱到第一溫度，在該第一溫度下埋入聚合物具有比室溫下的粘度低的粘度。由於在第一溫度下較低的粘度，埋入聚合物至少局部地滲透背面電極結構，使得埋入聚合物潤溼鈍化層。接著，當埋入聚合物以熱塑性體的形式存在時，埋入聚合物被加熱到第二溫度，此時粘度提高，使得熱塑性體失去其用於滲透背面電極結構的可流動性。當埋入聚合物例如作為乙烯乙酸乙烯酯存在時，埋入聚合物在加熱到具有較低的粘度的第一溫度之後加熱到較高的第二溫度，在第二溫度下埋入聚合物由於所發生的交聯形成比第一溫度下高的粘度。在一個優選的實施方式中，隨時間的溫度變化包括加熱到第一溫度和加熱到第二溫度，在第一溫度下埋入聚合物具有比室溫下的粘度低的粘度，在第二溫度下，埋入聚合物具有比第一溫度下的粘度高的粘度。當埋入聚合物應滲入背面電極結構的開放孔隙中時，加熱到第一溫度優選在降低的壓力下進行，就是採用真空技術或真空壓力技術。通過這種技術可以例如在孔隙頸部狹窄時克服填充阻力。由於埋入聚合物在第一溫度下具有比室溫下的粘度低的粘度，比室溫下的粘度低的粘度在層壓時伸入自由區域和/或背面電極結構的開放孔隙中並潤溼鈍化層。在加熱到第二溫度時，埋入聚合物的粘度升高，從而埋入聚合物不再能由自由區域和/或孔隙中流出。在第二溫度下優選發生埋入聚合物的膠化和/或交聯。膠化或交聯的埋入聚合物具有這樣的粘度，即埋入聚合物不再由自由區域和/或孔隙中流出。通過交聯，埋入聚合物連接成三維的網絡。橫向交聯改變了埋入聚合物的特性。交聯的埋入聚合物與未交聯的埋入聚合物相比具有較高的粘度、較低的可溶性和較高的熔點。埋入聚合物在第一溫度下具有比室溫下的粘度低的粘度，在第二溫度下具有比第一溫度下的粘度高的粘度，這種埋入聚合物的一個例子是乙烯乙酸乙烯酯。乙烯乙酸乙烯酯作為埋入聚合物的例子包括Photocap"產品，例如Photocajyiv FC280P/UF,這種產品可由SXRi0 Specialized Technology Resources, Inc.(美國 Enfield)購得。埋入聚合物可以包含交聯劑，但否則儘可能作為薄膜施加到半導體晶片太陽能電池上，以便避免缺陷部位(例如由於物質蒸發導致的氣泡或裂紋)，並實現對背面電極結構均勻的覆層和滲透。隨時間的溫度變化優選這樣設置，使得埋入聚合物在第一溫度下潤溼鈍化層多於25%，優選多於30%，特別優選多於50%，並且埋入聚合物在第二溫度下交聯。由於埋入聚合物在第一溫度下具有比室溫下的粘度低的粘度，埋入聚合物可以在第一溫度下滲透背面電極結構並潤溼鈍化層。在第二溫度下埋入聚合物的粘度升高，使得埋入聚合物不再能反向滲透背面電極結構，而是對背面電極材料的滲透保持穩定，並在較長時間段內保持這種滲透。在一個優選實施方式中，第一溫度在70至115° C，優選80至100° C，優選90至100° C的範圍內，第二溫度在130至230° C，優選130至200° C，優選140至170° C的範圍內。特別是當埋入聚合物是乙烯乙酸乙烯酯時，埋入聚合物在第一溫度下具有比室溫下的粘度低的粘度，在第二溫度下具有比第一溫度下的粘度高的粘度。可選地，隨時間的溫度變化包括加熱到第一溫度和冷卻到第二溫度，埋入聚合物在第一溫度下具有比室溫下的粘度低的粘度，在第二溫度下具有比第一溫度下的粘度高的粘度。例如當埋入聚合物是熱塑性體時，這種隨時間的溫度變化是合適的。例如聚烯烴、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、熱塑性聚氨酯(TPU)和有機矽是熱塑性的。第一溫度根據所使用的埋入聚合物的材料特性選擇，而第二溫度選擇為室溫。就是說，將埋入聚合物加熱到第一溫度，埋入聚合物在第一溫度下具有比室溫下的粘度低的粘度並是可變形的，從而埋入聚合物可以滲透背面電極結構並潤溼鈍化層，接著將其冷卻或放置冷卻至室溫，從而埋入聚合物不再能夠變形並不再能夠反向滲透背面電極結構。