CN101657904B - 锥状三维薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种锥状三维薄膜太阳能电池，包括：锥状三维薄膜太阳能电池基板，包括发射结区和掺杂基区；发射极金属化区域；和基底金属化区域，其中，所述锥状三维薄膜太阳能电池基板包括多个锥形单元电池。可选的，该锥状三维薄膜太阳能电池可安装在背侧镜上，以提高光捕获能力和转换效率。

Description

锥状三维薄膜太阳能电池
本申请要求2006年10月9日申请的临时专利申请60/828678以及2007年1月24日申请的临时专利申请60/886303的权益，将其引用结合于本文。 
技术领域
本申请总体上涉及光伏装置和太阳能电池，更具体地，涉及三维(3-D)薄膜太阳能电池(TFSC)及其制造方法。再具体地，本申请的主题涉及锥状三维TFSC及其制造方法。 
背景技术
全球范围内，对可再生、高效且价格经济的能源的需求不断增长。越来越昂贵、不可靠且危害环境的矿物燃料以及全球对包括电力在内的能源的需求增长都产生了对替代性、安全、清洁、可广泛获取、价格经济、环境友好的以及可再生型的能源的需求。使用太阳能电池的太阳能光伏(PV)发电特别适合满足居住、商业、工业以及集中公用应用的需求。太阳能具有吸引力的关键在于阳光丰富、全球性和为使用点(point-of-use)供应，太阳能发电的环境友好性、可量测性(从毫瓦到兆瓦)和安全的使用点，以及良好分布的能源经济性。太阳在一个小时内向地球提供的能量比整个世界每年的能源消耗量都要大。很多地球表面具有大量年日照小时数，这可以有效地用于清洁和安全的发电。驱动这个市场前进的关键在于公众对环境友好技术的觉悟。然而，由于较低的太阳能电池效率(例如，对大部分薄膜技术而言低于12％，对大部分晶体硅太阳能电池技术而言大约12％-18％)、原材料(例如，硅晶片太阳能电池所用的硅)和制造工艺高昂的成本、价格经济且有效的电力存储有限、以及总体上缺乏支持太阳能电池发展的基础工厂，使得至今此种能源方案都只能有限使用(目前通过太阳能光伏产生的电力不足全球总发电量的0.1％)。 
对商用而言，终端用户的能源成本(例如，对电力以美分/kwh计费)应足够低，与使用常规电源的公用电网(utility grid)所产生的电力相当或者比 其更好。占全球总发电量的不足0.1％的太阳能光伏发电如果在成本上与常规电网相当，那么就可得到显著的发展。由于太阳能电池和模块的成本(通常表示为$/Wp)减少，连接电网的(grid-tied)太阳能光伏应用也更快地获得认可，使得它们对于大力发展发电成为有吸引力的选择。 
在成本敏感的太阳能电池市场，存在两个主要的技术选择。一方面，晶体硅(c-Si)片可作为太阳能电池的形成基础(目前占据太阳能PV市场超过90％的份额)。另一方面，使用硅和其它半导体吸收材料(例如非晶硅、CdTe或CIGS)的薄膜(非晶态和多晶态)技术与基于晶体硅晶片的太阳能电池相比可提供更大的成本优势。这些不同的技术处于成本-性能尺度的两端。晶体硅晶片提供更好的性能，但是更高的成本(由于起始单晶和多晶硅晶片相对高昂的成本)。薄膜技术可提供更低的制造成本，但是通常性能水平也较低(即，低效)。对于这两种技术，每瓦特价格(price-per-watt)通常随着电池效率增加而增加(由于更高的材料和/或制造成本)。 
由于在过去十年里每年超过40％的快速年增长率以及半导体微电子和太阳能PV工业对硅材料的需求，太阳能PV工业已经经历了多晶硅原料供应短缺。多晶硅原料短缺极大地限制了太阳能PV工业的发展，特别是在过去的几年里。事实上，当前的太阳能电池工业消耗了全球生产的超过一半的高纯度多晶硅原料。在过去的几年里，多晶硅的合同成本已经从大约30$/kg上升到85$/kg，现款成本超过250$/kg。这导致单晶和多晶硅晶片的成本大幅上升，其占现在总太阳能模块制造成本的大概一半。 
主流的晶体硅(c-Si)片太阳能电池工业中的趋势已经将晶片厚度减小到200微米以下(以减小太阳能电池额定峰值功率的每瓦特所使用硅材料的数量(以克为单位))。例如，预计到2012年，单晶硅晶片太阳能电池的厚度从当前大约200微米的晶片厚度减小到大约120微米。预计到2012年，多晶硅晶片太阳能电池的厚度从当前大约260微米的晶片厚度减小到大约180微米。然而，这种晶片厚度的减小对机械强度、制造成品率以及太阳能电池效率都提出了更多挑战。尽管成本高昂，晶体硅(c-Si)技术仍占领大部分太阳能电池市场，这主要是因为更高的效率以及与已有的微电子工业和供应链的协同。目前，c-Si占据了略超过90％的太阳能电池市场(如果包括带型硅(ribbon silicon)，则为95％)。 
历史性地，晶体硅太阳能电池已经由于每次全球电池总产量翻倍(以兆 瓦或MWp以及千兆瓦或GWp计算)而获得20％的成本缩减。已预计，在5-10年内，通过革新地成本缩减和效率提高方法，从连接电网的屋顶太阳能光伏模块获得的电力的成本可与从公用电网获得的电力的成本相当。2005年对市售单晶硅和单晶硅太阳能模块的调查表明：以后太阳能模块效率在9.1％-16.1％的范围内，中间效率值为大约12.5％。商业晶体硅模块通常由于各种因素具有(相对的)1％-3％的初始效率快速降低，这些因素包括在晶片的太阳能电池中的光降解效应(例如，晶片少数载流子寿命缩短)。预计到2012年，单晶硅晶片太阳能电池的效率从当前大约16.5％的效率增加到大约20.5％(最先进的市售单晶硅太阳能电池和太阳能模块的效率分别为大约21.5％和18％)。预计到2012年，多晶硅晶片太阳能电池的效率从当前大约15.5％的效率水平增加到大约18％。 
当前技术水平的晶体硅太阳能电池制造使用每峰值瓦特大约10克的高纯度多晶硅原料(g/Wp)，使得多晶硅原料成本大约是$0.85/Wp(假设多晶硅的成本为$85/kg)。在以后的五年中，预计太阳能电池晶片厚度的减小(例如减小至200微米晶片)以及太阳能级多晶硅长期采用成本大约$20/kg会将多晶硅原料成本(以g/Wp计)减少为大约1/4-1/8，至大约$0.10/Wp-$0.20/Wp。如此，任何有竞争力的太阳能电池技术都应针对上述减少的原料成本数来基准化(benchmark)它们的制造成本目标。对于给定的电池效率，通过减少峰值太阳能功率每瓦特消耗的多晶硅原料量，硅晶片厚度减小为太阳能电池成本降低带来了主要的机会。 
现有硅太阳能电池中与钢丝锯相关的成本(大概$0.25/Wp)提供硅晶片太阳能电池中与晶片相关的成本部分。消除与锯和切相关的切口损失(kerfloss)的革新的和节省成本的技术应便于进一步减少硅太阳能电池成本。预计到2012年，基于晶片的晶体硅太阳能模块制造成本(当前是$2.10每瓦特到多于$2.70每瓦特的量级)可减少到大约$1.50/Wp到$1.80/Wp的范围，这部分是由于到2012年晶片锯切口损失从目前的大约200微米减小到大约130微米。基于晶片的晶体硅太阳能电池的总成本减少可由于各种原因引起：更便宜的多晶硅原料、更薄的晶片、更高的电池水平(cell-level)的效率、更低的晶片锯切口损失以及计量或制造容量(scale or manufacturing volume)更好的经济性。 
目前技术水平的晶体硅太阳能电池制造工厂(“solar fabs”)当前通常生 产125mm×125mm至156mm×156mm的太阳能电池。晶体硅晶片太阳能电池趋向使用更薄和更大的晶片。预计到大约2009-2010年，在发电模块中使用的最先进的太阳能电池中的单晶硅和铸造(以及带状)多晶硅太阳能电池晶片厚度能分别减小到大约150-200微米。任何与上述现有的以及预计在2009-2010年实现的数字相比能够大幅降低电池功率的每Wp硅材料消耗(例如，晶片或膜厚度)的节省成本的、高效率的、革新的硅太阳能电池技术都可作为可行的商业太阳能电池技术为太阳能光电应用(例如，居住、商业、工业屋顶以及大型集中公用的发电应用)提供极大的可能性。 
由于材料消耗和成本减少以及减少的系统平衡(BOS，balance-of-system)成本(例如，与面积相关的太阳能模块安装和逆变器成本)，更高的太阳能电池效率在整个太阳能电池价值链以及均等化能源成本(LCOE，以$/kwh为单位)上都具有令人满意的效果。当前主流商业晶体硅太阳能电池提供14％-17％量级的效率。期望到2009年，预计的在商业太阳能电池中的晶体硅太阳能电池效率对于单晶硅和多晶硅太阳能电池可分别接近大约19％和17％。新的太阳能电池商业机会的关键领域在于发展革新的电池结构和简化工艺流程，这样可驱动效率上升并降低太阳能电池和模块的总体制造成本。对于超过主流的基于晶片的晶体硅太阳能电池技术的可选方式(例如薄膜PV)而言，当新技术完全商业化时，它们应提供与预计的基于晶片的主流晶体硅太阳能电池的效率和成本数相比更高的效率以及甚至更低的制造成本。 
与高容量太阳能工厂制造能力(high-volume solar fab capacity)相关的规模经济工厂成本降低是影响LCOE的关键因素。目前技术水平的高容量太阳能光伏工厂年生产能力在50MWp-100MWp(MWp＝1百万Wp)的量级或者超过该量级。高容量太阳能光伏工厂能力被期望在未来十年内大致增加到几百MWp甚至接近1GWp(GWp＝十亿Wp)的年生产率。虽然在100MWp-1GWp范围内的非常大容量的太阳能工厂应通过大容量制造的规模经济而有利于实现长期成本降低(包括LCOE)，但是很容易超过$100M的较高的初始工厂投资成本可能对太阳能光伏工厂建设选择带来某种限制。理想地，优选发展革新的晶体硅太阳能电池设计以及简化的制造工艺，这会利于大大减少太阳能电池和模块的制造成本，即使采用规模更小(以及资金量更小)的工厂以及中等的制造量(例如，年生产量在5MWp-50MWp的范围)。这种技术使得可采用中等容量的太阳能光伏工厂以及中等的工厂设置 和操作成本。减少工厂设置和操作成本将进一步便于全球发展价格经济的太阳能模块，从而可建造大量可承受的中等容量工厂(与必须建造非常昂贵的高容量工厂以便获得有效的规模经济从而减少制造成本相比)。当然，满足价格经济的、中等容量工厂(即，满足LCOE发展趋势要求，即使在用于简化的太阳能电池加工的中等生产容量、低成本工厂装置的情况下)的革新的太阳能电池技术也可应用于非常高容量的太阳能工厂(例如，大于100MWp)。这样的太阳能光伏工厂可进一步具有与增加容量相关的规模经济的优势。 
由于与太阳能光谱良好匹配的吸收波段，薄膜太阳能电池(TFSC)技术(例如，非晶硅、CdTe和CIGS)需要极少的吸收材料用于吸收典型的标准“Air Mass 1.5”(AM-1.5)太阳能照明。TFSC吸收材料可淀积在成本低的基板上，这些基板例如玻璃、或挠性金属或非金属基板。TFSC通常成本低、模块重量减少、材料消耗减少以及具有使用挠性基板的能力，但通常在效率方面低很多(例如，通常5％-12％)。在现有的晶体硅薄膜情况下，将平的硅膜用于成本低且性能高的太阳能电池存在几个以下主要问题以及挑战，这包括：相对低的太阳能模块效率(通常7％-12％)、模块效率场退化(fielddegradation)、稀少而且昂贵的吸收材料(例如用于CIGS的In和Se以及用于CdTe的Te)、有限的系统场可靠性确认以及非硅技术(例如CIS/CIGS和CdTe)对环境的负作用。 
