專利名稱：高效薄膜太陽能電池的焊接方法
技術領域：
本發明的實施方式一般涉及薄膜太陽能電池和模塊的制造。更具體來說，本發明的實施方式涉及將總線焊接到薄膜太陽能電池的背接觸的方法。
背景技術：
在薄膜太陽能電池或者光伏電池中，自背接觸反射最初未被吸收的光允許電池的額外吸收，以增加器件電流以及轉換效率。對于物理氣相沉積(PVD)制造的背接觸薄膜疊層，將氧化鋅(aio)和銀疊層用于串聯結太陽能電池能夠產生最高的底部電池電流。然而，銀與常用的背接觸導電層——招摻雜的氧化鋅(AZO)的粘附性較低。因此， 為了減少AZO和銀層的界面處的脫層(delamination)，通常使用活性金屬層。該活性金屬層也稱作“粘附金屬層”，通常為包括鉻、鈦、鉭、或者其他活性金屬的薄層。該金屬層的目的是改善AZO層和銀層之間的界面強度(S卩，粘附性)。由于在AZO和銀層之間引入了該粘附金屬層，一部分光被該粘附金屬層吸收，因此減少了自銀層的反射。該減少的反射導致光伏電池產生的電流降低。在沒有粘附金屬層的情況下，從技術上講，銀層對AZO層的粘附性足以提供電流最高且轉換效率最佳的良好器件性能。最大的問題發生在用于將總線連接至背接觸的焊接工藝期間。在該焊接期間，背接觸經受高溫(大于約220°C)、焊劑材料和潛在的腐蝕性化學物質，這些都會引起AZO和銀界面之間脫層。脫層不僅由于AZO和銀層之間的粘附性(界面強度)差，也由于其他因素。影響脫層的因素包括，不按特定順序= (I)AZO層和銀層之間的界面強度(粘附性)；( 在焊接期間施加到背接觸的高溫引起膜沿著晶界破裂；C3)在焊接期間使用的腐蝕性焊劑；(4)焊接期間的高溫結合腐蝕性焊劑與銀發生反應并引起AZO界面處的脫層；和( 在焊接期間由于熱應力，背接觸疊層中的膜之間的膜應力失配，導致嚴重的脫層和焊劑滲透(和腐蝕)， 從而造成AZO-銀界面處發生脫層。目前用于制造薄膜太陽能電池的焊接工藝使用高溫以焊接總線。高溫會導致脫層和焊料痕跡，所述焊料痕跡可在太陽能電池前表面看見。此外，高溫縮短了用于焊接總線的熱電極或相似器件的壽命。另一個與焊接薄膜太陽能電池相關的問題是，在薄膜應用中使用的例如銀等典型背接觸材料可以是反應性的。例如，背接觸通常與焊劑反應。對于保持背接觸的反射或光學特性、同時限制與背接觸材料反應的需求成為另一項挑戰。因此，需要改進用于將總線附接到薄膜太陽能電池中所用的背接觸的焊接工藝。
發明內容
本發明的一或更多個方面涉及一種形成薄膜太陽能電池模塊的方法。在一或更多個實施方式中，用于形成薄膜太陽能電池模塊的方法包括形成薄膜背接觸，所述薄膜背接觸包括反射金屬和界面金屬；將包括助焊膏和金屬顆粒的焊料膏涂覆到界面金屬上；和將少一個側面總線焊接至薄膜背接觸。可通過使用絲網印刷工藝、螺旋涂布工藝或者壓力涂布工藝將焊料膏涂覆到界面金屬上。可在約130°C至約230°C范圍內的熔點溫度下將一或更多個實施方式的總線焊接到焊劑。在另一變形實施例中，焊料膏可具有熔點，并且將至少一個總線焊接到背接觸包括加熱焊料膏至熔點以熔化焊料。在所述方法的一或更多個實施方式中，熔化焊料引起焊劑還原并產生抗氧化作用。本文描述的方法也可包括將導熱緩沖層設置在銀層上，以在焊接期間向背接觸提供應變消除。在一或更多個實施方式中，該方法也可包括將導熱緩沖層設置在銀層上，以在焊接期間向背接觸提供應變消除。本文描述的緩沖層可包括選自Al、Cu和W中的一或更多種的金屬。在一或更多個實施方式中，緩沖層具有足以分散施加到背接觸的熱量的厚度。緩沖層厚度也可在約50埃至約300埃的范圍內。本文描述的界面層可包括選自Ni、V、Ti、Au和Pt中的一或更多種的金屬。在一或更多個實施方式中，所描述方法使用的總線可包括不同于背接觸的反射金屬的金屬。在一或更多個特定實施方式中，總線包括Cu、Al、鍍Ni的Cu、Sn、SnAg及上述金屬的組合。