CN104465801A - 一种具有接触结构的太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能电池(100)，其具有硅衬底(110)，所述硅衬底具有掺杂的发射极区域(112)，在所述发射极区域上布置有接触结构，所述接触结构具有多个线状的接触指(132、133、134)，其中，所述接触指(132、133、134)之间的间距变化并且适应在所述发射极区域(112)的面上变化的掺杂型廓。

Description

一种具有接触结构的太阳能电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，其具有硅衬底，所述硅衬底具有掺杂的发射极区域，在所述发射极区域上布置有接触结构，所述接触结构具有多个线状的接触指，并且本发明还涉及一种用于制造这种太阳能电池的方法。

背景技术

太阳能电池用于将电磁辐射能量尤其是太阳光转化成电能。所述能量转化基于辐射在太阳能电池中被吸收，由此产生正负载流子(“电子-空穴-对”)。然后，所产生的自由载流子被彼此分开，以被引向分开的触点。

太阳能电池一般具有正方形的硅衬底，在所述硅衬底中构成有两个具有不同电导率或者掺杂(Dotierung)的区域。在也被称为“基极”和“发射极”的两个区域之间形成p-n结。所述p-n结产生内部的电场，所述电场使得由辐射产生的载流子像上面所描述的那样分开。在太阳能电池的前侧和后侧上还覆加有金属触点，以便导出太阳能电流。

太阳能电池的前侧发射极接触结构一般包括由线状的金属接触元件组成的栅格状布局，所述接触元件也被称为接触指。此外，还设置有横向于所述接触指分布的并且具有较大宽度的金属汇流排，其也被称为汇流条(Busbar)。后侧的基极接触结构一般具有平面式构成的金属层，在所述金属层上布置有金属的后侧接触元件。在前侧的汇流排和后侧接触元件上连接有电池连接器，通过所述电池连接器将多个太阳能电池联接成光电(PV)模块或者太阳能模块。

所述硅衬底的掺杂通常通过气相在使用含有三氯氧化磷(POCl₃)的气体的情况下借助于炉工艺来实现。在炉的扩散管道中，晶片彼此靠得非常紧，以便实现很高的设备吞吐量。由此，阻碍了含磷气体尤其在硅衬底的中心处的置换。这导致硅衬底的中心处和边缘区域上出现不均匀的掺杂，其中，掺杂度朝向硅衬底的中心降低。于是，由此使得太阳能电池的发射极层电阻也并不是均匀的，而是从太阳能电池的棱边和角部出发增大并且在太阳能电池的中心处达到最大值。

因为所述太阳能电池的前侧发射极接触结构通常通过如下方式来实施，即，接触指之间的间距在太阳能电池的整个表面之上保持恒定，所以这具有如下缺点，即接触指的间距仅仅在太阳能电池的少量区域内根据发射极层电阻得以优化。由此，在硅衬底的一些区域中存在太多的接触指，而在另一些区域中存在太少的接触指。这又增加了硅衬底的遮暗以及材料需求，并因此不必要地在接触指太多的区域中增加了用于制造接触指的成本，并且还导致太阳能电池在接触指太少的区域中的串联电阻不利地升高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有改善的前侧接触结构的太阳能电池。

该目的通过根据权利要求1所述的太阳能电池来实现。本发明的其他具有优点的实施方式在从属权利要求中给出。

根据本发明的第一个方面，太阳能电池具有硅衬底，所述硅衬底具有掺杂的发射极区域，在所述发射极区域上布置有接触结构，所述接触结构包括多个线状的接触指，其中，所述接触指之间的间距变化并且适应在所述发射极区域的面上变化的掺杂型廓。