此外，可選地，可以這樣來選擇埋入聚合物，使得埋入聚合物在施加到鈍化層上時具有足夠的粘度以便滲透背面電極結構並潤溼鈍化層，並在空氣作用下或通過添加硬化劑而硬化。這種埋入聚合物的例子包括有機矽，例如作為2K組分。優選在層壓時，壓力設置在50000Pa至IOOOOOPa的範圍內。在這種設置下產生負壓，所述負壓有助於埋入聚合物滲透背面電極結構的開放的孔隙，因為所述負壓有助於克服填充阻力，如狹窄的孔隙頸部。負壓越大，則可以更好地克服填充阻力。另一方面，負壓還可能導致背面電極結構的裂紋和/或缺陷部位。在本發明的範圍內，所述壓力由層壓真空和壓力腔中的壓力的差形成。可選地，在層壓時，壓力設置在IOOOOOPa至300000Pa的範圍內。在這種設置下產生過壓，所述過壓將埋入聚合物壓入背面電極結構的開放的孔隙中。過壓對克服填充阻力起輔助的作用，所述填充阻力通過開孔的結構產生。這裡也適用的是，過壓越高，則可以越好地克服填充阻力。但過壓也可能導致背面電極結構中的裂紋和/或缺陷部位。因此也可能有利的是，在環境壓力或接近環境壓力下進行層壓。所述太陽能模塊的其他優點和特性根據下面說明的優選實施例來說明。
在附圖中:圖1示意性示出背面電極結構在半導體晶片太陽能電池的平面內定向的剖視圖，其中背面電極結構完全由埋入聚合物滲透；圖2示意性示出根據本發明的太陽能模塊的部分橫向剖視圖；圖3示意性示出另一個根據本發明的太陽能模塊的部分橫向剖視圖；圖4示意性示出另一個根據本發明的太陽能模塊的部分橫向剖視圖；圖5示意性示出用於製造根據本發明的太陽能模塊的方法；圖6示意性示出用於製造根據本發明的太陽能模塊的另一個方法；以及
圖7示意性示出用於製造根據本發明的太陽能模塊的另一個方法。
具體實施例方式圖1示意性示出半導體晶片太陽能電池的背面電極結構11在半導體晶片太陽能電池10的平面內定向的剖視圖，其中，背面電極結構11在整個表面上由埋入聚合物12滲透。半導體晶片太陽能電池10是根據本發明的太陽能模塊的一部分。埋入聚合物12確保半導體晶片太陽能電池10與背面封裝元件(在圖1中沒有示出)之間良好的附著，所述埋入聚合物12滲透由開孔的燒結金屬顆粒構成的背面電極結構11。背面電極結構11的燒結的金屬顆粒這裡示意性地以黑色示出。埋入聚合物12嵌入開放的孔隙中，埋入聚合物12這裡用白色示出。要強調的是，這裡模型化並因此純示例性地示出金屬顆粒和開放式孔隙的周期性構成的分布。在微觀的實際情況中，通常不存在這種規則的結構。埋入聚合物12滲透背面電極結構11的開放孔隙，使得構成潤溼區域，在所述潤溼區域中，埋入聚合物12潤溼半導體晶片太陽能電池10的鈍化層(這裡未示出)。潤溼是指，埋入聚合物12滲透背面電極結構11，一直滲透到位於背面電極結構11下面的鈍化層，並通過背面電極結構11的開放孔隙在微觀上觀察與鈍化層發生接觸。潤溼區域相對於潤溼區域和覆蓋區域的比例為大於25%，在所述覆蓋區域中，埋入聚合物12沒有潤溼鈍化層17，並且背面電極結構11不接觸但覆蓋鈍化層17。如圖1所示，在整個背面表面範圍上，既可以通過背面電極結構11實現導電的結構，也可以通過埋入聚合物12實現與所述導電的結構交織的附著性的結構。由於導電的結構和附著性的結構共同沿背面表面延伸，既可以提供半導體晶片太陽能電池10和背面封裝元件(這裡未示出)之間穩定的複合體，也可以提供具有良好電特性的半導體晶片太陽能電池10。圖2示意性示出一個根據本發明的太陽能模塊14的部分橫向剖視圖。太陽能模塊14包括多個半導體晶片太陽能電池10，這裡部分地示出其中一個半導體晶片太陽能電池10。半導體晶片太陽能電池10具有半導體晶片16、設置在半導體晶片16上的鈍化層17和設置在鈍化層17上的背面電極結構11 (這裡以黑色示出)。