專利名稱：制造太陽能電池陣列的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用排列在一金屬箔片基體上的硅球體制造太陽能電池的方法，上述電池在受到光照時產(chǎn)生電能。
人們已熟知將太陽光轉換成其他形式有用能的能量發(fā)生系統(tǒng)，由于作為主要能源的太陽具有經(jīng)濟性，所以這樣的裝置不斷地得到發(fā)展和改進?；鶢柋?Kilby)等在美國專利4，021，323中揭示了一種這樣的系統(tǒng)，其中由玻璃或塑料之類透明基體組成的太陽能陣列是將在一側具有N型表層的P型硅粒埋入基體中，或者將在一側具有P型表層的N型硅粒埋入基體中。盡管布局可以變動，但最好有一半粒子是具有N型表層的P型硅粒而其他是具有P型表層的N型粒子。在基體的背面，穿過基體并隆起的硅粒子用合適的導電的噴鍍金屬互相聯(lián)接。硅粒子的表層部分穿過基體的正面。這些陣列被浸入一種電解質中，最好浸入氫溴酸(HBr)中，電解質接觸基體的正面。由于接觸電解質的導電類型不同的硅粒之間存在電勢差，在太陽光下在其間形成電位差，此時氫溴酸電解成氫氣和溴，氫氣冒泡溢出，而溴則留在溶液內(nèi)。氫氣被收集并成為一種能源，例如，在眾所周知的燃料電池和類似的裝置中。
這種類型的太陽能陣列中，硅粒子單獨參與電解。其結果，假如少量粒子的P-N結被短路或被旁路的話，陣列產(chǎn)生反應產(chǎn)物的速率不會受到顯著影響。
另一個用來從太陽光產(chǎn)生有用能的系統(tǒng)使用與上述類型相似的陣列，但構造成能產(chǎn)生電力，而不是進行電解。美國專利2，904，613號揭示了這樣一個系統(tǒng)。雖然，有可能交替排列，但一個有用的實施例包括諸如玻璃或塑料等的透明基體，它攜帶了具有P型表層的N型硅粒子。粒子的N型芯從基體背面凸起并由合適的導電金屬相互聯(lián)接。P型表層從基體正面凸起，并由諸如在純金屬柵結構上氧化錫之類導電的光導材料相互連接。在太陽光作用下，在這一陣列的背面和正面的互連結構之間形成電位差，這陣列可以被合適地聯(lián)接成直接驅動外部的電負載。
肯特.R·卡森于1983年12月15日(T1-9744)提出的申請?zhí)枮?62，782的申請中對已有技術作出了改進，即對上述發(fā)明作了進一步改進。然而，在現(xiàn)有技術中，依照上述的已有技術制造太陽能陣列的費用是相當不經(jīng)濟的，至今還未看到此已有技術的方法在經(jīng)濟上取得很大成功。因此，迫切需要提供經(jīng)濟上可行的太陽能陣列，以便能夠相對不太昂貴地制造這樣的陣列。
根據(jù)本發(fā)明，提供一個制造太陽能電池陣列的方法，大大地減少了上述已有技術中提及的問題，與列舉的已有技術相比，該方法能比較經(jīng)濟地制造太陽能電池陣列。
簡要地說，依照本發(fā)明，太陽能電池陣列用第一張標準型柔性鋁箔制成，標準型鋁箔的表面上可能有天然的氧化鋁。在將要安放硅球的那些地方壓刻箔片以形成金屬基體。然后用有機物清洗并腐蝕，去除那些進行過壓刻的薄的區(qū)域，以在其內(nèi)產(chǎn)生小孔和提供塞入硅球的位置。利用一附加的腐蝕步驟在箔片上形成粗糙的表面。箔片形成將要設置的硅球的殼體，還作為前接觸。在P型內(nèi)芯上具有N型表層的硅球被設置在箔片的背面，在箔片正面設置一真空吸盤把硅球部分地吸入先前在箔片上形成的小孔中，切斷空氣流過小孔的通道。因為最初使用多于小孔數(shù)量的硅球，所以，所有的小孔最后都要被硅球填滿，然后用刷子或類似東西清除箔片背面沒用的硅球。