在所述接触结构的根据本发明的设计中，接触指之间的间距依赖于所述掺杂的硅衬底的掺杂度的变化，所述接触结构的根据本发明的设计用于使得所述接触结构尤其适应硅衬底的视工艺而定的不均匀的掺杂和由此导致的所述硅衬底之上不同的发射极层电阻。对所述接触指之间的间距的由此实现的优化使得太阳能电池的遮暗以及制造接触指的材料需求最小化，并因此使得制造成本最小化。此外，以依赖于区域的方式优化了所述接触指的遮暗与电阻损耗之间的关系，并因此提高了太阳能电池的效率。可以将其他参数例如像存在于接触指与发射极之间并且依赖于发射极掺杂的接触电阻引入到接触指间距的优化中，以便实现更好的适配。此外，也可以考虑太阳能电池的电流-电压曲线图的从中可以获知最大功率的点，其也被称为“最大功率点”或者缩写成“MPP”，并因此可以考虑配属的电流值(Jmpp)和电压值(Vmpp)，这是因为该参数也随着发射极掺杂而变化。

根据太阳能电池的一种优选实施方式，所述线状的接触指在所述掺杂的硅衬底的中心区域内的间距小于在所述边缘区域内的间距。由此，以具有优点的方式在所述硅衬底之上实现了对于发射极层电阻的不均匀性的适配，其通过所述硅衬底的不均匀的掺杂基于制造工艺而实现。

按照根据本发明的太阳能电池的一种优选改进方案而设置的是，所述接触指在第一区域内彼此平行地分布而在所述掺杂的硅衬底的边缘上的第二区域内折弯并且朝向所述掺杂的硅衬底的角部地取向。这具有如下优点，即在所述掺杂的硅衬底的边缘区域内实现了对于硅衬底的不均匀掺杂的进一步改善的适配并因此对于发射极层电阻的型廓的适配。特别是在所述太阳能电池的角部和棱边区域内实现了优化。

按照根据本发明的太阳能电池的另一种优选实施方式，所述线状的接触指之间的间距在所述掺杂的硅衬底之上至少部分连续地变化。通过接触指间距的连续变化，可以具有优点地在整个硅晶片上实现对于发射极层电阻型廓的进一步改善的适配。

按照根据本发明的太阳能电池的另一种优选实施方式，所述线状的接触指具有弯曲的形状。此外，优选地，所述线状的接触指径向地或者凹形地朝向所述硅片的角部弯曲。通过接触指的弯曲形状以及它朝向硅片角部的凹形的或者径向的取向，以具有优点的方式在整个硅晶片上实现对于发射极层电阻的型廓的最佳适配。此外，通过接触指的弯曲形状避免了直线的断棱。

按照根据本发明的太阳能电池的另一种优选实施方式，所述接触结构具有至少一个汇流排，所述汇流排横跨所述接触指地分布并且与所述接触指电气连接，其中，所述接触指在所述汇流排附近垂直地或者近似垂直地指向所述汇流排。由此，能够以具有优点的方式实现尽可能短并因此低损耗的电流传输。

按照根据本发明的太阳能电池的另一种优选实施方式，所述接触指至少部分地中断。这能够以具有优点的方式根据变化的发射极掺杂实现对接触指间距更加精细的调校。

按照根据本发明的太阳能电池的另一种优选实施方式，插入了一个或多个冗余线(Redundanzlinien)，以便使得所述中断的接触指的端部至少部分地彼此连接。这具有如下优点，即提高了太阳能电池相对于接触指中断部的抵抗力。

根据本发明的第二个方面，为了制造太阳能电池，提供一种具有掺杂的发射极区域的硅衬底。然后，测定发射极层电阻在所述掺杂的发射极区域的面上的分布。接下来，将接触指覆加在发射极区域上，其中，接触指的间距和/或形状适应发射极层电阻的所测定的分布。

通过确定硅衬底的依赖于位置的发射极层电阻，可以实现的是，针对硅衬底上的每个位置都测定接触指之间的正确间距或者其最佳的形状。这可以实现对于所述接触结构的优化并因此在材料成本降低的情况下实现所述太阳能电池的更高的效率。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细阐述。