在本發明的一或更多個變形例中，本文公開的方法使用的焊料膏包括松香酸、 溶劑和粘度調節劑。一或更多個實施方式中使用的助焊膏的特征在于所用助焊膏是一免清洗助焊膏。一或更多個變形例的焊料膏可包括SnPb、SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi, SnAu, SnCu和SnBi中的一或更多種。在一或更多個實施方式中使用的金屬顆粒可包括 SnPb、SnAg、SnAgCu、SnAgCuNi、SnAu、SnCu 和 SnBi 中的一或更多種。在另一變形例中， 金屬顆粒可包括合金顆粒，所述合金顆粒選自Sn/0. 58Bi、Sn-3. 8Ag-0. 7Cu、Sn-0. 7Cu、 Sn-2Ag-0. 8Cu-0. 5Sb、Sn-3. 5Ag 中的一或更多種。前述內容已經概述了本發明的廣義的特定特征以及技術優勢。本領域技術人員應當理解，所公開的具體實施方式
容易用作在本發明的范圍內修改或者設計其他結構或工藝的基礎。本領域技術人員還應當理解，這種等效構造不脫離如所附的權利要求書所闡述的本發明的精神和范圍。
圖IA是根據本發明的一或更多個實施方式的薄膜太陽能電池模塊的側面截面圖；圖IB是根據本發明的一或更多個實施方式的薄膜太陽能電池模塊的側面截面圖；圖2是根據本發明的一或更多個實施方式的復合太陽能電池模塊的平面圖；圖3圖示了沿著圖2的截面3-3取得的光伏模塊的截面圖；和圖4圖示一圖表，所述圖表圖示了根據本發明的實施方式制作的樣品以及利用粘附金屬層的樣品的粘附強度。
具體實施例方式本發明的實施方式一般提供用于制造薄膜太陽能電池的方法，所述方法包括提供背接觸；將含有金屬顆粒的焊料膏涂覆到背接觸；和將至少一個總線焊接到焊劑。根據一或更多個實施方式，與根據利用粘附金屬層的常規薄膜太陽能電池制造的薄膜太陽能電池相比，在沒有粘附金屬層的情況下，根據所公開的方法制造的薄膜太陽能電池顯現出AZO 層和銀層之間的相似界面強度。根據一或更多個實施方式制造太陽能電池的優勢在于，沒有粘附金屬層會導致太陽能電池中的較少吸收和自銀層的更多反射，最終使薄膜太陽能電池產生更大的電流。如本文中所使用的，用語“粘附金屬層”指的是薄膜光伏電池的銀層和AZO層之間的包括鉻、鈦、鉭或其他活性金屬的薄層。如本文所使用的，薄膜光伏電池指的是具有厚度小于10微米的硅沉積層的光伏電池，且薄膜光伏電池通過使用物理氣相沉積工藝沉積膜層而制得。圖IA圖示了向著光源或者太陽幅射301定向的單結非晶硅太陽能電池304。 太陽能電池304通常包括基板302，諸如玻璃基板、聚合物基板、金屬基板或其他合適的基板，基板302上形成有薄膜。在一個實施方式中，基板302是玻璃基板，尺寸為約 2200mmX^OOmmX3mm。太陽能電池304還包括形成在基板302上方的第一透明導電氧化物(TCO)層310(例如，氧化鋅(ZnO)、氧化錫(SnO)和氧化鋁鋅(AZO))；形成在第一 TCO層 310上方的第一 p-i-n結320 ；形成在第一 p-i_n結320上方的第二 TCO層；340 ；和形成在第二 TCO層340上方的背接觸層350。為了通過增加光俘獲來改善光吸收，可任選地通過濕法、等離子體、離子和/或機械工藝將基板和/或形成在基板上方的一或更多個薄膜紋理化。例如，在圖IA中圖示的實施方式中，紋理化第一 TCO層310，隨后沉積在第一 TCO層上方的薄膜大體遵循所述薄膜下方表面的形貌。在一個配置中，第一 p-i-n結320可包括ρ型非晶硅層322 ；形成在ρ型非晶硅層 322上方的本征型非晶硅層324 ；以及形成在本征型非晶硅層3Μ上方的η型微晶硅層326。 