图1的现有技术显示了用于通过外延硅制得的平的硅薄膜吸收层制造c-Si TFSC的工艺流程10。该现有技术TFSC制造工艺流程使用几个荫罩掩模工艺步骤以形成电池结构。简单而言，电池吸收体是通过硅外延生长工艺形成的c-Si平薄膜。电池使用前侧硅形貌构造(texturing)以改进光捕获能力(light trapping)，并使用单独的背侧铝镜以改进电池效率。步骤12开始于单晶P+CZ硅。步骤14涉及对硅进行电化学HF蚀刻以形成两层多孔硅，包括20％孔隙率的1微米顶层以及大于50％孔隙率的200纳米背侧层。步骤16涉及在1100℃进行30分钟氢(H2)退火。步骤18涉及在1100℃使用三氯硅烷或SiHCl3进行外延硅生长(淀积速率1微米每分钟)，形成2微米的p+-Si和30微米的P-Si。步骤20涉及通过湿KOH蚀刻进行前侧表面形貌构造以便形成立式表面锥状。步骤22涉及第一荫罩掩模工艺，包括通过荫罩掩模进行LPCVD氮化硅(SiNx)淀积以限定出发射极扩散窗。步骤24涉 及在830℃下固态源磷的扩散(以对n+掺杂结获得80Ω/平方)。步骤26涉及第二荫罩掩模工艺，包括通过荫罩掩模蒸镀进行前侧金属化(钛/Pd/银网格)。步骤28涉及通过氢化PVD或PECVD SiNx进行发射极表面钝化。步骤30涉及通过导电粘接剂的触点前侧母线(busbar)。步骤32涉及使用透明的粘接剂将电池前侧粘接到涂布有MgF2的玻璃上。步骤34涉及通过机械应力将电池从硅晶片上分离。步骤36涉及第三荫罩掩模工艺，包括使用蒸镀通过荫罩掩模进行背侧铝金属化。最后，步骤38涉及联接铝反射体使其与电池背侧间隔开200微米。 
图2的现有技术显示在具有自对准选择性发射极的硅晶片上制造太阳能电池和金属化的另一工艺流程方法40。这个现有工艺使用激光加工来对顶部电池介电层进行构图，同时熔化底层硅以形成重度掺杂n++发射极触点扩散区域(在通过快速热退火形成轻度扩散选择性发射极区域之后)。步骤42开始于单晶p型硅。步骤44涉及在90℃下在稀释的NaOH中进行锯损伤移除蚀刻以及各向异性形貌构造蚀刻。步骤46涉及旋涂和干燥磷扩散源。步骤48涉及快速热退火，用于形成轻度扩散发射极(80-220Ω/平方)。步骤50涉及通过真空蒸镀或者丝网印刷铝或银/铝合金来涂敷背侧金属触点并随后干燥。步骤52涉及对丝网印刷的触点进行背侧金属烧结/焙烧(例如在氧气/氮气的环境中于820℃下)(点燃金属糊，同时氧化电介质，从而升高其对金属镀覆溶液的电阻)。步骤54涉及激光加工以对顶介电层构图，同时熔化底层硅以形成n++触点扩散区。步骤56涉及稀释HF蚀刻以制备金属镀覆表面。步骤58涉及在90℃下进行5分钟的无电镍镀覆。步骤60涉及在350-450℃下进行镍烧结(在氮气、氩气或合成气体中)。步骤62涉及额外进行2分钟镍镀覆，随后长时间地进行无电铜镀覆，从而形成厚的高导电铜膜。步骤64涉及在铜表面上闪浸银(flash immersion silver)淀积。最后，步骤66涉及边缘结隔离(例如，使用激光刻槽、边缘离解或等离子体蚀刻)。 
现有的晶体硅(c-Si)薄膜太阳能电池(TFSC)技术，在对薄硅膜形成充分的表面形貌构造以减少表面反射损失同时减小晶体硅的膜厚度的方面存在困难。由于成品率和电池性能方面的考虑，这将限制最小的平的(共面的)单晶硅厚度。在平的或共面的膜的情况下，由于未经过形貌构造的晶体硅膜的反射率相当高(可能超过30％)并且导致极大的光反射损失和外量子效率下降，使用表面形貌构造是重要的。因此，减少共面外延硅膜中因反射 引起的光子损失需要有效的表面形貌构造，这本身会对最小外延硅层厚度构成限制。根据膜表面形貌构造要求和工艺最小晶体硅层厚度可在至少10微米量级(使得形貌构造工艺不会切穿晶体硅层的任何部分)。 
另外，在薄的平面晶体硅膜中极大减小平均光路长度导致光子吸收减少，特别是对于具有接近硅的红外带隙(800-1100纳米)的能量的光子而言，从而减小了太阳能电池的量子效率(减小了短路电流或Jsc)。这造成太阳能电池效率由于电池量子效率减小和Jsc减小而严重退化。例如，在厚度为20微米的共面(平的)晶体硅吸收层中，以近似直角入射到电池上的太阳光将具有等于膜厚度的有效光路长度，对于具有接近硅的红外带隙(即，波长为大致800-1100纳米)的能量的太阳辐射光子来说，这样的有效光路长度太短了，不足使其在硅薄膜中被有效吸收。实际上，有效电池硅厚度减小至低于大致50微米会显著减少Jsc以及太阳能电池效率，并且当硅膜厚度减小到低于大约20微米时，这种退化效应会加速发生。由此，共面薄晶体硅膜也可能需要使用顶面形貌构造和背侧向后反射从晶体硅膜的背侧面出射的光这两种手段的有效光捕获能力，以便获得等于晶体硅膜厚度的多倍的有效光路长度。 
使用上述方式的现有技术绝大多数使用了通过光在晶体硅膜/硅基板上的内部反射实现的背侧反射，或者来自覆盖层背侧触点(例如，背侧场铝触点/镜)的反射。这些技术提供的背侧反射可能不是很大(例如，大约70％有效近红外背侧反射)，限制了可以另外通过最优背侧反射器获得的性能增益。这种方法存在的问题是主要的入射光束总是仅一次通过晶体硅膜。主要的入射光束的光子再一次通过依赖于背侧面反射。 
还有一个问题是在电池和模块加工步骤中薄膜缺少刚性和机械支撑。这个问题涉及大面积(例如，200mm×200mm)薄硅膜的机械强度。众所周知，减小大面积晶体硅晶片厚度到100微米以下会极大地损害电池基板的机械强度/刚性，而这样薄的晶片在电池制造工艺流程中易呈挠性且非常难以在不碰碎的情况下处理。 
薄于例如50微米的大面积的共面(平的)的晶体硅膜必须适当地安装和支撑于成本低廉的支撑或处理基板上，以便在太阳能电池和模块制造中获得可接受的成品率。一种方式是在相对低成本(例如冶金级)的硅基板(外延层在上面覆盖生长)上生长和保持薄外延膜；然而，这种方法存在一些内 在的问题，限制了最终的太阳能电池效率。另一种方式是将外延硅膜从其(可再使用的)母硅基板释放或剥离，并且随后将其放置在更便宜的非硅的支撑或处理基板上，以便在太阳能电池工艺流程中提供机械强度。这种方法可能的问题是在高温氧化和退火工艺中支撑/处理基板和硅膜之间的热膨胀系数(TCE)不匹配，以及可能由于非硅支撑基板污染薄的外延硅膜(两者都可能造成制造成品率和性能/效率下降的问题)。 
使用硅外延的单晶硅膜生长工艺的成本，特别是对于更厚的厚度超过30微米的外延膜而言，是额外需要考虑的问题。使用相对小的外延膜厚度(在一个实施例中，远低于30微米)可相当可观地减少外延的成本，然而这将对平的硅薄膜太阳能电池的制造提出各种挑战。如上所述，更薄的共面(平的)外延膜(例如在远低于30微米的范围内)产生大量问题和挑战，包括缺少膜机械强度、限制获得低表面反射率和小的光反射损失的对硅薄膜的有效表面形貌构造的约束、相对短的光路长度和减少的电池量子效率。有效光捕获能力对于提高薄膜c-Si太阳能电池效率是重要的。对有效光捕获能力的要求基于前表面形貌构造和后表面镜的组合，同时获得有效的低的表面重组速度(对于高电池效率而言)。这在共面(平的)c-Si薄膜太阳能电池中是非常难获得的。 
高性能c-Si薄膜太阳能电池需要一些构图步骤或者或者构图加工步骤(例如，用于形成选择性的发射极、前侧发射极或背侧发射极卷绕金属化触点、背侧基底金属化触点等)。这些构图步骤通常是使用光刻、丝网印刷和/或荫罩掩模淀积(例如荫罩掩模喷镀或蒸镀)工艺实现的。使用光刻和/或丝网印刷和/或荫罩掩模淀积构图步骤通常增加了制造工艺流程的复杂性和成本，并且也可能有害地影响制造成品率以及最终可获得的太阳能电池效率。 
因此，需要一种克服了上述问题的薄膜太阳能电池(TFSC)。 
还需要能够克服现有主流c-Si太阳能电池技术的缺点。这包括减少太阳能的每峰值瓦特的硅原料消耗，以及消除与锯和切相关的切口损失，如此极大减少太阳能电池的总制造成本。 
还需要一种革新的太阳能电池结构和简化的工艺流程，增加电池和模块效率，同时极大地降低总太阳能电池和模块的制造成本。仍需要革新的c-Si太阳能电池设计和简化的自对准制造工艺，这将有助于即使在具有中等生产容量的工厂中也极大地减少太阳能电池和模块成本，使得采用低-中等容量 的太阳能电池工厂具有适当的工厂设置和操作成本(如此，以远比现有工厂低的工厂容量就可减少生产成本以获得规模经济效应)。 
还需要克服现有TFSC技术的缺点。这包括克服与对薄的平面硅膜形成充分的表面形貌构造以减小表面反射损失相关的困难，充分表面形貌构造目前由于生产成品率和电池性能方面的考虑而对最小平(共面)晶体硅厚度设置了限制。还存在对于基于前表面形貌构造和后表面镜的组合的有效光捕获并同时获得低的表面重组速率(对于获得高的电池效率而言)的需求。 
另需要克服现有TFSC技术的额外缺点。这包括在电池和模块加工步骤中缺少刚性和机械支撑，如此必须使用用于TFSC基板的支撑或处理基板(由硅或另一种材料制成)。这还包括外延硅膜生长工艺的成本，特别是对于平面晶体硅TFSC需要的较厚的外延膜。这还包括需要多个光刻和/或丝网印刷和/或荫罩掩模加工/构图步骤，这通常会增加最终工艺流程复杂性和成本，并可能对制造成品率以及最终可获得的太阳能电池效率有负面影响。 
发明内容
根据本申请的公开，提供一种锥状三维薄膜太阳能电池(3D TFSC)。本申请公开的主题的锥状3D TFSC基本消除或减少了与现有TFSC相关的在效率和制造成本方面的缺点和问题。 
根据本申请公开的主题的一方面，提供一种锥状3D TFSC，包括锥状3D TFSC基板，其中该锥状3D TFSC基板包括多个锥形单元电池。 
根据本申请公开的主题的又一方面，提供一种锥状3D TFSC，包括锥状3D TFSC基板，其中该锥状3D TFSC基板包括多个具有锥状腔体的锥形单元电池。 
可选的，锥状3D TFSC可安装在背侧镜上，以改善光捕获能力和转换效率。 
根据本申请公开的主题的再一方面，提供一种锥状3D TFSC。该锥状3D TFSC包括锥状3D TFSC基板，具有发射结区和掺杂基区。该锥状3DTFSC还包括发射极金属化区域和基底金属化区域。锥状3D TFSC基板包括多个锥形单元电池。 
更具体地，本申请公开的主题包括锥状3D TFSC基板，其由硅制成，再具体地，由晶体硅制成。 
更具体地，本申请公开的主题包括锥状3D TFSC基板，其具有锥阵列设计，再具体地，具有六棱锥设计或多棱锥设计等。 
更具体地，本申请公开的主题包括锥状3D TFSC基板，其具有集成背侧镜或单独的背侧镜。 
本申请公开的主题的这些或其它优点以及另外的新的特征将从下面的描述中获得。这里所作的总结不是为了对本发明做出全面描述，而只是对部分主题功能提供概览。在浏览了后面的附图和详细说明后，本领域技术人员将领会这里的其它系统、方法、特征和优点。所有这样的其它系统、方法、特征和优点将被认为是包含在本说明中以及在所附权利要求的范围内的。 
附图说明
本申请公开主题的特征、特性和优点通过结合附图所作的详细描述而显见，附图中，相同的附图标记指代相同部件。 
图1(现有技术)显示了通过使用硅外延制得的平面硅薄膜吸收层来制造晶体硅(c-Si)薄膜太阳能电池(TFSC)的现有工艺流程。 
图2(现有技术)显示了在包括自对准选择性发射极的硅晶片上制造太阳能电池和金属化的现有工艺流程。 
图3(现有技术)总结了本申请公开与现有技术相比省略的关键工艺步骤。 
图4提供对3D TFSC基板和太阳能电池制造工艺流程的概览。 
图5是具有周边平面硅框架的蜂窝结构六棱锥阵列设计TFSC基板的俯视图。 