然后，把球沖壓接合到鋁箔上，沖壓力將硅球壓入小孔中，使硅球的大圓位于箔片正面一側的前面(朝向太陽或光源的一面)。在高壓下將球壓到孔中的動作使得鋁箔在與硅球接觸的表面處被撕裂，并且裸露出新的鋁，由于硅球相對于鋁箔的運動產(chǎn)生的剪切作用也會刮走表面的氧化鋁而裸露出新的鋁。這種作用也會從與鋁箔特別是與裸露鋁接觸的球的部分表面上去除氧化硅。在大約500℃至不到577℃的溫度范圍內(nèi)，鋁會發(fā)生這種作用，在此溫度鋁雖然還是固體，但已很容易變形，而硅仍然是剛體。(假如沖壓時間足夠短的話，溫度可以超過577℃)，新鋁沖擊二氧化硅并且在沖壓期間將它從沖壓部位基本上除去。通過種方式使硅鋁之間接合，從而形成鋁與硅N型表層的接觸。然后，箔片和硅球的陣列冷卻到環(huán)境溫度，使得箔片再度硬化。
然后，腐蝕帶有裸露硅球的箔片背面，以去除那里的N型表層。因為鋁箔作為硅腐蝕劑的掩膜，而箔片因為有自然形成的很薄的一層天然的氧化物，本身不是很活潑了。陣列放在硫酸槽(約10%的硫酸)中作陽極化處理約半分鐘，以在鋁上產(chǎn)生一個氧化涂層，接著用另一個陽極化槽，其中盛有一半1%的磷酸以密封鋁和使硅陽極化。這里面約生成大約10微米三氧化二鋁和0.1微米的二氧化硅。然后研磨球的背表面，使其產(chǎn)生一個可以與之接觸的表面。研磨工藝使表面粗糙以便形成一個良好的歐姆接觸。然后在預熱到處于500℃至不到577℃的溫度范圍內(nèi)的一個溫度后，將第二張薄的鋁箔放到研磨表面，將鋁箔壓緊在研磨區(qū)域，與之形成接觸。
在以一卷一卷的方式形成陣列的實施例中，在把二張鋁箔接合到硅球上之前，在二張鋁箔之間于相鄰的陣列間的一個位置處設置墊片。在該實施例中，上面和下面的箔片被相向擠壓，但在第二張鋁箔與硅球接合時并不與墊片接合。然后在陣列兩側的墊片上鋁箔被合適地劃割開，從而在陣列兩相對側都提供了一延伸出的箔片部分。然后鋁箔的延伸部分可以以串聯(lián)電路關系連在一起，形成一種擴大了的電路。
帶有墊片的陣列可進行劃割，互相分開并去角，使矩形陣列只在一側有向外延伸的作為接觸的第二鋁箔部分。這些接觸與其他任何形狀的陣列的第一鋁箔部分連接，提供帶有輸入與輸出的組件。
結論是具有裸露在陣列正面的各個硅球的凸出部分的太陽能陣列提供了增加吸收太陽光線的有效表面。進一步顯而易見的是，利用相對少數(shù)量的廉價材料和工藝步驟，提供了這樣一個柔軟的，在鋁箔上有一個輕微反射層的陣列。


圖1是依照本發(fā)明制造太陽能陣列的工藝流程示意圖。
圖2是圖1流程的工藝示意圖。
圖3是陣列在一維方向相互連接程序的示意圖。
圖4是陣列在二維平面相互連接程序的示意圖。
圖5是陣列在三維空間相互連接程序的示意圖。
圖6是依照本發(fā)明的組件圖。
參照圖1和圖2，可見依照本發(fā)明利用本發(fā)明的特點制造太陽能陣列的工藝流程示意圖。開始，準備約2密爾厚的鋁箔[1]，鋁箔[1]是可彎曲的，同時通常在其表面上有一很薄的天然氧化層自然裸露于環(huán)境。與這里的說明著眼于單個的太陽能陣列元件的同時，應該明白，正如在此以前的已有技術中已舉例說明的那樣，總陣列是由單一陣列元件組合而成。
如[a]所示，鋁箔[1]最初先壓成六邊形間隔排列的布局，例如，六邊形中心部位為16密爾厚，厚度減小的壓刻面[3]的直徑比要置放在里面的球體直徑略小。壓刻面可以是園形或其他幾何形狀，如六邊形。在壓刻面是多邊形的情況下，通過這多邊形中心并橫跨多邊形的直線將短于將要置放的球的直徑。然后如[b]所示，清洗箔以去除有機物，用加熱的氫氧化鈉或氫氧化鉀蝕刻以除去箔片上壓刻面[3]的區(qū)域，在這地方形成小孔[5]。在蝕刻期間，壓刻面[3]先于箔片的其它部分被除去，因為壓刻面[3]比箔片的其它部分薄，故也蝕刻得快，并由于在其壓刻時進行過冷加工。這稱為鋁基體。
此時箔可選用50%的39A蝕刻液進行蝕刻使其具有某種結構(蝕刻劑39A是15%氫氟酸，60%硝酸和15%冰醋酸)，從而提供一個使背面反射減至最小的基體表面。