背面電極結構11通過多個局部的接觸區域與半導體晶片16的半導體材料電接觸，其中接觸區域構造成鈍化層17的開口(這裡未示出)。電接觸面積小於背面表面的5%。背面電極結構11完全由埋入聚合物12 (這裡用白色示出)滲透，從而構成潤溼區域，在所述潤溼區域中，埋入聚合物12潤溼鈍化層。潤溼區域相對於由潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例大於25%，在覆蓋區域中，背面電極結構11覆蓋鈍化層17。在包括背面電極結構11和埋入聚合物12的層上設置背面封裝元件19，在背面電極結構11和背面封裝元件19之間通常形成這樣的區域，在這樣的區域中，埋入聚合物12沒有滲透背面電極結構11。由於埋入聚合物12潤溼鈍化層17並且滲透背面電極結構11並接觸背面封裝元件19，確保在半導體晶片太陽能電池10和背面封裝元件19之間形成穩定的複合體。此外太陽能模塊14具有正面封裝材料15，所述正面封裝材料15設置在半導體晶片16上。正面封裝材料15例如包括一個由乙烯乙酸乙烯酯和玻璃板構成的層。圖3示意性示出另一個根據本發明的太陽能模塊14的部分橫向剖視圖。和圖2中一樣，這裡部分地示出多個半導體晶片太陽能電池10中的一個半導體晶片太陽能電池10，半導體晶片太陽能電池10具有半導體晶片16、設置在半導體晶片16上的鈍化層17和設置在鈍化層17上的背面電極結構11 (這裡以黑色示出)。背面電極結構11通過多個局部的接觸區域與半導體晶片16的半導體材料電接觸，其中接觸區域構造成鈍化層17的開口(這裡未示出)，電接觸面積小於背面表面的5%。此外，太陽能模塊14具有正面封裝元件15，所述正面封裝元件15設置在半導體晶片16上。與圖2中所示的太陽能模塊14不同，在圖3中示出的背面電極結構11沒有在鈍化層17上構成連貫的層，而是具有在下面稱為自由區域的區域20。自由區域20在與半導體晶片太陽能電池10接觸之前構成這樣的區域，在所述區域中，鈍化層17露出並沒有被開孔的背面電極結構11覆蓋的部分。在與半導體晶片太陽能電池10接觸之後，所述鈍化層17—方面在自由區域20中，另一方面通過滲透開孔的背面電極結構11由埋入聚合物12 (這裡用白色示出)潤溼，從而形成潤溼區域。總體上，潤溼區域相對於潤溼區域和覆蓋區域的組合的比例大於25%，在覆蓋區域中，背面電極結構11覆蓋鈍化層17。埋入聚合物12這樣設置在背面電極結構11上或與背面電極結構11 一起設置，使得埋入聚合物12位於背面電極結構11和背面封裝元件19之間。圖4示意性示出另一個根據本發明的太陽能模塊14的部分橫向剖視圖。和前面的圖2和3—樣，太陽能模塊14具有多個半導體晶片太陽能電池10，其中這裡部分地示出其中一個半導體晶片太陽能電池10。半導體晶片太陽能電池10具有半導體晶片16、設置在半導體晶片16上的鈍化層17和設置在鈍化層17上的背面電極結構11 (這裡以黑色示出)。背面電極結構11通過多個局部的接觸區域與半導體晶片16的半導體材料電接觸，其中接觸區域構造成鈍化層17的開口，電接觸面積小於背面表面的5%。此外，太陽能模塊14具有正面封裝元件15，所述正面封裝元件15設置在半導體晶片16上。與圖2和3中所示的太陽能模塊14不同，在圖4中示出的太陽能模塊14具有帶變化的層厚的背面電極結構11，而是具有在下面稱為自由區域的區域20。自由區域20在與半導體晶片太陽能電池10接觸之前構成這樣的區域，在所述區域中，鈍化層17露出並沒有被開孔的背面電極結構11覆蓋的部分。在與半導體晶片太陽能電池10接觸之後，所述鈍化層17 —方面在自由區域20中，另一方面通過滲透開孔的背面電極結構11由埋入聚合物12(這裡用白色示出)潤溼，從而形成潤溼區域。