在一個實例中，P型非晶硅層322可形成為約60 A和約300人之間的厚度，本征型非晶硅層3Μ可形成為約1,500人和約3,500 A之間的厚度，并且η型微晶硅層3 可形成為約 100人和約400 A之間的厚度。背接觸層350可包括選自以下組的材料，該組由Al、Ag、Ti、 Cr、Au、Cu、Pt，、Ni、Mo、導電碳、上述材料的合金及上述材料的組合物構成，但不限制于此。圖IB是太陽能電池304的一實施方式的示意圖，太陽能電池304是向著光或者太陽幅射301定向的多結太陽能電池。該太陽能電池304包括基板302，諸如玻璃基板、聚合物基板、金屬基板或其他合適的基板，基板302上方形成有薄膜。太陽能電池304還包括形成在基板302上方的第一透明導電氧化物(TCO)層310;形成在第一 TCO層310上方的第一 p-i-n結320 ；形成在第一 p-i-n結320上方的第二 p-i-n結330 ；形成在第二 p-i-n結 330上方的第二 TCO層340 ；以及形成在第二 TCO層340上方的背接觸層350。在圖IB中圖示的實施方式中，第一 TCO層310被紋理化，隨后沉積在第一 TCO層上方的薄膜大體遵循所述薄膜下方表面的形貌。第一 P-i-n結320可包括ρ型非晶硅層322 ； 形成在P型非晶硅層322上方的本征型非晶硅層324 ；和形成在本征型非晶硅層3M上方的η型微晶硅層326。在一個實例中，ρ型非晶硅層322可形成為約60 A和約300 A之間的厚度，本征型非晶硅層幻4可形成為約1,500 A和約3,500 A之間的厚度，并且η型微晶硅層3 可形成為約100 A和約400 A之間的厚度。
第二 p-i-n結330可包括ρ型微晶硅層332 ；形成在ρ型微晶硅層332上方的本征型微晶硅層334 ；以及形成在本征型微晶硅層334上方的η型非晶硅層336。在一個實例中，P型微晶硅層322可形成為約100人和約400 A之間的厚度，本征型微晶硅層3；34可形成為約10,000 A和約30,000 A之間的厚度，并且η型非晶硅層336可形成為約100 A和約500人之間的厚度。背接觸層350可包括選自以下組的材料，該組由Al、Ag、Ti、Cr、Au、 Cu、Pt、Ni、Mo、導電碳、上述材料的合金、及上述材料的組合物構成，但不限制于此。如上文所述，自背接觸反射最初未被吸收的光允許電池的額外吸收，以增加器件電流以及轉換效率。對于物理氣相沉積(PVD)制造的背接觸疊層，將通常為AZO的氧化鋅(SiO)和銀疊層用于串聯結太陽能電池能夠產生最高的底部電池電流。由此，背接觸層350通常包括若干個子層。典型的背接觸層350包括在SiO/AZO層上方的鉻(Cr)層(有時也稱作粘合或粘附金屬層)；在Cr層上方的銀層(有時也稱作反射層)；以及在銀層上方的界面或鈍化層 (通常是NiV)。背接觸層350的這些子層中的每一個都未在圖中圖示。圖2是示意性圖示太陽能電池模塊300的背面實例的平面圖，所述太陽能電池模塊300通過前述工序制造。圖3圖示了圖2的薄膜太陽能電池模塊300的側面截面圖。盡管圖3圖示了與圖IA中所述配置相似的單結電池的截面圖，這不意味著限制本文描述的發明的范圍。如圖2-圖4中所示，太陽能電池模塊300可以包括基板302、太陽能電池器件元件 (例如，元件符號310,322,324,326,340 ^P 350)、一或更多個內部電連接(例如，側面總線 355、交叉總線356)、粘接材料層360、背玻璃基板361和接線盒370。接線盒370 —般可含有兩個接線盒端子371、372，接線盒端子371、372經由側面總線355和交叉總線356電連接到太陽能電池模塊300的引線362，側面總線355和交叉總線356與太陽能電池模塊300的背接觸層350和活性區電通信。