許多如(c)所示具有N型表層[9]和P型內(nèi)芯[11]的硅球[7]放在箔片[1]的基體背面[13]上，并在箔片的正面[15]設置真空吸盤把球[7]吸入孔[5]中。因為最初在箔片背面有多于小孔[5]數(shù)量的硅球[7]，所有的小孔都將被硅球[7]填充，然后用刷或其他類似的方法把過量的球[7]從箔片的背面去掉。這里采用的硅球的直徑最好是14.5密爾，如上所述，孔[5]的截面直徑小于14.5密爾，從而在箔片的正面形成真空，其理由在下文說明。
球[7]被接合在如(d)所示的鋁箔[1]的小孔[5]內(nèi)，如(d)所示，通過加熱該箔片，并加上沖擊壓力，硅球[7]被很快地壓入小孔[5]中，在孔的內(nèi)部引起一個剪切動作，該動作刮去在孔邊上箔片內(nèi)表面處的氧化鋁，暴露出未氧化的元素鋁。因為已說明過，鋁已被加熱到約530℃的溫度，此時，硅球[7]被壓入小孔[5]中，所以鋁是容易起反應的，在機械性能上多少有些粘并容易變形。因此元素鋁與球上很薄的天然氧化硅層反應并把它去除，所以現(xiàn)在箔片[1]上的鋁可以直接接合到硅球的N型表層[9]上的元素硅而形成接觸。
球[7]被放置在孔[5]內(nèi)，所以它的大園處在箔片[1]的前面或者在其正面[15]。用放在鋁箔[1]上面與下面的壓力墊可以實現(xiàn)這樣的安排。壓力墊是用涂有諸如氮化硼粉末這樣的釋放劑的約8密爾厚的鋁箔制成的。它作為緩沖墊在沖擊期間使沖壓錘不致沖壞球。此外，壓力墊吸收錘的撞擊。在箔片[1]的側面[13]上的頂壓力墊比在箔片[1]的側面[15]上的底壓力墊厚，以使硅球的大圓象上面所述那樣偏離箔片[1]。對一個2平方厘米的陣列，用約48英尺磅的沖擊能進行操作已獲得成功。于是，正如上所述，現(xiàn)在鋁被直接接合到硅上去了。
然后，如(e)所示，用39A蝕刻劑蝕刻箔片[1]背面[13]和在這一面上的硅球部分，去除陣列背面上部分N型表層[9]并暴露出P型區(qū)。帶有天然氧化物的鋁箔[1]對蝕刻劑的作用像一防護罩，僅允許去除陣列背面〔13〕的部分表層[9]。然后用去離子水漂洗陣列去掉蝕刻劑，如(f)所示，再把陣列作陽極化處理以鈍化裸露的硅，將箔片在約20伏電壓下浸入10%的硫酸溶液中約半分鐘。然后箔片在約20伏電壓下浸在0.5%的磷酸溶液中鈍化半分鐘。必須使用磷酸，并且發(fā)現(xiàn)使用磷酸能封閉氧化鋁中的小孔，在先前已被蝕刻的硅表面上形成大約1000A厚的氧化鋁21。
然后用熟知的方法在陽極氧化期間形成的背面[21]上機械研磨陽極氧化過的陣列的硅球[7]。這種研磨把氧化硅[21]和一些硅都去掉從而平整硅球[7]的背面[17]，并在[17]上產(chǎn)生一個粗糙的表面使其能夠形成歐姆接觸。然后如圖(h)所示，將一張約為1/2密爾的薄鋁箔放置在各個硅球[7]的背面[17]上，因此它覆在研磨過的平面區(qū)域[17]和在上述條件下被加熱至約為530℃的溫度的鋁箔上，該溫度最好在大約500至577℃的范圍內(nèi)。然后用沖擊壓力把加熱過的鋁箔[19]壓緊硅球[7]，從而在由于沖擊暴露出的鋁與由于研磨和沖擊元素鋁而暴露在硅球[7]背面上的硅之間形成一接合。箔片[19]與硅區(qū)[11]的接觸用參照(d)所描述的同樣的方法接合而成。由于鋁箔片[1]的陽極氧化，所述箔的表面有一厚層氧化鋁，以防止箔片[1]與箔[19]間發(fā)生短路。[如圖(i)所示，可在陣列的前表面上涂上一層標準抗反射涂層，以改善硅的光吸收率。]由此可見，已經(jīng)提供了一個太陽能電池陣列，其中硅球的主要部分被暴露于入射的太陽光線，該陣列是柔性的，所采用的工藝和材料相對來講都不昂貴且數(shù)量少。
在實際工藝流程中，上面揭示出的陣列通常以一卷一卷的方式形成，而不是形成單個陣列。然后陣列可以形成組件，例如1米乘2米的大小，并在此形狀下進行試驗，以上述這種方法制成的每個陣列，通常每邊約有10厘米。