總體上，潤溼區域相對於潤溼區域和覆蓋區域的組合的比例大於25%，在覆蓋區域中，背面電極結構11覆蓋鈍化層17。埋入聚合物12這樣設置在背面電極結構11上或與背面電極結構一起設置，使得埋入聚合物12位於背面電極結構11和背面封裝元件19之間。通過變化的層厚可以實現以埋入聚合物12對背面電極結構11不同的滲透率。在非附著區域21中，埋入聚合物12沒有滲透或至少很少地滲透背面電極結構11，從而背面電極結構11覆蓋或接觸鈍化層，但在所述非附著區域21中，鈍化層17沒有由埋入聚合物12潤溼。在所述非附著區域21，背面電極結構11的孔隙在與鈍化層17的邊界層中多數沒有被埋入聚合物12填充，並於此形成在微觀上觀察的所謂的覆蓋區域。這在圖4中這樣示出，即，金屬顆粒在非附著區域21中以灰色示出，而不是以黑色的點示出。在附著區域22中，埋入聚合物12滲透背面電極結構11，並一直滲透到鈍化層17，並且因此在微觀上觀察到能夠在潤溼區域內潤溼鈍化層17。埋入聚合物12潤溼鈍化層17的潤溼區域與潤溼區域和覆蓋區域相比的面積比例隨著層厚的升高而降低，在所述覆蓋區域中，背面電極結構11覆蓋鈍化層17。埋入聚合物12可以更為快速和更好地滲透背面電極結構11的與背面電極結構11的其他區域相比具有較小層厚的區域。此外，埋入聚合物12還這樣設置在背面電極結構11上，使得埋入聚合物12位於背面電極結構11和背面封裝元件19之間，從而實現了在背面封裝元件19上整面的附著。圖5示意性示出用於製造根據本發明的太陽能模塊的方法。所述方法包括以下步驟:提供多個半導體晶片太陽能電池51和層壓52。步驟51包括提供多個半導體晶片太陽能電池，這些半導體晶片太陽能電池電連接成太陽能電池串，並分別具有帶背面表面的背面，其中背面表面通過介電的鈍化層表面鈍化，在鈍化層上設置包括燒結的金屬顆粒的背面電極結構，所述金屬的背面電極結構通過多個局部的接觸區域與半導體晶片的半導體材料電觸點接通，所述接觸區域構造成鈍化層的開口並且總體上電接觸面積佔背面表面的比例小於5%，優選小於％ 2。半導體晶片太陽能電池還具有正面封裝元件，所述正面封裝元件設置在半導體晶片上。所述正面封裝元件可以包括埋入聚合物和玻璃板、玻璃或塑料膜，在下面說明的步驟52中同樣對它們執行層壓過程。步驟52包括將構成太陽能模塊的背面的帶有埋入聚合物的聚合物的背面封裝結構層壓到太陽能電池的背面上，從而埋入聚合物與半導體晶片太陽能電池的金屬的背面電極結構相接觸，使得埋入聚合物在層壓52之後具有潤溼區域，在這些潤溼區域中，埋入聚合物潤溼鈍化層，使得潤溼區域相對於潤溼區域和覆蓋區域的比例為大於25%，優選大於30%，特別優選大於50%，在所述覆蓋區域中，背面電極結構覆蓋鈍化層。必要時設置層壓參數，如壓力和隨時間的溫度變化，以便達到前面所述潤溼程度。層壓參數取決於背面封裝結構所使用的埋入聚合物。如果埋入聚合物例如是有機矽，則層壓52可以在室溫和正常壓力下進行。必要時使用添加有硬化劑的有機矽。背面封裝結構的埋入聚合物可以與正面封裝結構的埋入聚合物相同或不同。這些埋入聚合物優選是相同的。圖6示意性示出用於製造根據本發明的太陽能模塊的另一個方法。在實施例的情況下，採用EVA作為埋入聚合物。所述方法包括以下步驟:提供多個半導體晶片太陽能電池51，設置背面封裝結構52a，加熱到第一溫度52b和加熱到第二溫度52c。步驟51和圖5中的方法的所述步驟相同。對於該步驟的說明因此參見對圖5的說明。在步驟52a中，背面封裝結構設置在多個半導體晶片太陽能電池的背面表面上，從而所述背面封裝結構整面地覆蓋這些半導體晶片太陽能電池。在步驟52a (52b)中，多個半導體晶片太陽能電池和背面封裝結構被加熱到第一溫度。特別是當埋入聚合物是乙烯乙酸乙烯酯時，第一溫度在70至115° C的範圍內。