為了避免與上述在基板302上具體執行的操作混淆，通常將基板302稱作器件基板303，所述基板302上面設置有一或更多個沉積層(例如，元件符號310,322,324,326,340和350)，和/或一或更多個內部電連接(例如側面總線355、交叉總線356)。相似地，將器件基板303稱作復合太陽能電池模塊300，所述器件基板303已經使用粘接材料360粘合到背玻璃基板361。圖2中圖示了絕緣材料357，所述絕緣材料357 將側面總線355和交叉總線356隔離開。本發明的第一方面涉及一方法，所述方法用于制造薄膜太陽能電池和將太陽能電池結合到太陽能電池模塊中。在一個實施方式中。選擇助焊膏和焊接材料，所述助焊膏和焊接材料有利于與構成背接觸層350的材料相容。該方法的一或更多個實施方式包括形成背接觸，所述背接觸包括反射金屬(例如，銀)和界面金屬(例如，NiV、Ti、Au或Pt)；將焊料膏涂覆到界面金屬；和將至少一個總線焊接到背接觸。根據一或更多個實施方式，焊料膏包括助焊膏和金屬顆粒。助焊膏含有松香酸、溶劑和粘度調節劑，并具有比液體焊劑高的粘性。如現有技術中所理解的，界面層可用作背接觸疊層的頂層或外層，以提供抗腐蝕性和易操作的總線貼附表面。根據一或更多個實施方式，貼附到背接觸的總線可由以下材料形成，所述材料包括Cu、Al和/或鍍Ni的Cu、Sn和/或SnAg。在一或更多個實施方式中，本文中將更詳細描述的焊料膏可包含下列選自下述中的一或更多種的焊接材料SnPb、SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi, SnAu, SnCu, SnBi及上述材料的組合物。可提供焊接材料作為總線上的涂層。在一或更多個實施方式中，焊料可與其他成分一起提供在膏劑中。在一或更多個實施方式中，焊接膏可包括一或更多種有機溶劑、一或更多種粘度調節劑，和/或一或更多種表面活性劑。合適的有機溶劑的實例包括苯、甲苯和α-松油醇 (terineol)。粘度調節劑的實例包括甘油、聚乙二醇和氫化蓖麻油。表面活性劑的實例包括芳香樹脂鹵化氫酸鹽(anime halogenated hydroacid salt)和二苯基胍 HBr (diphenyl guanidine HBr)。根據本發明的一或更多個實施方式也可使用包括金屬顆粒的焊接膏。焊接膏和金屬顆粒被提供在漿液中。合適的金屬顆粒包括SnPb、SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi、SnAu、SnCu, SnBi及上述金屬顆粒的組合物。金屬顆粒可以包括單種類型的金屬或可以包括多于一種類型的金屬。現有技術中已知的合適的合金包括Sn/0. 58Bi、Sn-3. 8Ag-0. 7Cu、Sn-0. 7Cu、 Sn-2Ag-0. 8Cu-0. 5Sb和Sn_3. 5Ag，但是也可使用本領域中已知的其他合金。在此類實施方式中，可以相信，漿液防止了焊接工藝期間焊劑與反射金屬不利地反應。在一或更多個實施方式中使用的焊劑由于在升高的溫度下變為強還原性而防止了氧化反應，由此防止形成金屬氧化物。焊劑還通過減少熔融焊料的表面張力而在焊接工藝中用作潤濕劑。在一或更多個實施方式中，該方法所使用的焊劑具有“免清洗 (no-clear)”焊劑的特征，或者具有在焊接工藝之后不會留下痕跡(reside)或者僅留下有益痕跡的焊劑的特征。在使用包括金屬顆粒的焊料膏的一或更多個實施方式中，通過將金屬顆粒分散到助焊膏中形成焊料膏。可通過混合松脂和所選的有機溶劑、粘度調節劑以及表面活性劑來制備該助焊膏。在一或更多個實施方式中，焊接膏包括松脂，且可包括鉛、錫、銀、鉍、銻、銦、銅及上述金屬的組合物。合適的焊接膏還可包含表面活性劑和粘度調節劑。焊接膏還可包括合金顆粒，所述合金顆粒可以作為球狀和均勻尺寸的顆粒提供在膏劑中。