要以成卷形式提供上述太陽能陣列，然后形成組件，其程序將按照圖3至圖6中所表示的進行。先參見圖3，可見陣列互連系統(tǒng)的一維示意圖，在圖3(a)中可見，單一陣列[30]的硅球[31]被定位在正面的接觸箔片[33]中，背面的箔片[35]還沒有附著到球上。墊片[37]被插在陣列[30]之間，從圖4(a)中看得更清楚。從圖4(a)中可見，正面箔片[33]比背面箔片[35]小一些，其原因從下面可顯而易見。
現(xiàn)在參見圖3(b)，可見背面箔片[35]已與硅球[31]以及墊片[37]接觸，正面箔片[33]也與墊片接觸。這在圖1的(h)步工序中完成，背面箔片[35]被接合到硅球[31]上也作為該工序的一部分。箔片[33]與[35]將不與墊片[37]粘合，僅僅是接觸而已。然后箔片在墊片上圖3(b)中V形件所指的位置上被刻割，以在陣列相互分開和墊片移去后提供如圖3(c)和圖4(b)所示的構件。然后，圖3(c)和4(b)所示的陣列去角，如圖4(c)所示，以提供四個凸緣，這些凸緣是背面箔片[35]的的一部分，處于陣列方塊的每一邊，標以A，B，C，D。然后把B，C，D凸緣折疊到陣列下面，如圖3(d)及圖4(d)所示，然后用超聲焊接或類似方法把凸緣A接合到下一個陣列的凸緣B，C，D中的一個，使該陣列與下陣列相連，如圖31(e)所示。
用互連工序可提供如圖5所示的三維排列，其中帶有延伸凸緣A的一個陣列被定位，這樣凸緣A連接下一個陣列的凸緣B，C或D中的一個，以這樣的程序繼續(xù)在一直線方向或其他途徑上連續(xù)下去以形成整個組件，圖6所示的完整組件中，凸緣A固定于毗鄰的陣列〔30〕的B，C或D凸緣上，形成一前后相連的電路將60個這種陣列形成串聯(lián)電路。同時也提供了把組件連到輸入[41]和輸出[43]的凸緣。
在完成圖6的組件后，就根據(jù)圖2做測試，假如測試成功，就可以把組件安裝在背貼材料或類似的材料上，然后在接合處用超聲焊接將凸緣接合在一起，此后，組件被密封起來，與環(huán)境隔開。然后密封組件按標準方法再進行測試，從而為用戶提供出可使用的組件。
雖然本發(fā)明對特定的較佳實施例作了說明，但有許多變形和改進對那些熟知本專業(yè)的人是顯而易見的。因此，其權利要求應擴展到包括所有這樣的變形和改進。
權利要求
1.一種把半導體材料接合到鋁箔上去的方法，其特征在于，它包括的步驟有a，提供帶有間隔開的小孔的鋁箔，b，將球形半導體材料置于鄰近所述小孔的地方，c，在從大約500℃起始的溫度范圍內(nèi)加熱所述箔片和所述材料，d，移動所述材料進入所述小孔，在壓力的作用下移動所述材料，從而使所述材料和所述箔片表面上的自然氧化物被剪切開，暴露出底下的材料，以用于互相接合。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(d)包括在沖擊下的移動。
全文摘要
一種把半導體材料接合到鋁箔上的方法，它包括a)提供帶有間隔開的小孔的鋁箔片；b)將球形半導體材料置于鄰近所述小孔的地方；c)在從大約500℃起始的溫度范圍內(nèi)加熱所述箔片和所述材料；d)移動所述材料進入所述小孔，在壓力作用下移動所述材料，從而使所述材料和所述箔片表面上的自然氧化物被剪切開，暴露出底下的材料，以用于互相接合。
文檔編號H01L31/04GK1042275SQ8910810
公開日1990年5月16日 申請日期1989年10月19日 優(yōu)先權日1984年9月4日
發(fā)明者朱爾斯·D·利維, 米勒德·J·詹姆, 羅納德·E·漢爾, 戴維·E·瓦特 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司