图6是另一具有更大厚度的周边平面框架的蜂窝结构六棱锥阵列设计TFSC基板的俯视图。 
图7和8显示了在六棱锥(蜂窝结构)3DTFSC基板的一个实施例上的Y-Y和Z-Z横截轴。 
图9是在自对准形成发射极和基底触点以及太阳能电池互连后的YY截面图。 
图10是与图9的薄框架相比具有厚硅框架的3D自支撑六棱锥TFSC基板的示图。 
图11总结了本申请公开与现有技术相比的高水平的工艺流程和有竞争力的优点。 
图12是模板的实施例的Y-Y截面图。 
图13是在六棱锥3D TFSC基板中的单个单元电池的3D示图。 
图14是3D六棱锥TFSC基板的实施例的示意性ZZ截面图。 
图15是3D六棱锥TFSC基板的实施例的示意性YY截面图。 
图16是具有薄方形硅框架的3D自支撑六棱锥TFSC基板的实施例的YY截面图。 
图17是具有厚方形硅框架的3D自支撑六棱锥TFSC基板的实施例的YY截面图。 
图18-20描绘了制造使用烧穿(fire-through)金属化进行3D TFSC的制造的工艺流程。 
图21-25描绘了使用选择性镀覆金属化进行3D TFSC的制造的工艺流程。 
图26是通过辊涂和串联硬化所施加的液体/糊层在3D TFSC基板顶部脊和背侧面或脊上自对准施加(涂布)掺杂液体或糊层的双面涂布机装置的示意图(与集成带驱动工艺设备一起显示)。 
图27是执行与图26中的辊涂布机和硬化装置相同工艺的另一种喷涂布机和硬化装置的示图。 
图28是使用浸液涂布或液移涂布执行与图26中的辊涂布机和硬化装置以及图27中的喷涂布机和硬化装置的相同工艺的另一可选装置设计的示图。 
图29是在进行上述掺杂工艺步骤后的3D基板的截面图(显示了一个六棱锥电池)。 
图30是在自对准形成发射极和基底触点以及太阳能电池互连后的YY截面图。 
图31和32是在完成太阳能电池制造工艺以及将背侧基底触点焊接到背侧电池镜(以及基底互连)板之后的3D六棱锥太阳能电池的YY截面图(分别显示了单个六棱锥单元电池和几个相邻的单元电池)。 
图33是在前侧蜂窝结构脊上自对准辊涂布n型掺杂糊之后以及在硬化和炉内退火以形成选择性发射极区域和重掺杂发射极触点区域之后的3D六棱锥TFSC基板的YY截面图(显示了一个锥体单元电池)。 
图34类似于图33，除了图34显示了辊涂布p型掺杂层和后续硬化和退火。 
图35是类似于图29的示图的截面图。然而，在图35所示的实施例中，仅在前侧蜂窝结构脊上涂布n型掺杂糊。 
图36是在自对准形成前侧固态掺杂源层和选择性发射极之后的3D六棱锥基板的YY截面图，而图37是ZZ截面图。 
图38是在自对准形成前侧固态掺杂源层、选择性发射极以及自对准前侧发射极和背侧基底触点之后的3D六棱锥基板的YY截面图，而图39是ZZ截面图。 
图40是在形成自对准前侧发射极触点和背侧基底触点之后的六棱锥单元电池的示意性拟3D示图。 
图41是在背侧镜和基底互连上的太阳能组件的另一实施例的示图(在图32中示出的第一实施例)。 
图42是具有四棱锥单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图。 
图43是具有三棱锥单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图。 
图44是具有正交V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图。 
图45是具有图44所示的正交V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的另一截面图。 
图46是具有另一正交V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图。 
图47是具有图46所示的正交V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的另一截面图。 
图48和49示意性示出使用直接激光微加工或光刻构图来制造模板的工艺流程的实施例。 
图50-53显示了制造锥状3D TFSC基板的工艺流程的实施例。 
图54描绘了制造本申请公开的具有顶保护玻璃板和嵌入PCB的太阳能模块的工艺流程的第一实施例(对应于图55的具有PCB和安装在PCB上的TFSC的太阳能模块结构)。 
图55是太阳能模块(太阳能板)结构(由图54所示的工艺流程获得)的截面图。 
图56示意性示出制造太阳能模块的装配工艺流程的另一实施例(对应于图57的太阳能模块结构)。 
图57是太阳能模块结构(由图54所示的工艺流程获得)的另一实施例的截面图。 
图58是集成或装配到建筑物窗户中的太阳能电池的示图。 
图59是在太阳能模块组件中串联本申请公开的TFSC的代表例的示图。 
图60是用于太阳能模块组件的印刷电路板(PCB)的前侧布局的示图。 
图61是用于太阳能模块组件的印刷电路板(PCB)的背侧布局的俯视图，显示了TFSC的串联。 
图62是PCB上的铜图案的背侧图，基本类似于图61。 
图63A是在太阳能模块印刷电路板(PCB)的前侧上的图案的放大俯视图。 
图63B是在太阳能模块印刷电路板(PCB)的背侧上的图案的放大俯视图。 
图64是厚硅框架、硅框架条和制造(例如切)硅条的代表方法的各个示意图。 
图65(类似于图15)用做计算参考。 
图66显示了六棱锥单元电池的六棱锥侧壁面积对平面六角基底面积(Shp/Shb)的比率与高度对基底对角直径比(H/d)的关系。 
图67和68显示了计算得到的太阳能电池六棱锥单元电池的前侧孔径角度与六棱锥单元电池的高度对基底对角直径比(H/d)的关系。 
图69用做计算参考。 
图70和71显示了锥形单元电池的侧壁面积对平圆形基底面积(Scp/Scb)比例与锥形单元电池的高度对基底直径比(H/D)的关系，以及与计算得到的太阳能电池锥形单元电池的前侧孔径角与对锥形单元电池的高度对基底直径比(H/D)的关系。 
图72可用作TFSC互连欧姆损失的近似分析计算的参考，假定具有单元电池的六棱锥阵列的圆形基板的情况下。 
图73和74绘出了对于在3D太阳能电池基板的顶部上的两个不同的发射极互连面积覆盖比，为六棱锥高度对对角基底尺寸(H/d)的比例的函数的预计的(计算的)互连相关太阳能电池功率损失，图73-84示出了对于各个Rth和L/H数值的绘图。 
具体实施方式
本申请公开的优选实施例在附图中示出，附图中相同的附图标记指代相应相同的部件。本申请公开的革新的太阳能电池设计和技术基于使用淀积在或从可重用的晶体(实施例包括单晶或多晶硅)半导体模板上释放的三维(3D)、自支撑、掺杂(在一个实施例中，原位掺杂)半导体薄膜。 
用于3D TFSC基板的优选的半导体材料是晶体硅(c-Si)，虽然可以另 外使用其它材料。一个实施例使用单晶硅作为薄膜半导体材料。另一个实施例使用多晶体硅(multicrystalline silicon)，多晶硅(polycrystalline silicon)，微晶硅，非晶硅，多孔硅和/或其组合。这些设计也可以应用于其它半导体材料，例如锗、锗化硅、碳化硅、晶体复合半导体或其混合。另外的应用包括铜铟镓硒化物(CIGS)和碲化镉半导体薄膜。 
本申请公开的3D TFSC设计和生产技术以及相关的模块结构和组装方式有效地克服了上述问题和挑战，并使得通过在电池制造过程中(即，在制造可重用的3D模板之后的3D TFSC基板和电池制造过程中)使用自对准电池工艺流程而不使用任何光刻构图或丝网印刷或荫罩掩模淀积工艺来经济地制造超高效太阳能电池和模块成为可能。本申请公开的3D TFSC技术是基于在低价格的可重用模板上形成3D锥状阵列TFSC基板结构并随后将其从模板上释放或剥离以形成独立的、自支撑的3D薄膜半导体基板结构而实现的。 
本申请公开结合了在已证实的高效晶体硅(c-Si)平台上制造TFSC的优点。本申请公开的3D c-Si TFSC设计和技术使得在c-Si太阳能电池和模块效率提高以及制造成本减少方面获得巨大进步成为可能。基于革新的薄膜工艺步骤，对昂贵并且有限的硅晶片供应链的依赖不存在了。本申请公开的可在减少制造成本的同时获得超高效率的电池设计和技术的部分独特的优点是：从传统太阳能PV硅供应链基本分离、性能提高、成本减少、可靠性改善。 
本申请公开主题通过使用3D c-Si膜作为吸收层改进了太阳能电池效率，同时实现了高效的光捕获能力。使用晶体硅吸收层考虑(leverage)了现有的太阳能电池制作技术和供应链，同时减小了吸收层厚度(例如，与基于晶片的太阳能电池使用的硅晶片相比，减少到1/10或更小)。所公开的方法和系统消除或基本减少了光降解(photo-degradation)，并提高了电池的开路电压(Voc)。另外，所公开的方法和系统提供有效的前侧和背侧光捕获能力以及高反射背侧镜，用于最大程度地吸收入射太阳光通量。另外，所公开的方法和系统提供了选择性发射极，以提高蓝光响应和外量子效率，并最小化电池的遮蔽(shadowing)并减小欧姆损失，这归结于独特的折叠的发射极金属化触点设计和改进的模块组装。 
减少制造成本是通过用更薄的淀积c-Si膜减少硅使用率(例如，极大的 倍数，3倍到超过10倍)以及减少成品太阳能模块能量投资回收时间至1-2年来实现的。进一步减少制造成本是通过消除与主流太阳能电池晶片制造技术所采用的线锯和相关的切口损失来实现的。再进一步减少制造成本是通过在基板和电池制造工艺流程中使用自对准加工而不采用光刻或构图步骤来实现的，这样减少了制造工艺步骤数，提高了成品率和周期时间。生产成本通过使用简化的互连以及电池模块组装工艺以及轻量型的单片模块进一步减少。 
操作可靠性通过使用更薄的硅膜、消除光降解并减小温度系数实现。操作可靠性还可通过使用简单分布的高导电电互连、减小场失效实现。操作可靠性又可通过消除模块玻璃盖(用于无玻璃模块组件)从而减少成本并便于现场安装和操作实现。操作可靠性另可通过使用串联制造工艺控制来减少制造工艺步骤数和工艺变量实现。 
本申请公开减少了用户的每瓦特太阳能模块成本(至少30％-50％)并削减了集成者和安装者的系统平衡(BOS)和安装成本。这可对全球连接电网的终端用户和太阳能系统安装者和集成者都提供了巨大的好处。本申请公开减少了用户的模块和安装成本以及安装后每Wp的太阳能电池系统成本，由此减少了每Wp的成品系统成本。本申请公开改善了模块效率，更高的模块效率得到降低的BOS成本。更低的安装后太阳能电池系统成本导致经济的收支平衡时间减少到系统寿命的较低比例，对于当前最好品种的c-Si太阳能电池系统从大约1/2减少到1/3，以及对于本申请公开的实施例从小于1/4减少到1/8。本中请公开将能量回报时间(EPBT)从最好品种c-Si太阳能电池系统的3到7年减少到本申请公开的实施例的小于1到2年。减少的EPBT极大增加了现场安装模块的净寿命能量输出(以kWh计)。本申请公开的电池设计和模块组装也在长时间(例如，30-40年的模块寿命)内提供稳定的无劣化的现场操作，还增加了净寿命电能输出。模块组装成本被期望在进入市场时比当前高性能c-Si太阳能电池/模块的低30％-65％。与当前工业趋势(roadmap)和规划相比，这可缩短使用者的ROI收支平衡时间。另外的好处包括增加现场性能稳定性和可靠性并减少环境影响(无毒材料以及缩短EPBT)。另外，本申请公开的电池和模块设计对需要增加有限的建筑物屋顶或立面区域发电量的电网连接的应用是理想的。 