在該範圍內，埋入聚合物具有比在室溫下低的粘度，並可以容易地滲透背面電極結構，並以希望的程度構成潤溼區域。接著執行步驟52c，在該步驟中，將多個半導體晶片太陽能電池和背面封裝結構加熱到第二溫度。特別是當聚合物是乙烯乙酸乙烯酯時，第二溫度在130至230° C的範圍內。在該溫度範圍內，埋入聚合物具有比在第一溫度下高的粘度，並且由此硬化，使得可以防止從背面電極結構中流出。總體上在太陽能電池、埋入聚合物和背面封裝結構之間實現了一種穩定的複合體。步驟52b和 52c 在層壓機(Iaminator)中，例如 Caerus Systems, LLC 公司(美國 Milford)的 MeierIC0-Laminator-28-18中執行，其中，除了溫度變化以外還設置壓力。層壓機的壓力腔中的壓力例如為IOOOOOPa至300000Pa (過壓)。但層壓機的壓力腔中的壓力也可以為例如50000Pa (相對於環境的負壓)至IOOOOOPa (環境壓力)。圖7示意性示出用於製造根據本發明的太陽能模塊的另一個方法。在該實施例的情況下，採用熱塑性體作為埋入聚合物。所述方法包括以下步驟:提供多個半導體晶片太陽能電池51，設置背面封裝結構52a，加熱到第一溫度52b和冷卻到第二溫度52d。步驟51和圖5中的方法的所述步驟相同。對於該步驟的說明因此參見對圖5的說明。在步驟52a中，將背面封裝結構設置在多個半導體晶片太陽能電池的背面表面上，從而所述背面封裝結構整面地覆蓋這些半導體晶片太陽能電池。在步驟52a (52b)中，所述多個半導體晶片太陽能電池和背面封裝結構被加熱到第一溫度。這樣來選擇所述第一溫度，使得埋入聚合物具有比室溫下低的粘度並且可變形，從而埋入聚合物可以容易地滲透背面電極結構並以希望的程度構成潤溼區域。接著執行步驟52d，其中將所述多個半導體晶片太陽能電池和背面封裝結構主動或被動地冷卻到第二溫度。這樣來選擇第二溫度，使得埋入聚合物具有比第一溫度下高的粘度並且不再能變形。理想情況是，第二溫度是室溫。通過所述溫度變化，埋入聚合物由此硬化，即防止從背面電極結構中流出。總體上在太陽能電池、埋入聚合物和背面封裝結構之間實現了一種穩定的複合體。步驟52b和52d在層壓機中執行，其中，除了溫度變化以外還設置壓力。層壓機的壓力腔中的壓力例如為IOOOOOPa至300000Pa (過壓)。步驟52d可以通過從層壓機中取出太陽能模塊並將其放置在室溫下實現。所述太陽能模塊的其他優點和特性根據下面說明的示例來解釋，但該示例不應限制本發明。示例提供多個具有正面封裝元件和表面鈍化的背面的半導體晶片太陽能電池(具有3個匯流條的6 「電池)。鈍化層背向半導體晶片材料的一側的最上層是氮化矽層，所述氮化矽層的折射係數在633nm時為2 2.1。可由Ferro (美國克利夫蘭市)購得的金屬膏狀物Ferro CN53-200按絲網印刷法施加到層厚〈20 μ m的氮化矽層上。顆粒大小分布通過細度儀(DIN53203 或 DINEN21524 和 IS01524)確定。粒度大於等於 12μπι (第 10 MCSchliere,條紋))或大於等於20 μ m (第3層)。金屬膏狀物通過絲網印刷施加到氮化矽層上。絲網(400線/英寸；直徑18 μ m)以45°的覆蓋角(Bespannungswinkel)使用。金屬膏狀物膠狀物在絲網上方的厚度為15 μ m。在將金屬膏狀物施加到氮化矽層上之後，將半導體晶片太陽能電池在1.24度/小時(攝氏度每小時)灼燒爐中在高於400° C的溫度下灼燒。在灼燒之後在氮化矽層上設置開孔的背面電極結構。現在半導體晶片太陽能電池製造完成，並已經可以使用。半導體晶片太陽能電池的背面覆蓋有乙烯乙酸乙烯酯薄膜作為埋入聚合物(Photocap FC280P/UF,可由 STR Specialized Technology Resources, Inc.