图1示出根据本发明的硅太阳能电池的第一种实施方式的示意性侧视图；

图2示出根据图1的硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有平行分布的接触指，它们之间的间距朝向边缘和角部地增大；

图3示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池在边缘区域带有折弯的接触指；

图4示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有弯曲的接触指的间距的连续变化；

图5示出图2的特殊形状，其带有不必在两个相邻汇流条之间穿通的接触指；

图6示出根据图5的硅太阳能电池的前侧的示意图，其中插入了附加的、窄的、平行于汇流条分布的冗余线，以便使得所述接触指彼此连接；

图7示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有弯曲的接触指的间距的连续变化，其中，所述接触指在汇流条之间结束并且与冗余线相连；

图8示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有弯曲的接触指的间距的连续变化，其中，所述接触指在汇流条之间结束并且至少部分地与冗余线相连；

图9示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有弯曲的接触指的间距的连续变化，其中，所述接触指在汇流条之间结束并且不与冗余线相连；

图10示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有直线分布的接触指的间距的连续变化，从而形成径向的布局；

图11示出硅太阳能电池的前侧的示意图，所述硅太阳能电池带有弯曲的接触指的间距的连续变化，其中，所述接触指在汇流条区域内垂直于或者近似垂直于汇流条地分布；

图12示出图11不带有汇流条的特殊形状；以及

图13示出用于制造根据本发明的硅太阳能电池的方法的流程图。

具体实施方式

结合附图描述一种太阳能电池，其中经改善的前侧接触结构提高了效率并且优化了材料成本。

图1示意性示出根据本发明的太阳能电池100的第一种实施方式的侧视图或剖面图。所述太阳能电池100的前侧的俯视图在图2中示出。所述太阳能电池100具有硅衬底110，所述硅衬底分成后侧的基极区域111和前侧的发射极区域112，它们具有不同的掺杂。在此，基极区域111一般具有p掺杂，而发射极区域112具有n掺杂。在两个区域之间形成p-n结，所述p-n结产生电场。在辐照太阳能电池时，由吸收辐射所产生的载流子通过所述电场彼此分开。为了使基极区域111与发射极区域112电接触，在太阳能电池的前侧和后侧上设置有接触结构。

硅衬底的掺杂一般(视所使用的掺杂工艺而定)是不均匀的，其中，掺杂度从硅衬底的边缘区域朝向硅衬底的中心减小。这种不均匀的掺杂又导致太阳能电池的发射极层电阻从太阳能电池的棱边和角部开始增大并且在太阳能电池的中心达到最大值。因此，根据本发明，所述太阳能电池的前侧接触结构通过如下方式来实施，即，所述接触指之间的间距适应变化的发射极层电阻并且在太阳能电池的表面上变化。

在图1和图2所示的第一种实施方式中，前侧接触结构包括大量金属接触元件132，所述金属接触元件在下面也被称为接触指。所述接触指132(如图2中进一步所示)相对薄并且线状地构成。此外，像现有技术中那样，所述接触指彼此平行地分布，但是其中，接触指间距却从中心区域105朝向边缘区域104的边缘和角部增大，这显示出与现有技术的差别。

所述接触指132优选置入抗反射层120中，利用抗反射层120抑制表面上的光反射，所述光反射降低了光效率。

除了平行分布的接触指132，太阳能电池的前侧接触结构优选包括多个金属的汇流排135，所述汇流排也被称为汇流条。所述汇流排135优选垂直于线状的接触指132地布置并且跨越所述接触指132地分布。所述汇流排135也能够以90度偏转的角度分布在所述接触指132之上。所述汇流排135与所述接触指132电连接，使得经由接触指从发射极区域112采集的载流子聚集在一起，并且经由所谓的电池连接器将其传递至相邻的太阳能电池。所述接触指132和汇流排135优选由银组成并且通常借助于印刷方法(其中使用银膏体)来覆加。与现有技术相比，图1和图2中所示的前侧接触结构减小了太阳能电池前侧的遮暗，光线经由所述太阳能电池前侧射入。