本申请公开的吸收硅膜厚度可为大约1-30微米，更薄的硅层由于消耗 材料少而成为优选(在一个实施例中，在1-10微米的范围)。即使在考虑由于3D TFSC基板的3D几何结构引起的有效表面积增加之后，本申请公开的3D TFSC基板消耗也比目前技术水平的基于晶片的c-Si太阳能电池少很多的硅材料。而且，没有锯或切口损失。类似的，由于3D晶体硅膜是在从可重用模板释放时是可加工的(process-ready)，因此不需要进行消除锯损伤。这极大减少了与硅消耗相关的太阳能电池成本。自支撑3D外延硅薄膜淀积在并从低价格的可重用晶体(单晶或多晶)硅基板(模板)上释放。模板可在被翻修或回收之前多次使用。模板可甚至从更低价格的冶金级c-Si中选择，这是因为可防止金属杂质污染3D晶体硅膜。 
图3总结了现有技术的总体的晶体太阳能电池制造工艺流程并明确了本申请公开与现有技术相比省略的特定工艺步骤。图4总结了总体的电池和模块制造工艺流程以及本申请公开与现有技术相比的优点。如上明确的，本申请公开使得可以在极大减少半导体吸收材料(例如硅)的消耗以及电池和模块制造成本的情况下生产3D TFSC基板和3D TFSC。 
下面的图显示了3D TFSC基板结构的实施例。晶体硅膜厚度在2-30微米的范围内，更优选的，在2-10微米的低端范围内。这远比目前技术水平的硅太阳能电池晶片的厚度(大约200微米)小(大约20×-100×的倍数)。 
这些3D TFSC基板被用于制造3D TFSC锥状TFSC。 
图5是使用TFSC基板102并具有周边平面硅框架104的蜂窝结构六棱锥阵列设计TFSC的俯视图100。该设计包括高宽高比(或低孔径角度)六棱锥单元电池106的周期阵列。在一个实施例中，框架长度(S)104是125mm到超过200mm。硅框架104可具有与TFSC基板102相同的厚度，或者可以厚得多(例如硅框架厚度＝5-500微米)。框架的顶面可优选地用作顶部太阳能电池互连(它可与顶部蜂窝结构触点一起金属化并可与蜂窝结构触点电连接)。在一个实施例中，框架104的宽度108大致为125微米-1mm。TFSC基板的膜厚度110为大约2-30微米，优选为2-10微米。通常，数百万(或几千)的六棱锥单元电池106形成大面积(例如200mm×200mm)TFSC基板102。 
图6是另一蜂窝结构六棱锥阵列设计的TFSC基板102的俯视图120，具有更大厚度108的周边平面硅框架104。 
当参考下列附图时，YY和ZZ轴如图7和8所示。 
图7是使用上述工艺步骤形成的规则(等边)六棱锥3D TFSC基板102的俯视图130。每个六角单元电池106容纳六角单元电池点(H1、H2、H3、H4、H5和H6)132、134、136、138、140和142，六棱锥的底尖端(将形成背侧接触)被示为点144。图7还示出了六棱锥3D TFSC基板侧壁146，单元电池六角体的对角尺寸(d)148，以及六角单元电池水平距离(h)150。在一个实施例中，六棱锥3D TFSC基板侧壁146大约2-30微米厚。 
图8显示了图7所示的TFSC基板的仰视图160。在该视图中，六棱锥背侧(底)尖端144被示出在六角体的中心。蜂窝结构六角体是3D TFSC基板的顶蜂窝结构脊的仰视图。 
图9示出了多个单元电池106的视图170，具有联接到在框架边缘处的太阳能电池六角前侧发射极触点的自对准周边发射极卷绕触点172。请注意，前侧174和背侧176触点可在电池的背侧接触到，以便于自动模块安装。 
相比于图9所示的薄框架，图10示出了具有厚硅框架的3D自支撑六棱锥TFSC基板的视图180。厚框架可具有大约500-1000微米的宽度并可在外延硅淀积工艺过程中(通过将厚硅框架放置在可重用的硅模板上)或在硅外延和3D基板释放之后(通过电子束焊接)熔融到3D TFSC基板102。 
图11提供了3D TFSC基板和电池制造工艺流程的概览。考虑图11顶部图示的3D TFSC基板的制造，请注意该工艺流程中的第一步使用了预制模板。具有预制3D沟或槽图案的模板可用于形成3D TFSC基板，随后将该基板用于形成3D TFSC，实质上消除或减少了与现有TFSC和基于晶片的晶体硅电池技术相关的缺点和问题。模板在被翻修或回收之前可多次使用(例如，几十到几百次)，以制造多个3D TFSC基板。在一个实施例中，模板在被回收之前可使用几百次，以制造多个3D TFSC基板。只要模板保持无位错和/或只要它保持可接受的槽或沟图案，且可接受的槽或沟图案具有在可接受的控制限度内的宽度和表面条件(例如通过在线计量来测得)，模板可重复使用。 
图12显示了模板200的Y-Y截面图，示出了夹在柱204之间的六棱锥沟202，其使用上述工艺流程形成在基板前侧206。沟202的底部208连接到贯通晶片背侧、优选小直径的孔212，该孔连接到模板背侧130。在一个实施例中，孔212直径为1-10微米。孔210被用于随后的牺牲层和3D硅膜释放以及剥离的湿蚀刻中。模板200具有尺寸L 214(在一个实施例中为0-25 微米，虽然其也可以更大，达到几百微米)，3D单元电池高度H 216、锥角α218和单元电池孔径h 20。六棱锥3D TFSC基板(未示出)的制造方法如下：首先在模板上形成适合的相对保形的薄牺牲层(在一个实施例中，为多孔硅)，随后在六棱锥柱206之间的沟202中进行填充，其次通过选择性蚀刻淀积在六棱锥3D TFSC基板和模板之间的牺牲层(未示出)来释放六棱锥3D TFSC基板。 
后面的附图示出了3D TFSC基板结构实施例。晶体硅膜厚度在2-30微米范围内，更优选地，在2-10微米范围内。这基本上比目前技术水平的硅太阳能电池晶片厚度(大约200微米)小(约20×-100×的倍数)。 
图13显示了上述TFSC基板102的单个六棱锥单元电池106的近似3D视图230。单元电池106的顶部六角开口形成薄膜太阳能电池(TFSC)的前侧自对准互连触点。在该图中还示出了形成六棱锥电池106的侧壁的半导体膜的宽度(W)110和电池106的高度(H)232以及d/2234。 
图14示出了3D六棱锥TFSC基板102的ZZ截面图240，显示出六棱锥顶部孔径角β242。三角的底部尖端144是六棱锥的后尖端(可设置基底触点)。实线表示3D TFSC基板的薄膜硅层，具有厚度110(在一个实施例中，大约1-25微米厚)。图15示出了3D六棱锥TFSC基板102的YY截面图250，显示出六棱锥顶部孔径角α252。 
图16示出3D自支撑六棱锥TFSC基板102的一个实施例的YY截面图270(未按比例绘制)，具有薄方形硅框架104(类似图5的框架104)，厚度同膜厚110。硅框架宽度(W)108介于50-250微米。请注意顶部六角蜂窝结构硅脊272的宽度优选远小于h 150和H 232。在一个实施例中，顶部蜂窝结构脊272的宽度为大约0.5至小于5微米。 
图17示出了3D自支撑六棱锥TFSC基板102的一个实施例的YY截面图290(未按比例绘制)，具有较厚的方形硅框架104(类似图6的框架104)。请注意框架厚度不同于膜厚110。另，厚硅框架的厚度可在大约100-500微米。硅框架宽度(W)108在50-250微米之间。厚周边硅框架可优选地由成本低的冶金级硅并可通过下面的一种方法附着到3D TFSC基板：(i)在外延硅生长工艺中放置于可重用的硅模板上并熔融到3D薄硅膜的厚硅框架；(ii)3D TFSC基板与厚硅框架的电子束焊接(在3D TFSC基板从可重用的硅模板剥离或释放之后)；或(iii)将厚硅框架热键合到3D TFSC基板。厚 硅框架可用于提高3D TFSC基板的机械支撑力和刚性。 
下面部分详述了使用上述3D TFSC基板制造3D薄膜太阳能电池(TFSC)的过程。具体地，后面的附图描绘了使用另外的烧穿(fire-through)金属化和选择性镀覆金属化的工艺流程实施例。这些工艺流程没有使用任何光刻或丝网印刷工艺。太阳能电池基板的3D六棱锥结构设计使得在整个电池工艺流程中可以实现自对准加工。发射极和基底触点和金属化区域分别覆盖了较少部分的前侧发射极和背侧基区。如所示，选择性发射极和基区掺杂是通过优选地使用双面辊涂方法将n型和p型掺杂糊自对准应用到3D六棱锥基板的顶部和底部来实现的。3D基板随后可被硬化和移动到直通炉中，以在3D基板的前侧形成n+选择性发射极以及在背侧形成p+-掺杂基底。优选地，n型掺杂源是磷，p型掺杂源是硼。 
图18-20描绘了使用烧穿金属化的工艺流程，图21-25描绘了使用选择性镀覆金属化的工艺流程。 
在图18中示出的工艺流程400描绘了使用烧穿金属化的实施例，在铜(Cu)或银(Ag)镀覆之后进行合成气体退火(FGA)步骤。步骤402开始于p型3D硅TFSC基板。步骤404涉及用n型液体或糊掺杂源来选择性涂布六棱锥的顶部(在一个实施例中，顶部高度2-10微米)。通过使用掺杂糊/液体的自对准辊涂布或浸渍在受控液体掺杂源深度范围的液体浸渍涂布，可实现涂布。掺杂层随后被干燥/硬化(250℃-400℃或UV)。步骤406涉及形成自对准发射极触点。锥尖端的底部部分被p型液体或糊掺杂源选择性涂布(在一个实施例中，高度大约2-10微米)。通过使用掺杂糊/液体的自对准辊涂布或浸渍在受控液体掺杂源深度范围的液体浸渍涂布，可实现涂布。掺杂层随后被干燥/硬化(250℃-400℃或UV)。步骤408涉及自对准选择性发射极形成，其中顶部n+p和n++p结和背侧p+尖端通过退火(例如，800℃-950℃)同时形成。掺杂层干燥和退火可在单个直通炉中顺序进行。优选地，基板可在加热的平面上面向下或两基板正面面对面接触地退火，以便于n+区域气相掺杂形成。在步骤410(表面钝化和ARC)中，掺杂源层和天然氧化物被剥离(在一个实施例中，使用稀释的HG)。薄的氧化物通过蒸汽氧化生长(例如，3-10nm厚，于850℃-950℃)，并且SiNxARC随后通过PECVD淀积。两个层都在两个硅侧形成，其中PECVD-SiNx也提供对硅的H钝化。在步骤412(自对准金属化)中，使用自对准辊涂布用金属(Ag) 糊选择性地涂布六棱锥的顶部(直至低于掺杂源的高度)，随后干燥并硬化。然后通过自对准辊涂布，用金属(Al或Ag)糊在背侧选择性地涂布六棱锥的底尖端，随后干燥并硬化。在步骤414(自对准金属化(焙烧))中，通过烧穿金属氧化物/PECVD-SiNx层，形成前(Ag)和背侧(Al、Ag)金属化区域。步骤416涉及可选的自对准金属化步骤，其中执行FGA(例如300℃-450℃)，以减小正面和背侧互连阻抗值并帮助实现表面/体钝化。步骤418涉及可选的自对准金属化步骤，其中通过镀覆，在金属化顶部蜂窝结构脊以及底部蜂窝结构锥尖端上选择性/同时地淀积Cu或Ag(例如1-5微米)。随后用Ag对金属化区域进行闪镀。在步骤420中，太阳能电池背侧金属化六棱锥尖端被焊接到Cu或Ag镜板或箔(可被穿孔)上，然后用Ag进行闪镀。背侧镜也可用作背侧电连接器。最后，在步骤422中，太阳能电池可被包装成太阳能模决/板。 
在图19中描绘了另一烧穿金属化工艺流程430。发射极触点和互连在顶部蜂窝结构脊上制出，而基底触点和互连在背侧六棱锥尖端上制出。在这个实施例中，背侧基底触点区域在烧穿工艺中以Al重掺杂(没有使用硼掺杂源的单独的p+背侧基区掺杂)。在Cu和/或Ag镀覆之后进行合成气体退火(FGA)。步骤432(提供基板)对应于图18中的步骤402；步骤434(选择性涂布顶部)对应于步骤404。然而，接下来没有执行步骤406(选择性涂布底部)。相反，后续步骤436-450对应于步骤408-422。 