包含在焊料膏中的合金顆粒的尺寸可具有約5微米至約75微米的顆粒尺寸范圍。在一或更多個特定實施方式中，顆粒尺寸可在約25微米至約45微米的范圍內。焊料膏可具有高達90%的金屬負載(load)，或者可具有高于90%的金屬負載。在本文描述的實施方式中，也可使用具有約 HOKcps至約lOOOKcps范圍內的粘度的焊接膏。在一或更多個特定實施方式中，合適的焊料膏具有約700Kcps至900Kcps范圍內的粘度。在一或更多個特定實施方式中，當在印刷應用中使用焊接膏時，合適的焊接膏可具有約700Kcps至約lOOOKcps范圍內的粘度，當在涂布(dispensing)應用中使用焊接膏時，合適的焊接膏可具有約450至SOOKcps的粘度。合適的焊接膏的實例可購自美國康涅狄格州布蘭德福德市(Brandford)的 Amtech公司，商標名為Amtech SynTECH-LF和Amtech SynTECH。其他合適的焊接膏可購自美國伊利諾斯州伊塔斯克市(Itasca)的Kester公司，商標名為NXGI和EnviroMark 907，也可購自美國俄亥俄州溫斯堡市(Twinsburg)Metallic Resources公司，商標名為MetaPaste NC-500。合適的焊接膏也可購自德國蘭茨胡特市(Landshut)的Solder Chemistry，商標名為BLF03和BLF04，也可購自美國紐約州尤蒂卡市(Utica)的hidum公司，商標名為INDALL0Y，具有銦5. SLS0在特定實施方式中，焊料膏是免清洗焊劑，這意味著在焊接工藝完成之后，在太陽能電池上殘留焊劑的低導電性殘渣。在使用中，將焊料膏涂覆到背接觸的表面。在一或更多個實施方式中，通過絲網印刷、螺旋涂布、壓力涂布和本領域中已知的其他方法涂覆焊料膏。將總線設置在背接觸的表面上。此時加熱焊料膏至焊料膏的熔點，焊料膏熔點在約138°C至約700°C的范圍內。可通過熱焊頭、熱電極、直接歐姆加熱或者其他能量傳送方法施加熱量。所使用的熱源可在更具體的溫度范圍下操作，例如從約 250°C至約450°C的范圍內。當焊料熔化時，焊劑將還原并產生抗氧化作用。當熔化的焊料固化時，每個引線的安裝端都經由焊接膏留下的焊料層連接至背接觸。根據本發明的實施方式，在焊接薄膜太陽能電池中使用助焊膏的優勢在于，比常規工藝更容易控制與薄膜層反應的材料量。使用常規工藝焊接若干個樣品，在所述樣品中，在AZO膜和Ag膜之間形成厚度在 10 A和50 A之間的金屬粘附層。通常，使用類型為RA(活性樹脂)或者RMA(中度活性樹脂)的液體焊劑。液體焊劑具有Ι-lOOcps范圍內的粘度。測試結果于圖4中圖示，并且結果指示與使用RA焊劑并包括粘附層的樣品相比，根據本發明的實施方式，在沒有金屬粘附層的情況下，利用含有助焊膏和金屬顆粒的焊料膏制得的樣品在背接觸的AZO層和銀層之間顯現出類似的粘附強度。由此，可制造顯現出可接受的粘附強度的薄膜太陽能電池，以防止背接觸的銀和AZO層之間的脫層，且與在背接觸的AZO和銀層之間包括金屬粘附層的樣品相比，顯現增加了的自銀層的反射性，以及增加了的光伏電池產生的電流。與使用高反射性背接觸和RA焊劑或低反應性液體焊劑的樣品相比，使用含有助焊膏和金屬顆粒的焊料膏的樣品也顯現出更高的拉伸強度。在整個說明書中，參考“一個實施方式”、“某些實施方式”、“一或更多個實施方式” 或“一實施方式”意味著結合實施方式描述的特定特征、結構、材料或特性包括在本發明的至少一個實施方式中。由此，在整個說明書中各個位置出現的諸如“在一或更多個實施方式中”、“在某些實施方式中”、“在一個實施方式中”或“在一實施方式中”的用語不必代表本發明的相同實施方式。而且，在一或更多個實施方式中，可按任何合適的方式組合特定的特征、結構、材料或特性。不應認為上述方法的描述順序是限制性的，并且所述方法可不按順序、或者省略或者添加地執行所述操作。應理解，上述內容意在說明，而不是限制性的。一旦查閱了上述內容，很多其他實施方式對本領域一般技術人員是顯而易見的。因此，應參考附加的權利要求書以及所述權利要求書所給出的等價物的整個范圍來確定本發明的范圍。