此外，所述接触指132能够在太阳能电池100的边缘上的第二区域107中(如图2中所示)相对于中央的第一区域106中的接触指部分错开地布置。由此，可以实现平行的接触指的间距分级式变化。

也可以实现的是，略去汇流排而仅仅将接触指覆加到电池上，这明显节省了材料。于是，接触指的连接借助于所谓的电池连接器来实现，所述电池连接器例如被焊接、粘接、键合或者压合。所述电池连接器通常由成本低的材料例如铜制成。

所述太阳能电池的后侧接触结构包括(如图1中以横截面所示)金属层150，在所述金属层上优选以均匀分布的方式布置有多个大面积的金属接触面155。所述金属层150可以例如由铝制成，所述金属接触面155可以由银制成。所述后侧的接触面155如前侧的汇流排那样用于以电气和机械的方式连上电池连接器，以便使得单个太阳能电池以串联电路联接成光电模块，所述光电模块由两个或多个太阳能电池组成。

图3示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。在这种实施方式中，所述接触结构包括改进的接触指133以及汇流排135，所述汇流排分布在改进的接触指133之上并且与改进的接触指133电气连接。所述改进的接触指133在硅衬底110的中央的第一区域106中平行地分布，而在硅衬底110的边缘上的第二区域107中折弯。折弯的所述改进的接触指133的方向指向太阳能电池100的离得最近的角部。所述改进的接触指133的折弯角度可以是相同形状的或者也能够例如以如下方式变化，即，所述改进的接触指133的折弯程度随着离硅衬底的角部靠得越近而增加。

通过所述改进的接触指133的折弯，在变化的发射极层电阻方面实现了对所述接触结构的进一步优化。所述太阳能电池100的边缘上的第二区域107能够像图3中所示的那样通过汇流排135来界定。可供选择地，所述第二区域107与第一区域106的界线也可以与汇流排135不重叠。此外，所述第二区域107的界线也可以具有弯曲的形状或者由多个在不同方向上分布的线条组合而成。

此外，如图3中所示，在所述中心区域105内的中央的第一区域106内部，所述改进的接触指133之间的间距相对于边缘区域减小了。如图3中所示，所述改进的接触指133之间的减小的间距延续到第二区域107中，因为所有的改进的接触指133都被引导至硅衬底的边缘。但是，也可以实现的是，从中心区域105出发仅仅一部分所述改进的接触指133延伸到第二区域107中。由此，如图2中已经示出的那样，可以实现改进的接触指133的间距对于硅衬底的中央的第一区域106与第二区域107之间的发射极层电阻的分级式适应。

图4示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。在这种实施方式中，所述接触结构包括弯曲的接触指134以及汇流排135，所述汇流排分布在弯曲的接触指134之上并且与弯曲的接触指134电气连接。所述弯曲的接触指134的间距从硅衬底110的中心区域105出发朝向边缘区域104连续地增加。所述弯曲的接触指134的方向指向太阳能电池100的最靠近的角部。所述弯曲的接触指134的弯曲程度可以是相同的或者也能够例如以如下方式变化，即，弯曲的强度随着离硅衬底110的角部靠得越近而增加。所述弯曲的接触指134可以径向地或者朝向硅衬底110的角部凹形地定向。通过所述弯曲的接触指134的间距的连续变化以及通过所述接触指134的曲度实现了在变化的发射极层电阻方面对所述接触结构的进一步优化。

图5示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。所述接触指132彼此平行地分布，但是在汇流条135之间在中断部位136上部分地中断。这可以实现接触指间距与变化的发射极掺杂更加精细的调校。

图6示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。从图5中的设计方案出发，插入了附加的、窄的、平行于汇流条135分布的冗余线137，以便使得接触指端部彼此连接。这提高了太阳能电池100相对于接触指中断部的抵抗力。所述冗余线137不必像图6中所示的那样，而是也能够以节约材料的方式一次或者多次地中断。