在图20中描绘了另一烧穿金属化工艺流程460。与图19的工艺流程430相比，镀覆Cu和/或Ag之前进行合成气体退火(FGA)。特别地，图19的步骤444和446被反过来，参见图20中的步骤474和476。 
如上所述，图21-25描绘了使用选择性镀覆金属化的工艺流程。 
图21示出的工艺流程490描绘了使用选择性镀覆金属化的实施例。步骤492(提供基板)对应于图18中的步骤402；步骤494(选择性涂布顶部)对应于步骤404；步骤496(选择性涂布底部)对应于步骤406；步骤498对应于步骤408；和步骤500对应于步骤410。然而，步骤502(自对准金属化)涉及通过自对准辊涂以蚀刻糊选择性蚀刻六棱锥的顶部(直至小于掺杂源的高度)，继而漂洗，并在背侧六棱锥尖端上重复该工艺。步骤504(自对准金属化)涉及通过单个镀覆工艺(例如Ag、Ni、Pt、Ti、Co、Ta)同时形成前侧和背侧金属化区域。步骤506涉及可选的自对准金属化步骤，其中 执行合成气体退火(FGA)(例如300-450℃)，以减小前侧和背侧互连阻抗值并帮助实现表面/体钝化。步骤508涉及自对准金属化，其中通过镀覆将Cu或Ag选择性/同时淀积在金属化顶部蜂窝结构脊和底部六棱锥尖端上(例如1-5微米)。步骤510(焊接)和步骤512(进行包装)同上所述。 
图22中描绘了另一选择性镀覆金属化工艺流程520。没有p+掺杂糊涂布用于背侧基底触点掺杂。背侧基底触点掺杂是通过在使用镀覆进行背侧基底尖端Al金属化之后在基底触点区域中使用退火工艺进行Al掺杂而实现的。步骤522(提供基板)对应于图18中的步骤492；步骤524(选择性涂布顶部)对应于步骤494。然而，接下来没有进行步骤496(选择性涂布底部)。相反，接下来进行了步骤526(自对准选择性发射极)，对应于步骤498。步骤528(表面钝化和ARC)对应于步骤500；步骤530(自对准金属化)对应于步骤502。在步骤532中，背侧金属化区域通过Al背侧镀覆工艺(例如仅对背侧进行浸渍镀覆)而选择性地形成。在步骤534中，金属(Ag、Ni)被选择性地镀覆在前侧外露蜂窝结构n++掺杂区和背侧Al金属化区。步骤536涉及进行FGA(300-450℃)以形成Al掺杂背侧p+尖端。FGA减少了前侧和背侧互连阻抗值并帮助实现表面/体钝化。步骤538(镀覆)对应于步骤508；步骤540(焊接)对应于步骤510；步骤542(进行包装)对应于步骤512。 
图23中描绘了另一选择性镀覆金属化工艺流程530。与图21所示实施例相比，这里没有使用辊糊蚀刻工艺。相反，这里使用的是掺杂源层的选择性蚀刻。步骤552(提供基板)、步骤554(选择性涂布顶部)和步骤556(选择性涂布底部)对应于图21中的步骤492-496。步骤558(自对准选择性发射极)涉及通过退火(例如800-950℃)同时形成顶部n+p和n++p结和背侧p+尖端，该退火首先在惰性气氛(Ar，N2)中和随后在氧化气氛(蒸汽)中来形成5-50nm的热氧化物而进行。掺杂层干燥和退火也可在一个直通炉中顺序进行。步骤560涉及选择性蚀刻掺杂源层，同时移去一小部分氧化物，使用与热氧化物相比具有高蚀刻选择性的湿蚀刻。步骤562(镀覆)对应于步骤504；步骤564(镀覆)对应于步骤508。步骤566涉及将背侧金属化六棱锥尖端焊接(无铅焊料)到Al镜板或箔(可打孔)，随后用Ag进行闪镀。背侧镜也可用作背侧电连接。步骤568涉及在前侧和背侧表面上同时淀积ARC层(例如，低温PECVD SiNx)。ARC层也可包括光谱下转换(spectral down-conversion)。ARC层也帮助实现另外的H钝化。请注意，在PECVD过程中，前侧太阳能电池和背侧镜的周边应被掩蔽，以便于电池/模块互连。步骤570(FGA)对应于步骤504，步骤572(包装)同上所述。 
图24描绘了再一选择性镀覆金属化工艺流程580。相比于图23所述的工艺流程550，该工艺仅使用了一个高温(退火和氧化)工艺步骤。步骤582-596与图23的步骤552-566相同。然而，在步骤598中，ARC层(例如低温PECVD SiNx)仅淀积在太阳能电池前表面上。步骤600和602与图23的步骤570和572相同。 
图25描绘了又一选择性镀覆金属化工艺流程610。类似图24的工艺流程580，该工艺仅使用一个高温(退火和氧化)工艺步骤。步骤612-620对应于图24的步骤582-590。然而，没有进行步骤592(镀覆)。相反，仅进行镀覆步骤594，对应于步骤622。步骤624-630对应于图24的步骤596-602。 
上述工艺步骤可在集成串联工艺设备上进行。例如，图26显示了在炉内退火之前进行液体/糊涂布和UV或IR硬化这两个工艺步骤的装置的视图640，允许在串联扩散炉中退火之后随后形成选择性发射极和基区。这种集成的串联工艺设备允许通过辊涂在3D TFSC基板顶部脊和背侧脊上自对准形成掺杂液体或糊涂布。辊涂可使用与扩散炉串联集成的大气压、带驱动涂布和硬化设备执行。在一个实施例中，顶部脊被n型掺杂液体/糊涂布，背侧脊被p型掺杂液体/糊涂布。 
3D TFSC基板642被示出在输入传送带646上沿644移动。转动的顶部辊648以及顶部辊垫650施加受控的向下力，以用n型糊涂布顶部脊。转动的背侧辊652以及背侧辊垫654施加受控的向上力，以用p型糊涂布背侧脊。通过施加(或流动)不同液体或糊材料到顶部组辊648和/或背侧组辊652的每个辊，多层材料可涂布在3D TFSC基板的每一侧上。接下来，3D TFSC基板642移动到硬化区域，在该硬化区，掺杂液体/糊层通过使用IR或UV硬化射束658的硬化灯656而同时形成。接下来，示出3D TFSC基板642向外移动660到了输出传送带662上，该传送带662可移动基板642到串联扩散炉，在这里，n+和p+触点以及选择性发射极区域同时形成。 
可适当地构造类似的辊涂装置并用于施加金属液体/糊涂布(例如，银和/或铝液体或糊源)，硬化金属液体/糊源，并在用于烧穿金属化的串联大气炉(电阻加热或等加热炉)中进行后续的热退火，以便形成发射极和基底触点 金属化(并且在可行的时候，也可形成铝掺杂p++基底触点区域)。 
图27显示了另一用于执行与图26的辊涂/硬化/炉装置的工艺相同的工艺的装置设计的视图670。图27中的装置可用于通过角度喷涂在3D TFSC基板顶部脊和背侧脊上自对准形成掺杂源液体/糊涂布。这种装置也可使用易于与串联扩散炉集成的直列大气压涂布和硬化以及扩散设备构造。用图26中的辊涂装置，多层材料可通过使用连接到不同液体源(未示出)的多组喷嘴并对顶部和/或背侧组喷嘴中的每个喷嘴施加(或流动)不同液体源材料而涂布在基板的每一侧。这对图26所示的辊涂系统而言是一种替代的技术。在一个实施例中，顶部脊被涂布n型掺杂液体/糊(例如磷)；背侧脊被涂布p型掺杂液体/糊(例如硼)。参考图27，3D TFSC基板642被示出沿644移动到输入传送带646上。成角度的喷嘴672相对于表面(喷嘴盖晶片宽度)以较大的角度将n型掺杂液体喷出到表面上。n型掺杂液体来自n型液体掺杂源和喷嘴储存腔/泵674。成角度的喷嘴676相对于表面(喷嘴盖晶片宽度)以较大的角度将p型掺杂液体喷出到表面上。P型掺杂液体来自p型液体掺杂源和喷嘴泵678。接下来，3D TFSC基板642移动到硬化区域中，在这里这些掺杂液体/浆层通过使用IR或UV硬化射束658的硬化灯656同时形成。接下来，3D TFSC基板642被示出向外移动660到输出传送带662上，该传送带662将基板642移动到串联扩散炉中，在这里，n+和p+触点以及选择性发射极区域同时形成。 
成角度的喷射技术将液体/糊涂布的高度限制为脊的一部分，并防止液体源涂布到六棱锥腔体侧壁的内部和/或背侧上。这种串联(或另一种驱动方法)的加工系统也可用于施加金属源液体(例如银和/或铝源液体)以进行烧穿金属化应用，以及施加液体蚀刻剂以从顶部和/或背侧六棱锥脊选择性蚀刻电介质(例如氧化物和/或固态掺杂源层)。 
图28示出另一用于执行与图26的串联辊涂/硬化装置以及图27的串联喷涂硬化的工艺相同的工艺的装置的视图680。图28的装置可用于通过液体浸渍涂布在3D TFSC基板顶部脊和背侧脊上自对准形成掺杂液体/糊涂布。该装置也可使用串联大气压涂布和硬化设备构造来连接到串联扩散(或烧穿)炉的输入级上。 
在一个实施例中，顶部脊被涂布n型掺杂液体/糊(例如磷)，背侧脊被涂布p型掺杂液体/糊(例如硼)。3D TFSC基板642被示出在输入传送带646 上沿644移动。含有n型液体掺杂源682的液体膜分配器涂敷受控厚度的n型液体掺杂膜684。这种n型掺杂液体来自n型液体掺杂源以及液体水平和深度控制器686。含有p型液体掺杂源(通过周围空气悬浮)688的液体膜分配器施加受控厚度的p型液体掺杂膜690。这种p型掺杂液体来自p型液体掺杂源以及液体水平和深度控制器692。接下来，3D TFSC基板642移动到硬化区域，在这里，掺杂液体/糊层通过使用IR或UV硬化射束658的硬化灯656同时形成。3D TFSC基板642接下来被示出向外移动660到输出传送带662上，该传送带662可移动基板642到串联扩散炉，在这里n+和p+触点以及选择性发射极区域同时形成。 
如图26和27中的装置，多层材料可通过使用多组液体浸渍施加器(applicator)(未示出)并对顶部和/或背侧施加器组的每一个液体浸渍施加器施加(或流动)不同的液体源材料而涂布在3D TFSC基板的每一侧。这种类型的加工系统也可用于施加金属液体用于烧穿金属化、以及施加液体蚀刻剂用于从顶部和/或背侧脊选择性蚀刻电介质(例如氧化物和/或固态掺杂源层)。 
下面的部分显示了TFSC基板在如上所述的各个不同的工艺流程阶段中的截面图。在后面的附图中，相对尺寸并未按照比例绘出。 
图29显示了3D基板102(显示了一个六棱锥电池106)的截面图700，示出了当在一个适当的工艺设备(例如串联带驱动设备(辊涂或喷涂或液体浸渍涂布或掺杂液体/糊的另一种液体/糊传送涂布、干燥/硬化和扩散炉内的退火))中进行了上述掺杂工艺步骤之后的状态。对于覆盖六角脊272顶部的n型(例如磷)掺杂糊或液体702而言，扩散炉中的一个炉内退火工艺(例如在大约800-950℃)产生更多的重掺杂触点扩散区域704，此时与硬化的n型掺杂固态源层702直接接触并位于其下的顶部硅六角脊具有更高的表面磷浓度。在蒸发的掺杂源向六棱锥腔内的相邻前侧区域气相或气相迁移的过程中，炉内退火/扩散工艺同时用具有较小的表面浓度以及较小的剂量的磷来掺杂剩余的没有被固态掺杂源层覆盖的前侧表面区域706，如此，产生具有轻表面掺杂的自对准选择性发射极区域。这些轻掺杂区域706改善了太阳能电池的蓝光响应，同时重掺杂的脊704将减少太阳能电池的前侧触点阻抗，以改善电池发射极触点金属化。类似的，相似的炉内退火工艺产生更重掺杂的p+-掺杂708六棱锥背侧尖端144，以获得更低的基底触点阻抗，同时剩下的 背侧基区710在表面上掺杂轻。在如图29所示的实施例中，L 712远小于H232并且远小于h 150，H 232在100-500微米之间，L 712在2-20微米之间。另外还示出l 714和α716，其中l＝L/cos(α/2)且α/2＝tan-1(h/2H)。还示出了L′718以及L′720，其中l′是重掺杂结区域的倾斜高度。 