(美國Enfield)購得)。所使用的乙烯乙酸乙烯酯薄膜具有以下特性:斷裂強度18.5 (2684) Mpa(PSI)、延展率為700%, 10%的彎曲模量為14.8(2150)Mpa(PSI)、硬度為80/22肖氏硬度A/D、透光度為93%、折射率為1.482、衝擊強度(Durchschlagfestigkeit)為1400V/mil、體積電阻率(spezifischen Durchgangswiderstand)為 5 X IO14Ohm/cm>UV 極限波長為 360nm,以及在玻璃上的附著性為70_88N/10mm。在乙烯乙酸乙烯酯層上設置製造商Isovoltaic (奧地利Lebring)的Icosolar AAA3554作為背面封裝元件。這種背面塗層的半導體晶片太陽能電池放置在 Caerus Systems, LLC (美國 Milford)公司的 Meier IC0-Laminator-28-18中。將該層壓機帶到145° C的溫度並兩次排真空4分鐘。使得層壓機腔和蓋排真空。接著將蓋在I分鐘內通風至80000Pa。該狀態保持另外7分鐘。接著對層壓機腔和蓋進行通風。除去蓋，並將太陽能模塊從層壓機腔中取出並在室溫下放置。為了測試背面封裝結構在根據本發明的太陽能模塊的層壓的太陽能電池上的附著性，在預先確定的測試條上進行以下撕開測試。為了檢查附著強度，使用Coesfeld (德國多特蒙德)的拉力測試機Z10。至少一個測試條以約180°的角度撕下。所述拉力測試機具有以下設置:速度:100mm/分鐘，移動行程:300mm，以及斷裂力識別閾值:AF=20。記錄開始時力閾值設定為0.1N。力極值(終止測量)調整到95N。所述太陽能模塊在拉力測試機中這樣設置和張緊，使得至少一個測試條可以恰好被撕下。拉力測試機的拉力絲恰好居中設置在測試條上，並啟動拉力測試機。當測試條斷裂和/或測試條在<300nm時完全被撕下時，測量終止。在撕下測試之後，給所述至少一個測試條拍照。在根據本發明製造的太陽能模塊中，埋入聚合物這樣潤溼鈍化層，從而構成潤溼區域，在潤溼區域中埋入聚合物潤溼鈍化層，並且潤溼區域相對於由潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例為大於25%，優選大於30%，並且特別優選大於50%，在覆蓋區域中，鈍化層由背面電極結構覆蓋，其中已經確定，斷裂面不是在背面電極結構的內部，而是位於半導體晶片基體中。因此帶有具有絲網印刷的背面金屬化部的太陽能電池的太陽能模塊的這樣的特性表明，埋入聚合物對背面金屬化部的滲透這樣實現，即，確保長時間穩定的附著。附圖標記說明10半導體晶片太陽能電池11背面電極結構12埋入聚合物14太陽能模塊15面封裝元件16半導體晶片17鈍化層19背面封裝元件20 自由區域21非附著區域22附著區域51提供多個半導體晶片太陽能電池52 層壓52a設置背面封裝結構52b加熱到第一溫度52c加熱到第二溫度52d冷卻到第二溫度
權利要求
1.一種太陽能模塊(14)，該太陽能模塊(14)具有正面和背面，該太陽能模塊(14)具有: 多個半導體晶片太陽能電池(10)，所述多個半導體晶片太陽能電池(10)電連接成太陽能電池串並分別具有帶有背面表面的背面，所述背面表面通過介電的鈍化層(17)被表面鈍化，在所述鈍化層(17)上設置包含燒結的金屬顆粒的背面電極結構(11 )，該金屬的背面電極結構(11)通過多個局部的接觸區域與半導體晶片(16)的半導體材料電觸點接通，所述接觸區域構造成所述鈍化層(17)的開口並且總體上電接觸區域小於所述背面表面的5%，優選小於2%， 構成太陽能模塊正面的正面封裝元件(15)，以及 