所述接触指132在图5和图6中所示的中断部以及冗余线的使用也可以类似地应用于图3和图4中所示的实施方式。

图7示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。为了更好地适应发射极层电阻的分布，所述接触指134不再直线地实施而是弯曲地实施。所述接触指134从汇流排135出发并且刚开始与汇流排135垂直或者近似垂直。在虚拟的水平中心线的方向上显示的所述接触指134在太阳能电池100的中心点方向上弯曲。从虚拟的水平中心线离开的所述接触指134指向最靠近的角部的方向。所述接触指134在汇流条135之间或者在太阳能电池100的边缘上结束并且与冗余线137相连。图8示出带有部分中断的冗余线138的设计方案，图9示出不带有冗余线137、138的设计方案。如果接触指中断部的出现概率很小，那么冗余线137、138能够以节约材料的方式多次中断地实施或者完全略去。总的来说，适用的是，接触指间距从太阳能电池中心区域105朝向太阳能电池边缘区域104即朝向边缘和角部增加。

图10示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。直线式接触指132径向地布置，从而其间距从太阳能电池中心区域105朝向太阳能电池边缘区域104连续地增加。接触指132也可以像图5和图6中所示的那样中断并且与冗余线137、138相连。也可以实现的是，在图11中所示的接触结构具有折弯的接触指133或者弯曲的接触指134。

图11示出根据本发明的太阳能电池100的另一种实施方式的前侧接触结构的俯视图。弯曲地实施的接触指134在汇流排135附近垂直地或者近似垂直地指向汇流排135，以便能够实现尽可能短的并因此低损耗的电流传输。所述接触指134也可以像图5和图6中所示的那样中断并且与冗余线137、138相连。图12示出仅仅不带有汇流排135的相同设计方案，因为也可以稍晚覆加所述汇流排。

图13示出一种流程图，所述流程图描述了用于制造图1至图12中所示的太阳能电池100的方法。首先，提供一种掺杂的硅衬底110。所述硅衬底110可以要么是单晶的要么是多晶的。单晶材料通过柴可拉斯基法制成，而多晶材料通常通过浇注法或者熔融法来生产。材料在这两种情况下都通过线锯切成片，所述片然后充当用于太阳能电池的衬底材料。

上面所述的n传导的硅层112的磷掺杂通常在管式炉中通过气相借助于三氯氧化磷(POCl₃)来实现。为此，将硅衬底110例如依靠装载有若干100个晶片的石英车推入炉中。在这种情况下，硅衬底110在扩散管道中彼此靠得非常紧，以便实现很高的设备吞吐量。当然，由此阻碍并且减小了含磷气体尤其在硅衬底的中心处的置换。因此，发射极层电阻在硅衬底110的中心处基于那里较小的掺杂度总是最高的，所述发射极层电阻朝向硅衬底的棱边和角部连续地降低。

在图13中描述的方法的下一步是依赖于掺杂的硅衬底110上的位置确定所述发射极层电阻。硅衬底110的层电阻通常利用四点测量来确定。在这种情况下，将四个等距的尖端以一条线压到硅衬底110的表面上。电流I通过外部的尖端来传导，而电压V在内部的尖端之间得以测量。通过测量硅衬底上的四个位置上的发射极层电阻，生成衬底表面的层电阻的型廓。所述发射极层电阻同样也能够以不接触的方式来测定。

在图13中所示的方法的下一个步骤中，使得接触指的间距和/或形状适应所述掺杂的硅衬底110上的实际的发射极层电阻，并因此获得所述接触指的经优化的布局。这可以通过如下方式来实现，即，首先测定所述掺杂的硅衬底110的平均发射极层电阻，然后从中确定接触指的平均间距。然后，可以使得接触指的间距和/或形状适应衬底表面的层电阻的型廓。