图30示出了在自对准形成发射极和基底触点以及太阳能电池互连之后的YY截面图730和740。如图所示，发射极触点优选围绕3D基板框架卷绕(或它可通过没有示出的框架孔卷绕)，以制备所有的在太阳能电池背侧的电池触点(以便于太阳能模块自动组装)。如图30所示，自对准前侧蜂窝结构触点174被放置于蜂窝结构的重掺杂n+-顶脊704内(如此产生非常低的触点阻抗)。剩余的没有被发射极触点覆盖的顶部区域(这是来自相邻的固态掺杂源区域的邻近气相掺杂所掺杂的六棱锥侧壁区域中的大多数)具有轻掺杂n+选择性发射极区域，使得太阳能电池获得良好的蓝光响应。在背侧六棱锥尖端上的基底金属化触点176覆盖了重掺杂p+-区域(通过直接接触固态掺杂源层形成)，导致低的基底触点金属化阻抗。3D基板背侧上的剩余的基底表面区域用硼轻掺杂(通过来自相邻的固态掺杂源区域的邻近气相掺杂)，从而获得非常低的表面重组速度和改进的电池性能。另外示出的是表面钝化和ARC层(热SiO2和PECVD或PVD氢化SiNx)736。 
图31和32示出了在完成太阳能电池制造工艺之后以及在将背侧基底触点176(背侧六棱锥金属化尖端)焊接(或与适当的导电环氧树脂连接)752到背侧电池镜754(和基底互连)板之后的3D六棱锥太阳能电池的YY截面图750和760(分别显示了单个六棱锥单元电池和几个相邻单元电池)。这种镜/互连板可由多种材料制成，优选地，涂布Ag的Cu、或涂布Ag的Al(或任何适于导电和反光的材料)。组合高反射背侧镜和太阳能电池的3D六棱锥结构(以及太阳能电池的前侧蜂窝结构图案孔762)可获得相当有效的光捕获能力、实现使用非常薄的晶体硅膜的超高效率太阳能电池。 
下面的图显示了对应于制造上述TFSC的工艺流程中的各个步骤的可选视图。 
图33显示了当在前侧蜂窝结构脊272上自对准辊涂(或喷涂或液体-浸渍涂布或其它适当的液体转移涂布)n型掺杂糊/液体702之后、以及当进行了干燥/硬化和优选地在串联直通炉中的炉内退火以形成选择性发射极区域和重掺杂发射极触点扩散区域(进行一个炉内退火/扩散工艺以形成掺杂扩散 区域(包括选择性发射结区)之前，优选实施例在前侧或背侧上施加n型和p型掺杂糊或液体)之后的3D六棱锥TFSC基板120的YY截面图770(显示了一个锥形单元电池)。这种结构显示了在短时间的热氧化(例如，生长5nm-100nm的热氧化物)和PVD或PECVD ARC层(SiNx)形成之后的单元电池。虚线表示掺杂区域(在进一步加工之后，单元电池结构如图29所示)。这个实施例显示了没有先前的p+基底触点掺杂(这是通过结合使用基底触点焙烧工艺的Al背侧基底触点形成来进行Al掺杂而实现的)。 
图34类似于图33，除了图34中显示了通过辊涂(或喷涂或液体-浸渍涂布或其它适合的液体转移涂布)p型掺杂层以及后续的硬化和退火(与发射极相同的退火)来实现p+基底触点掺杂。自对准固态掺杂源掺杂的背侧p +触点区域782(用于镀覆的背侧基底触点)如图中的虚线所示。 
图35显示了类似于图29的视图700的截面图790。然而，在图35所示的实施例中，在前侧蜂窝结构脊上仅进行n型掺杂糊/液体涂布。没有对背侧施加p+掺杂糊/液体。 
图36示出了在自对准形成前侧(顶部)固态n+(例如，用磷掺杂的)固态掺杂源层和选择性发射极之后的3D六棱锥基板102的YY截面图800。这个结构导致了图41所示的结构。前侧图案由蜂窝结构脊构成，该脊接下来被用于形成发射极触点/互连。图37显示了ZZ截面图810。 
图38显示了在自对准形成前侧(顶部)固态n+(例如，用磷掺杂的)固态掺杂源层和p+固态掺杂源层、选择性发射极以及自对准前侧发射极和背侧基底触点(图示为烧穿金属化，但是也可使用选择性镀覆获得相同结构)之后的3D六棱锥基板102的YY截面图800。这个结构导致了图41所示的结构。前侧图案由蜂窝结构脊构成，该脊接下来被用于形成发射极触点/互连。图39显示了ZZ截面图830。 
图40显示了在形成自对准前侧发射极触点(在蜂窝结构脊上)以及背侧基底触点(在六棱锥背侧尖端上)之后，本申请公开主题的一个3D TFSC基板结构的六棱锥单元电池的示意性拟3D视图850。太阳光从顶侧进入太阳能电池的六棱锥单元电池腔内。 
最后，图41显示了太阳能电池组件在背侧镜和基底互连(图32显示的第一实施例)上的另一实施例的视图860。与显示了反射背侧镜的图32不同的是，该实施例使用了漫射的背侧基底镜862(具有经过粗糙化的涂布Ag 的表面，用于散射反射光进入3D电池结构中)。 
前面的部分描绘了六棱锥TFSC基板的优选实施例。可选实施例也可使用可选结构来实现单元电池，例如具有多边形基底的倒转锥单元电池，例如，四棱锥、三棱锥等；其它实施例可包括具有V形槽或正交V形槽图案等的3D TFSC基板。例如，图42示出了具有四棱锥单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图864。这个图案与优选实施例的六棱锥单元电池图案之间的主要区别是顶部基底(或锥孔)几何结构(方形基底对用于倒转锥单元电池的六角基底)。四棱锥单元电池的垂直高度和基底面积数值可与六棱锥单元电池相当(类似的考虑情况下)。另一实例如图43所示，其示出了具有三棱锥单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图866。该图案和优选实施例的六棱锥单元电池图案之间的主要区别是顶部基底或锥孔几何结构(三角形基底对用于倒转锥单元电池的六角基底)。三角形锥单元电池的垂直高度和基底面积数值可与六棱锥单元电池相当(类似的考虑情况下)。 
图44显示了具有正交V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图868。该正交V形槽单元电池优选地具有四个相邻的矩形或方形V形槽阵列，V形槽在每对相对彼此垂直延伸的相邻的子单元电池中。3D TFSC基板使用大量如上所述的正交单元电池。在正交V形槽单元电池中的V形槽的高度和宽度范围分别类似于六棱锥单元电池的高度和直径范围。每个正方形子单元电池(如上所示的四个子单元电池构成一个正交V形槽单元电池)可具有几十到几百个V形槽。与标准的在整个基板上具有平行的V形槽的V形槽结构相比，正交V形槽结构提供额外的机械刚性。虚线表示V形槽沟底，而实线表示V形槽的顶脊。图45显示了如图44的具有正交V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的XX 870、YY 872和ZZ 874截面图。图46显示了与图44的正交V形槽单元电池结构相比具有可选的正交对角V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的俯视图876。正交对角V形槽单元电池具有四个相邻的矩形或方形V形槽阵列，V形槽在每对相对彼此垂直延伸的相邻的子单元电池中。与标准的在整个基板上具有平行V形槽的V形槽结构相比，正交V形槽结构提供额外的机械刚性。图47显示了如图46所示的具有可选的正交对角V形槽单元电池结构的3D TFSC基板的XX 878、YY 880和ZZ882截面图。 
在下面的部分中，将描述使用光刻或蚀刻技术或激光微加工(或激光钻 孔)来制备这种模板的可选工艺流程的实施例。模板随后被使用或重用多次以制造用于3D TFSC制造的3D TFSC基板。 
模块可使用电子级硅晶片、太阳能级硅晶片或低成本冶金级硅晶片制造。另外，由硅制得的模板可使用单晶或多晶硅晶片制得。开始的模板晶片可为标准抛光晶片(在锯损伤移去之后)或甚至是线锯之后直接获得的低等级晶片(未进行锯损伤移去)。后者可进一步减少模板的成本。较低成本的每个模板被喷在多个3D TFSC基板上，从而与标准的目前技术上(例如200微米厚)的太阳能级单晶和多晶硅晶片以及相关模块相比，获得相当低的TFSC模板和成品模块成本。 
为了进一步解释模板的制备，图48示出了工艺流程890。工艺开始于步骤891，这里提供未经过构图的单晶硅或多晶硅基板，为方形或圆形的(例如200mm×200mm的方形或200mm的圆形)。起始模板晶片可为通过线锯制得的晶片(经过或未经过锯损伤去除(后者可更进一步减少成本))。起始模板晶片也可由低纯度(且低成本)的冶金级硅制得。在一个实施例，基板大约200-800微米厚。可选的，步骤891包括在低成本冶金级硅上执行吸气处理(gettering)和/或执行表面形貌构造蚀刻(例如，使用利用硝酸和氢氟酸的混合物的各向同性酸形貌构造或使用在KOH/IPA中的强碱形貌构造)来生产可选的经过形貌构造的模板表面。步骤892涉及使用可编程精确激光微加工来形成所需的周期深沟阵列。该工艺可在基于物理磨削或物理磨削以及激光辅助化学蚀刻的组合使用而在受控的大气环境中进行。步骤893涉及模板表面的制备和清洁。该过程包括从基板剥离经过构图的光刻胶层。接下来，在后续热淀积加工以形成TFSC基板之前，在湿式工作台中清洁模板基板。这样的清洁可涉及DRIE感应聚合物移除(使用适当的湿蚀刻剂，例如硫酸和过氧化氢的混合物)，然后进行各向同性硅湿蚀刻(例如在硝酸和氢氟酸的混合物中)，以便各向同性地从沟侧壁和底部移去薄硅层(例如10-50纳米量级)。这可移去表面和埋入的污染物，例如从DRIE生产的模板沟的侧壁和底部移去通过深RIE(DRIE)工艺引入的表面或埋入的金属和/或聚合/有机污染物。模板加工可在去离子(DI)水清洗和干燥之后完成。可选的和需要时，模板晶片也可在上述DI水清洗和干燥之前进行标准的预扩散(或预热加工)晶片清洁工艺，例如所谓的RCA湿清洁。另一可选的表面制备步骤(代替或在湿各向同性硅蚀刻工艺之后)包括执行短时间的热氧化 (例如，生长5-100nm的牺牲二氧化硅)，然后进行湿氢氟酸性(HF)氧化物剥离(以从构图后的模板移去任何残余的污染物)。如果没有使用可选的氧化物生长/HF剥离，可执行可选的稀释HF蚀刻以移去天然氧化物层并用氢钝化表面(形成Si-H键)，以备用于后续的3D TFSC基板制造。在完成步骤893后，所得到的模板可随后使用并重用多次以制造3D(例如六棱锥)TFSC基板。 
在图49中示意性示出了用于对模板构图的工艺流程894的另一实施例，其使用光刻和蚀刻来代替直接激光微加工。步骤895(提供未构图的基板)对应于图48的步骤891。步骤896使用光刻构图(在一个实施例中，使用相对低成本的触点或相邻光刻机/构图)以在光刻胶材料上制造荫罩掩模图案，例如六棱锥图案(即，在光刻胶层中的互连的六角形开口)。该工艺顺序包括形成氧化物和/或氮化物(可选的)层，光刻胶涂布(例如，旋压或喷涂)和预烘干，通过六角阵列荫罩掩模进行光刻曝光，以及光刻显影和后烘干。一个实施例包括在光刻胶材料下方的可选的硬掩模层(SiO2和/或SiNx，例如薄热生长氧化物层可用作可选的硬掩模)(虽然该工艺可不使用硬掩模层而通过在硅上直接进行光刻胶涂布来执行)。当使用硬掩模层时，硬掩模层的露出部分在光刻胶构图后被蚀刻(由此，形成六角开口)。这样硬掩模层的露出部分的蚀刻可简单地通过使用湿蚀刻剂(例如氢氟酸)来氧化硬掩模或使用等离子蚀刻来执行。步骤897涉及通过各向异性等离子蚀刻来形成六棱锥，其中高速率深反应离子蚀刻(DRIE)工艺在硅中形成紧密排布的深的(例如100-400微米)六棱锥状沟(即，具有倾斜侧壁的锥状沟)阵列。光刻胶和/或氧化物和/或氮化物硬掩模层被用于从构图后的光刻胶层向硅基板进行构图转移。在一个实施例中，深RIE(DRIE)工艺参数被设定为产生具有受控角度的六棱锥侧壁倾斜。RIE被允许在锥的底部通过穿过基板背侧产生小直径(例如，小于5微米)孔。或者，可形成单个的小直径背侧孔，其连接到锥脊的底部尖端。步骤898(表面制备和清洁)对应于图48的步骤893。在完成步骤898后，所得的模板可随后被使用并重用多次以制造3D(例如六棱锥)TFSC基板。 