權利要求
1.一種形成薄膜太陽能電池模塊的方法，包括形成薄膜背接觸，所述薄膜背接觸包括反射金屬和界面金屬； 將焊料膏涂覆到所述界面金屬上，所述焊料膏包括助焊膏和金屬顆粒；和將至少一個側面總線焊接到所述薄膜背接觸，所述總線包括的金屬不同于所述背接觸的所述反射金屬。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述焊料膏包括松香酸、溶劑和粘度調節劑。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述總線包括Cu、Al、鍍有Ni的Cu、Sn、SnAg及上述金屬的組合物。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述助焊膏是免清洗助焊膏。
5.如權利要求2所述的方法，其中通過使用絲網印刷工藝、螺旋涂布工藝或者壓力涂布工藝中的一個將所述焊接膏設置在所述界面金屬上。
6.如權利要求2所述的方法，其中在約130°C至約230°C范圍內的熔點溫度下將所述總線焊接到所述焊劑。
7.如權利要求2所述的方法，其中所述焊接膏包括SnPb、SnAg,SnAgCu, SnAgCuNi, SnAu, SnCu和SnBi中的一或更多種。
8.如權利要求2所述的方法，其中所述金屬顆粒選自SnPb、SnAg,SnAgCu, SnAgCuNi, SnAu, SnCu和SnBi中的一或更多種。
9.如權利要求2所述的方法，其中所述金屬顆粒包括合金顆粒，所述合金顆粒選自 Sn/0. 58Bi、Sn_3. 8Ag-0. 7Cu、Sn-0. 7Cu、Sn_2Ag-0. 8Cu_0. 5Sb、Sn_3. 5Ag 中的一或更多種。
10.如權利要求2所述的方法，其中所述焊接膏具有熔點，且其中將至少一個總線焊接到所述背接觸包括加熱所述焊接膏至所述熔點以熔化所述焊料。
11.如權利要求10所述的方法，其中熔化所述焊料引起所述焊劑還原并產生抗氧化作用。
12.如權利要求2所述的方法，還包括將導熱緩沖層設置在所述銀層上，以在焊接期間向所述背接觸提供應變消除。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述緩沖層包括選自Al、Cu和W中的一或更多種的金屬。
14.如權利要求12所述的方法，其中所述界面層包括選自Ni、V、Ti、Au和Pt中的一或更多種的金屬。
15.如權利要求12所述的方法，其中所述緩沖層具有足以將施加到所述背接觸的熱量分散的厚度。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述緩沖層具有范圍在約50埃和約300埃之間的厚度。
17.如權利要求2所述的方法，其中所述總線包括Cu、Al、鍍有Ni的Cu、Sn、SnAg及上述金屬的組合物。
全文摘要
本發明提供了形成薄膜太陽能電池的方法。在一個方面中，通過以下步驟形成薄膜太陽能電池提供背接觸，所述背接觸包括反射材料和界面金屬；將包括助焊膏和金屬顆粒的焊料膏涂覆到所述界面金屬；和焊接至少一個總線至背接觸層。
文檔編號B23K35/22GK102441717SQ201110222729
公開日2012年5月9日 申請日期2011年7月22日 優先權日2010年7月27日
發明者亞當·布蘭德, 國-飛·劉, 英丘·常, 阿克塞爾·斯特勞布, 飛·C·王, 馬庫斯·克雷斯 申請人:應用材料公司