在图13中所示的方法的下一个步骤中，将接触指的经优化的布局覆加到所述掺杂的硅衬底上。这可以借助于印刷方法来实现，在所述印刷方法中使用银膏体。可供选择地，也可以使用例如光刻技术。

最后，可以使得单个太阳能电池在汇流排135和后侧的接触面155上(图1)借助于电池连接器以串联电路联接成光电模块，所述光电模块由两个或多个太阳能电池组成。所述电池连接器一般是镀锡的铜带，所述铜带被焊接到前侧的汇流排135和后侧的接触面155上。

附图标记列表

100    太阳能电池

104    太阳能电池的边缘区域

105    太阳能电池的中心区域

106    太阳能电池的第一区域

107    太阳能电池的第二区域

110    硅衬底

111    基极区域

112    发射极区域

120    抗反射层

132    接触指

133    折弯的接触指

134    弯曲的接触指

135    汇流排

136    中断部位

137    冗余线

138    部分中断的冗余线

150    金属层

155    金属接触面

Claims (13)

1.一种太阳能电池(100)，其具有硅衬底(110)，所述硅衬底具有掺杂的发射极区域(112)，在所述发射极区域上布置有接触结构，所述接触结构具有多个线状的接触指(132、133、134)，其中，所述发射极区域(112)的掺杂度从所述硅衬底的边缘区域朝向所述硅衬底的中心降低，从而发射极层电阻从所述硅衬底的边缘区域朝向所述硅衬底的中心升高，并且其中，所述接触指(132、133、134)之间的间距适应变化的发射极层电阻并且在所述发射极区域(112)的面上变化，其中，所述接触指(132、133、134)在所述掺杂的硅衬底(110)的中心区域(105)内的间距小于在所述边缘区域(104)内的间距。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述线状的接触指(132)彼此平行地分布。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述接触指(133)在第一区域(106)内彼此平行地分布而在所述掺杂的硅衬底(110)的边缘上的第二区域(107)内折弯并且朝向所述掺杂的硅衬底(110)的角部地取向。

4.根据权利要求1至3之一所述的太阳能电池，其中，所述接触指(132、133、134)之间的间距在所述掺杂的硅衬底(110)上至少部分连续地变化。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，所述接触指(132、133、134)径向地分布，从而它们之间的间距朝外连续地增加。

6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，所述接触指(134)具有弯曲的形状。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中，所述接触指(134)径向地或者凹形地朝向所述硅衬底(110)的角部弯曲。

8.根据权利要求6或7所述的太阳能电池，其中，所述接触结构具有至少一个汇流排(135)，所述汇流排横跨所述接触指(134)地分布并且与所述接触指(134)电气连接，其中，所述接触指(134)在所述汇流排(135)附近垂直地指向所述汇流排(135)。

9.根据权利要求1至8之一所述的太阳能电池，其中，所述接触指(132、133、134)至少部分地中断。

10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中，插入了一个或多个冗余线(137)，以便使得所述中断的接触指(132、133、134)的端部至少部分地彼此连接。

11.一种光电模块，其包括两个或多个根据权利要求1至10之一所述的太阳能电池(100)，所述太阳能电池经由电池连接器电气串联。

12.一种用于制造太阳能电池(100)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供具有掺杂的发射极区域(112)的硅衬底(110)，其中，所述发射极区域(112)的掺杂度从所述硅衬底的边缘区域(104)朝向所述硅衬底的中心区域(105)降低，从而发射极层电阻从所述硅衬底的边缘区域朝向所述硅衬底的中心区域升高；以及

-将接触指(132、133、134)覆加到所述发射极区域(112)上，其中，所述接触指(132、133、134)之间的间距适应变化的发射极层电阻并且在所述发射极区域(112)的面上变化，其中，所述接触指(132、133、134)在所述掺杂的硅衬底(110)的中心区域(105)内的间距小于在所述边缘区域(104)内的间距。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述接触指(132、133、134)的覆加借助于印刷技术来实现。