后面的部分示意性示出了使用上述模板制造3D锥TFSC基板的各种工艺流程。 
图50示出了制造自支撑无支架3D六棱锥TFSC基板的工艺流程900的 实施例。该工艺使用基于高选择性蚀刻工艺的剥离3D薄膜释放工艺以移去界面牺牲层(由Ge1-xSix制成)，而没有任何可察觉的硅蚀刻。该Ge1-xSix层可为单个层，具有恒定的Ge部分或多层(例如2-3层)结构以及具有可变的Ge部分。在步骤901中，提供构图后的方形模板。该模板已经被加工以在前侧206上形成六棱锥沟阵列以及具有从沟底部208到背侧212的穿通晶片孔210阵列。步骤902涉及在外延反应器中的多层覆盖外延层。步骤902首先涉及在标准预外延(epi)湿清洁之后执行的H2或GeH4/H2原位清洁。接下来，仅在前侧上淀积薄牺牲外延层。在一个实施例中，GexSi1-x被用于牺牲外延层并介于10-200纳米之间。接下来，掺杂硅外延层仅被淀积在前侧。在一个实施例中，该层为p型，掺杂硼并具有2-20微米的厚度。步骤903涉及3D TFSC基板释放。执行高选择性GexSi1-x各向同性湿或干蚀刻，相对于硅具有相当高的选择性。在一个实施例中，氢氟酸、硝酸和醋酸(HNA)的混合物被用于蚀刻GexSi1-x层。或者，可以使用氨、过氧化氢和水的混合物(NH4OH+H2O2+H2O)。该工艺释放硅外延层作为六棱锥3D TFSC基板，其可随后用于后续的3D TFSC制造。 
基于发射极掺杂类型(n型或p型)，本地基区掺杂类型被选择为p型(例如硼)或n型(例如磷)。所示的实施例提供掺杂硼的六棱锥3D TFSC基板的实例，可使用该基板制造具有n型掺杂磷的选择性发射极的TFSC。在一个可选实施例中，所有的掺杂极性可被反过来，使得掺杂磷的六棱锥3DTFSC基板可被用于制造具有掺杂硼的选择性发射极的电池。 
图51显示了制造自支撑、无支架3D六棱锥TFSC基板的工艺流程904的另一实施例。可使用相同的工艺流程制造具有其它单元电池结构(四棱锥、三棱锥、正交V形槽、正交对角V形槽等)的3D TFSC基板。该工艺使用适当的牺牲材料层(例如二氧化硅)以便于3D TFSC基板的释放和剥离(或从模板移去)。激光结晶可用于结晶非晶硅或多硅层。步骤905(提供模板)对应于上述步骤901。步骤906涉及牺牲层淀积，其中薄牺牲层(例如SiO2)优选通过APCVD(或者使用LPCVD或PECVD或热氧化)淀积。在一个实施例中，这个层是20nm-200nm的SiO2。在步骤907中，掺杂(例如p型)硅层(优选掺杂非晶硅或多晶硅)通过CVD工艺(例如PECVD)淀积在涂布了氧化物的基板(仅顶部)(例如2-20微米厚的掺杂硼的基板)。步骤908涉及淀积薄牺牲层(例如SiO2)作为顶部保护层，优选通过化学蒸镀淀积工 艺，例如APCVD(或者使用LPCVD或PECVD或热氧化)。在一个实施例中，该层为5-50nm的SiO2。在步骤909中，执行对掺杂硅层的激光结晶(优选开始于基板边缘的硅框架)，使用优选的方形单晶硅框架作为激光结晶晶种(边缘-中心结晶)。步骤910涉及通过对牺牲SiO2层(相对硅而言具有高选择性)执行高选择性各向同性HF湿蚀刻来蚀刻掉位于p型3D硅膜和模板之间的氧化物释放层，从而释放3DTFSC基板(这个工艺将3D六棱锥硅膜剥离)。对于所有实施例而言，释放3D膜可被辅助以释放蚀刻过程中施加小的机械应力(例如晶片翘曲)或施加超音或兆音(megasonic)扰动。 
图52显示了制造自支撑、无支架3D六棱锥TFSC基板的工艺流程911的另一实施例。可使用相同的工艺流程制造具有其它单元电池结构(四棱锥、三棱锥、正交V形槽、正交对角V形槽和其它类型的锥等)的3D TFSC基板。该工艺使用牺牲或可抛弃材料层(例如二氧化硅)，以有利于3D TFSC基板的释放。激光结晶可用于使非晶硅或多硅层结晶。步骤912(提供模板)对应于上述步骤901。步骤913(牺牲层淀积)对应于上述步骤908。步骤914涉及背侧湿蚀刻SiO2以重新打开填充了氧化物的基板底孔。步骤915(掺杂硅淀积)对应于上述步骤907，步骤916(牺牲层淀积)对应于步骤908。在步骤917中，掺杂硅层的激光结晶通过使用位于六棱锥底孔处的单晶作为激光结晶晶种而实现。步骤918(3D TFSC基板释放)对应于上述步骤910。 
图53显示了制造自支撑、无支架3D六棱锥TFSC基板的工艺流程919的另一实施例。可使用相同的工艺流程制造具有其它单元电池结构(四棱锥、三棱锥、正交V形槽、正交对角V形槽、其它锥形单元电池结构等)的3DTFSC基板。该工艺使用电化学蚀刻在半导体(例如硅)外延生长之前形成低和/或高孔隙率的多孔硅层。步骤920(提供模板)对应于上述步骤901。步骤921涉及在湿式工作台中进行电化学硅蚀刻，以生成单层多孔硅或在高孔隙率的多孔硅层上具有低孔隙率多孔硅层的双层叠置(也称为硅电化学阳极处理，从而形成多孔硅)。多孔硅层或层叠叠置可通过直接电化学蚀刻模板基板、或通过首先淀积薄的外延硅层然后再通过电化学蚀刻将薄硅外延层转化为牺牲多孔硅来实现。在步骤922中，硅外延生长在外延反应器中进行，以在多孔硅牺牲层或层叠叠置顶部上形成优选的单晶硅，包括执行以下原位工艺步骤：H2原位清洁，掺杂(例如p型)硅外延层(仅顶部)淀积(例如2-20微米厚、掺杂硼的)。最后在步骤923中，3D TFSC基板通过向基板施 加机械应力(例如通过向基板施加轻微翘曲)、或通过简单地使用适当的蚀刻剂(例如HF+H2O2或TMAH或其它适合的选择性多孔硅蚀刻剂)选择性湿蚀刻牺牲多孔硅层(或层叠叠置)来实现。 
在下一部分中，描述了建造适合于屋顶和立面、中心发电和其它应用的太阳能模块的本申请公开的各个实施例。通常的太阳能模块通过在被顶玻璃层和背保护材料层(例如Tedlar)保护的太阳能模块组件中布置多个太阳能电池并使其串联(串行电连接)而实现。所示电池可串联连接以建立DC电压(同时保证太阳能模块电流在电池电流方面处于相同水平)，以便于实现高效率DC-AC能量转换。 
图54描绘了制造本申请公开的具有顶保护玻璃板和内置PCD的太阳能模块(对应于图55的具有PCB以及安装在PCB上的TFSC的太阳能模块结构)的工艺流程924的第一实施例。该制造流程与全自动模块装配线兼容。该模块装配流程是基于具有在PCB顶侧的基底互连/电池背侧镜(在PCB顶侧上具有涂布银的构图铜层)的双面印刷电路板(PCB)的使用。对于具有在模块制造之前制得的背基层和集成/内置(或附着)背侧镜的六棱锥3DTFSC(例如具有通过PVD或镀覆或辊涂/喷涂和硬化而淀积在背基层的背表面上的薄膜背侧镜和背基层的六棱锥电池)，构图的PCB铜层不必须涂布有高反射率镜材料(银)。在步骤925中，模块组装开始于在前侧和背侧都涂布有铜箔的双面PCB。PCB区域应支撑所需数量/布局的TFSC(例如≥1m2，在每侧上的铜箔厚度为大约10至超过100微米)。步骤926涉及PCB互连构图和银金属喷镀(需要时后者用于PCB背侧镜)。根据所需的前侧和背侧互连布局对PCB前侧和背侧铜箔进行构图。铜图案被金属喷镀以薄层的高发射率银(和/或铝)。可使用高反射率散射镜，虽然也可使用反射镜(specularmirror)。步骤927涉及对自动TFSC布置和焊接进行电池制备。TFSC的金属化背侧被辊涂(或喷涂或浸渍涂布)了无铅焊剂或导电和导热环氧树脂糊。步骤928涉及自动TFSC布置和焊接(或环氧树脂硬化)。TFSC被自动拾取和在PCB前侧布置成紧密排布的阵列。每个电池的背侧位于其在具有构图铜互连的双面PCB的前侧的指定位置上。TFSC背侧六棱锥基底互连通过热或超声波焊被焊接到PCB前侧的涂布银的构图铜岛状物上。在使用环氧树脂代替焊剂的情况下，环氧树脂层通过热和/或IR/UV硬化被硬化。保护薄膜旁路二极管被安装和焊接(或环氧树脂连接)到PCB背侧。可选的步骤 是用高反射性银薄层来闪涂金属区域。步骤929涉及最后的太阳能模块组装和层叠。制备叠置的低反射率回火的(在一个实施例也是经过形貌构造的)顶玻璃、密封层、安装有电池的PCB、另一密封层和Tedlar或聚乙烯氟化物背侧片。接下来，模块叠置组件被密封并包装起来，例如通过真空压力层叠方式。 
图55示出了太阳能模块(太阳能板)结构(从上述图54所示的工艺流程得到)的截面图930，该太阳能模块具有由已知的现有技术材料(例如Tedlar或聚乙烯氟化物膜)制成的保护背板931、背侧密封层932(EVA)、本申请公开的具有背构图电互连934和顶构图电互连935的双面印刷电路板(PCB)933、具有安装在PCB前侧上的卷绕(或穿绕)反射镜触点和背侧基底的电池背侧镜和TFSC 936、顶部密封层(EVA)937和涂布减反射材料(ARC)回火玻璃(在一个实施例中，经过形貌构造的回火玻璃)938(从背侧到顶侧)，其具有大于98％的透射率以及具有溅镀或喷镀或液体涂布的减反射涂层。这个模块结构可作为无框模块或具有框(例如由铝制得)的密封包装组装起来。在一个实施例中，模块组件是无框组件(也用于减少材料能量含量和减少能量回收时间)。 
图56示意性示出制造降低成本和减小重量(轻型)的太阳能模块(对应于图57的太阳能模块)的组装工艺流程940的另一实施例。这个流程与全自动模块组装兼容。这个工艺流程显示了不需要使用厚玻璃板(如此，进一步减小本申请公开的太阳能模块的重量、成本和能量回收时间)并且不需要在电池顶部放置EVA密封层的组装工艺。该模块的顶侧(组装电池的前侧)被具有几十到几百微米量级的组合厚度的硬保护玻璃型层(如果需要，也可包括顶ARC层)覆盖。如所沉积的，淀积的该前侧保护层由于TFSC的3D结构而有效地经过形貌构造。顶层可通过液体涂布技术(例如喷涂、液体浸渍涂布或辊涂)以及接下来的热或UV硬化工艺形成。用于液体喷涂(或液体浸渍涂布或辊涂)的保护/AR层的热(或UV)硬化可单步地与真空压力热叠层工艺一起执行。该实施例得到了材料消耗量减少、成本减少和能量回收时间减少的轻型模块组件。步骤942(提供PCB)对应于图54中的步骤902。步骤944(PCB构图和银金属喷镀)对应于步骤904。步骤946(电池制备)对应于步骤906。步骤948(自动TFSC布置)对应于步骤908。步骤950涉及太阳能模块层叠。制备安装有电池的PCB、密封层和背侧片的 叠层。接下来，进行例如真空压力层叠等适当的密封/包装工艺。步骤952涉及淀积太阳能模块前侧保护涂层(其可在淀积时经过自动形貌构造并提供有效的光捕获能力以有效地耦合到TFSC)和可选的ARC层。太阳能板的前侧采用适当的涂布方法涂布着薄的保护材料层(例如玻璃透明材料)和可选的顶部减反射涂层(ARC)。这种涂层(大约几十到几百微米)可使用液体喷涂、液体辊涂、液体浸渍涂布、等离子喷涂或其它适当的方法实现。接下来，进行热/UV硬化工艺。 