構成太陽能模塊的背面的聚合物的背面封裝結構(11)，所述背面封裝結構帶有埋入聚合物(12)，所述埋入聚合物(12)與所述半導體晶片太陽能電池(10)的金屬的背面電極結構相接觸， 其特徵在於， 所述埋入聚合物(12)以這樣一種方式潤溼所述鈍化層(17):使得構成潤溼區域，在這些潤溼區域中所述埋入聚合物(12)潤溼鈍化層(17)，並且所述潤溼區域相對於由所述潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例為大於20%，優選大於35%，並且特別優選大於50%，在所述覆蓋區域中，所述鈍化層(17)由所述背面電極結構(11)覆蓋。
2.根據權利要求1所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，所述金屬的背面電極結構(11)與所述背面表面相比的百分比為大於80%，優選大於90%，更為優選地大於95%。
3.根據權利要求1或2所述的太 陽能模塊(14)，其特徵在於，所述背面電極結構(11)的電阻率優選< 10.ICT7Ohm.m,優選< 7.ICT7Ohm.m,更為優選< 5.ICT7Ohm.m。
4.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，所述背面電極結構(11)具有層厚變化的附著區域(22)，所述附著區域(22)與其餘區域(21)相比具有較小的層厚，該層厚小於30 μ m，優選小於25 μ m，優選小於20 μ m，更為優選小於15 μ m0
5.根據權利要求4所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，與所述埋入聚合物(12)沒有潤溼所述鈍化層(17)的區域的面積比例相比，所述埋入聚合物(12)潤溼所述鈍化層(17)的潤溼區域的面積比例隨著所述背面電極結構(11)的層厚增加而下降。
6.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，所述埋入聚合物(12)是交聯的。
7.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，所述鈍化層(17)構造成薄層疊。
8.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，所述薄層疊具有增附層和/或導電層作為最上層。
9.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的太陽能模塊(14)，其特徵在於，所述半導體晶片太陽能電池(10)的背面表面具有面積比例小於20%，優選小於10%，優選小於5%的自由區域(20 )，在所述自由區域(20 )中所述鈍化層(17 )沒有被所述背面電極結構(11)覆至JHL ο
10.一種用於製造太陽能模塊(14)的方法，所述太陽能模塊(14)具有正面和背面，所述方法具有以下步驟: 步驟(51)提供多個半導體晶片太陽能電池(10)，所述多個半導體晶片太陽能電池(10)電連接成太陽能電池串並分別具有背面，所述背面具有背面表面，所述背面表面通過介電的鈍化層(17)表面鈍化，在所述鈍化層(17)上設置包括燒結的金屬顆粒的背面電極結構(11)，該金屬的背面電極結構(11)通過多個局部的接觸區與半導體晶片(16)的半導體材料電觸點接通，所述接觸區域構造成所述鈍化層(17)的開口並且總體上電接觸面積佔背面表面的比例小於5%，優選小於％ 2 ;以及 步驟(52)將構成太陽能模塊(14)的背面的聚合物的背面封裝結構連同埋入聚合物(12)的層壓到太陽能電池(10)的背面上，從而所述埋入聚合物(12)與所述半導體晶片太陽能電池(10 )的金屬的背面電極結構(11)相接觸， 其特徵在於，層壓參數，如壓力、時間曲線和層壓機壓力以這樣一種方式來設置:使得所述埋入聚合物(12)潤溼所述鈍化層(17)，使得構成潤溼區域，在所述潤溼區域中，所述埋入聚合物(12)潤溼所述鈍化層(17)，所述潤溼區域相對於由所述潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例為大於20%，優選大於35%，特別優選大於50%，在所述覆蓋區域中，所述鈍化層(17)由所述背面電極結構(11)覆蓋。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，隨時間的溫度變化包括加熱到第一溫度(52a)和加熱到第二溫度(52b)，在第一溫度下，所述埋入聚合物(12)具有比室溫下的粘度低的粘度，在第二溫度下，所述埋入聚合物(12)具有比所述第一溫度下的粘度高的粘度。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，隨時間的溫度變化優選這樣設置:使得所述埋入聚合物(12)在第一溫度下潤溼所述鈍化層(17)多於25%，優選多於30%，特別優選多於50%，並且所述埋入聚合物(12)在第二溫度下交聯。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特徵在於，第一溫度在70至115°C，優選80至100° C，優選90至100° C的範圍內，第二溫度在130至230° C，優選130至200° C，優選140至170° C的範圍內。
14.根據權利要求10至13中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，在層壓(52)時,壓力設置在50000Pa至IOOOOOPa的範圍內。
15.根據權利要求10至13中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，在層壓(52)時,壓力設置在IOOOOOPa至300000Pa的範圍內。
全文摘要
本發明涉及一種太陽能模塊(14)，所述太陽能模塊(14)具有正面和背面，具有以下特徵多個半導體晶片太陽能電池(10)，所述多個半導體晶片太陽能電池(10)電連接成太陽能電池串並分別具有帶有背面表面的背面，背面表面通過介電的鈍化層(17)被表面鈍化，在鈍化層(17)上設置包含燒結的金屬顆粒的背面電極結構(11)，金屬的背面電極結構(11)通過多個局部的接觸區域與半導體晶片(16)的半導體材料電觸點接通，所述接觸區域構造成鈍化層(17)的開口並且總體上電接觸區域小於背面表面的5%，優選小於2%，構成太陽能模塊正面的正面封裝元件(15)，以及構成太陽能模塊的背面的聚合物的背面封裝結構，所述背面封裝結構帶有埋入聚合物(12)，所述埋入聚合物(12)與半導體晶片太陽能電池的金屬的背面電極結構相接觸，其特徵在於，埋入聚合物(12)這樣潤溼鈍化層(17)，使得構成潤溼區域，在這些潤溼區域中埋入聚合物(12)潤溼鈍化層(17)，並且潤溼區域相對於由潤溼區域和覆蓋區域組成的區域的比例為大於20%、優選大於35%，並且特別優選大於50%，在覆蓋區域中，鈍化層(17)由背面電極結構(11)覆蓋。本發明還涉及一種用於製造太陽能模塊的方法。
文檔編號H01L25/04GK103094386SQ20121044548
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者M·舍夫, A·斯太克尼庫, D·曼傑, A·莫爾, M·霍夫曼, S·彼得斯 申請人:韓華Q.Cells 有限公司