图57显示了太阳能模块结构(由图56所示的工艺流程得到)的另一实施例的截面图960。代替图55所示的顶部密封层(EVA)937和减反射涂布(ARC)回火玻璃938，这里有单个前侧保护层和减反射涂层962。前侧保护层和减反射(ARC)涂层962通过液体喷涂/硬化、液体辊涂/硬化、液体浸渍涂布/硬化、等离子喷涂或其它适合的低温喷涂技术实现。这种前侧保护涂层和ARC层962经过有效的形貌构造，所淀积的涂层用于TFSC的3D结构(如此不需要单独的形貌构造工艺)。这是由于涂层可具有位于TFSC六棱锥腔上方的浸点(低点)以及六棱锥反射镜脊的峰点(高点)。前侧保护层和减反射涂层962可具有在几十到几百微米范围的组合厚度。在一个实施例中，厚度大约30-300微米。除了提供减反射涂层(ACR)功能，层叠的前侧保护/ARC层提供良好的保护，防止在实际的户外使用情况下受到天气/部件和外力影响(例如冰雹撞击)。因为前侧涂层由于TFSC的3D结构经过有效而且自动的形貌构造，所以在前侧涂层上使用单独的ARC层是可选的。经过形貌构造的涂层可在前侧涂层提供有效的光捕获能力，以便有效地将大部分(例如，大于95％)入射太阳能强度耦合到TFSC。前侧保护层也可提供光导功能，以消除或减少与顶部反射镜触点金属化相关的反射损失。 
图58显示了在建筑物窗户中集成或组装的太阳能电池的视图970。该太阳能电池可通过在3D六棱锥太阳能电池基板上形成孔或槽开口阵列而允许部分可见光透射(例如，透射率在10％-30％的量级)。在一个实施例中，该电池具有规则的孔或槽开口阵列，允许5％-20％的光透射。该图是具有六棱锥电池的太阳能玻璃的一部分的放大视图(因此，六棱锥电池和太阳能玻璃的相对尺寸关系没有按比例准确表示出来)。图58显示了前侧TFSC六角反射镜互连174和自对准背侧六角基底触点176。顶玻璃板972和底部玻璃板974之间的距离978可在1-12mm之间。六棱锥电池参数可设计为允许所需 程度的光透射通过电池(例如大约10％-90％)。平均光透射可通过TFSC的宽高比来控制。 
图59显示了在太阳能模块组件中串联本申请公开的TFSC的代表示例的视图980。该例子示出了串联的24个方形电池982(6×4阵列)。串联电连接通过相邻的串联电池之间的箭头表示。模块能量输入984和输出986引线也表示出来了。在实际模块组件中，电池数量可小或大，并且电池可串联或组合串联和并联。如上所述，模块组件内的电池串联允许逐步增加DC电压，用于DC-AC转换器(并且也限制了太阳能模块的DC电流以便于进行现场模块安装以及模块-模块电连接的可靠性)。本申请公开的基于印刷电路板(PCB)的模块组件支持任何数量的组装为模块的电池以及任何电连接构造(串联、串联/并联组合或并联)。本申请公开的TFSC和模块可提供相对轻型的太阳能模块，面积从小于1平方米-几平方米(例如10平方米)，用于各种应用。在模块组件内串联的电池根据它们的光生电流(例如断路电流Isc和/或最大功率电流Im)等级来选择。 
本申请公开的太阳能模块结构和组装方法基于使用印刷电路板(PCB)来组装呈紧密排布的3D TFSC以及在模块组件内使用PCB板连接电池(在一个实施例为串联)。PCB板可在PCB顶部具有单个构图后的金属(一个实施例为铜)互连层或在PCB板的顶面和背面上具有两个构图后的铜层。图60为视图990，显示了用于太阳能模块组件的印刷电路板(PCB)的前侧涂布着银的铜布局(方框岛状物用作背侧镜(如果没有集成反射镜用于单孔电池，或者如果电池是不具有基层的双孔电池)以及基底互连，周边方形铜带连接到TFSC周边框架背侧处的卷绕反射镜触点，连接PCB前侧和背侧的选择区域的填充铜通路插塞(copper-filled via plug)图示为小圆)。这个实例图示了呈4×6行列布置的24个TFSC的阵列(PCB可设计用于任何数量和任何布置方式的TFSC)。该PCB导体(铜或铝)厚度可在大约10-超过100微米的范围内，以提供高的导电和导热能力。PCB也可用作有效的散热器，以减小TFSC工作时的温度循环。PCB材料可选择轻型、高强度材料(例如用于航天工业的碳复合材料)、或者甚至是相对薄的柔性材料。较大面积的方形涂布着银的铜区域992连接到TFSC背侧基区(单孔电池的背侧基层的底部或双孔电池的底部脊)。该周边涂布着银的铜线994电连接到TFSC反射镜触点金属化区域。 
图61显示了用于太阳能模块组件的印刷电路板(PCB)的背侧(可选地涂布着银的)铜布局的俯视图1000，显示了TFSC的串联。PCB背侧也可包括薄膜旁路二极管，用于TFSC的遮阴保护(如图60所示)。填充铜通路插塞(图示为圆)连接相应区域的PCB前侧和背侧金属化图案。这里的示例用于在太阳能电池上连接24个TFSC，也可采用类似的PCB设计方法来构造和连接任意数量的电池，使其以任意形式的布置方式布置在模块上。这个PCB的前侧视图如图60所示。这个示例示出全部串联连接的4×6行列布置的24个TFSC阵列(PCB可设计为具有任何数量和布置方式的TFSC)。PCB导体(铜或银)厚度可在大约10到超过100微米的范围内，提供高的导电和导热能力。PCB也可用作有效的散热器，以最小化TFSC工作时的温度循环。PCB材料可为轻型、高强度材料(例如用于航天工业的碳复合材料)。图61也示出了能量输入线984(第一电池的p线)和能量输出线986(最后一个电池的n线)。 
图62示出了PCB上的铜图案的背侧图1010，并且基本上类似于图61。这个图也示出了使用安装在PCB背侧图案上的保护薄膜旁路二极管(用于电池遮阴保护)。 
图63A显示了在用于一个TFSC的背侧镜以及发射极和基底互连的太阳能模块印刷电路板(PCB)的前侧上的涂布着银的铜图案(用于安装一个电池的垫)的放大俯视图1020(相对尺寸没有按比例绘出)。图63A示出了尺寸L1 1022和L2 1024(在一个实施例中，150mm到大于200m，其中L2＝L1+2(W+S))。S 1026可为25-250微米量级。周边铜导体带(W)1028的宽度可在50-500微米。填充铜通路插塞1030图示为圆形(以预定设计布置连接PCB前侧和背侧上的互连图案，以串联TFSC或以任何其它所需的布置方式，例如串联/并联，这里的代表示例是串联全部所有电池，以逐步增加模块开路电压)。插塞1030的直径可在大约50-500微米的量级(可小于W 1028)。大的中心方形垫用作背侧电池镜以及基底互连面(连接到六棱锥基底触点金属化)。中心方形(p区域触点)中的通路的数量(N)1032可在几百-几千的量级。周边线(n区域触点)中的通路的数量(M)1034可在几十-几百的量级(甚至上千)。在接触TFSC发射极(n)区域的周边线上的通路被布置在三侧上。PCB导体(铜或铝)厚度可在大约10-超过100微米范围内，以提供高导电导热能力。PCB板也可用作有效的散热器，以减小TFSC工作温 度循环。该图显示了在图60的全部模块PCB阵列中的一个铜互连/镜垫。 
图63B示出了用于本申请公开的一对相邻的TFSC的发射极和基底电连接的在太阳能模块印刷电路板(PCB)(示出一部分PCB)的背侧上的涂布着银的铜互连图案的放大俯视图1040。图63B示出了用于阵列中的TFSC 1和2的PCB背侧涂布着银的铜互连图案。这里显示铜图案用于串联TFSC以逐步增加模块开路电压。图63B显示尺寸L1′1042，周边发射极(n区域)连接线宽W′1044(在一个实施例中，2-10mm)，中心基底(p区域)连接板和周边发射极(n区域)连接线S′1046(在一个实施例中，100微米-1mm)之间的间隔。注意L1′1042比图63A中的L1小大约2-10mm。这使得可获得更大的周边发射极(n区域)连接线宽并且极大减小PCB背侧的欧姆损失。 
本申请公开的3D TFSC基板可使用周边厚硅框架，该框架既用于加强机械支撑也用于方便形成绕过或卷绕发射极触点金属化(便于太阳能模块组装)。厚硅框架可单独由非常廉价的硅材料(例如冶金级或回收的硅晶片)制造。图64显示了厚硅框架、硅框架条以及从非常廉价的圆形(例如，微电子角度的废品硅)或方形(例如矩形)铸造硅(或回收硅)基板生产(例如切割)出硅条的代表方法的各种示意图1050。这些条可由非常廉价的晶体或多晶硅制成，例如冶金级铸造Si。圆形1052或方形1054硅晶片(例如，200×200mm铸造冶金级硅基板)可用于通过切割工艺(例如激光切割)来制造数百个硅条1056(通过焊接工艺(例如电子束焊接)制造用于3D TFSC基板的厚硅框架的四个硅条)。 
这些条1056可用于制造用于上述基板的厚硅框架。单独制造的厚硅框架可通过下述的一种技术随后集成附着到3D TFSC基板(在一个实施例中在3D薄膜电池加工之前)：在几个周边点/节点进行电子束焊接；通过在模板上放置周边厚硅框架以及允许厚硅框架与3D TFSC基板通过硅淀积工艺无缝附着来实现的3D TFSC基板制造硅淀积过程中的联接；或清洁硬化的环氧树脂。 
俯视图1058显示了熔融到3D TFSC基板的厚硅框架。硅框架的厚度1060为大约50-500微米。这里有焊接(例如电子束焊接)点1062(四个焊接点)，其中L1064大约150-300mm，W 1066大约100-1000微米。条1056可具有通孔(如1068所示)，以帮助绕过/卷绕发射极金属化触点。 
下面的部分示意性示出了各种与本申请公开主题相关的计算。 
为给出薄硅膜厚度和基板尺寸(例如200×200mm基板尺寸)数值，在3D六棱锥基板结构中使用的实际硅材料量(例如通过总硅表面面积、体积或重量计算得到的量)实际上大于具有相同尺寸(例如200×200mm)的共面(平的)基板的使用量。 
图65(类似于图13)提供对下列计算的参考。B是H2和H3之间的中点，A是H5和H6之间的中点，H1H4＝H3H5＝d，AB是六角单元电池孔水平距离(h)： 
h＝(√3/2)d 
前侧孔径角α是由A-T-B定义的角度，前侧孔径角β是由H6-T-H3定义的角度，并可计算如下： 
α＝2tan-1〔(√3.d)/(4H)〕 
β＝2tan-1〔d/(2H)〕 
锥基底(Shb)的表面面积： 
Shb＝〔(3√3)/8〕.d2
锥侧壁(Shp)的表面面积： 
Shp＝〔(3√3)/8〕.d2.√[1+(16/3).(H/D)2] 
因此，有效表面积放大因子(Shp/Shb)为： 
Shp/Shb＝√〔1+(16/3).(H/d)2] 
为了在3D TFSC结构中获得非常高效的光捕获能力以及非常低的有效表面反射因子并具有合理(即不过多)的面积放大因子Shp/Shb，孔径角(α和β)被选择而优选地处于大约20-40°的范围内。 
图66显示了六棱锥侧壁面积与平面六角基底面积的比例(Shp/Shb)与六棱锥单元电池的高-基底对角直径比(H/d)的关系。对于近理想的孔径角而言，优选的H/d范围被示出在虚线之间(H/d大约1.5-3.0)。这导致侧壁-基底面积比例在大约4-7的数量级。 
图67和68示出了计算得到的太阳能电池六棱锥单元电池的前侧孔径角(α和β)与六棱锥单元电池的高-基底对角直径比(H/d)的关系。 
图69被提供作为下面计算的参考。3D基板的六棱锥单元电池可近似为锥状(与六棱锥具有相同高度并且与六棱锥具有相同基底面积)。孔径角 是： 
Figure G2007800455202D00382
锥基底(Scb)的表面面积： 
Scb＝(πD2)/4 
锥侧壁(Scp)的表面面积： 
Scp＝〔((πD2)/4〕.√[1+(2H/D)2] 
因此，侧壁表面积Scp与顶基底表面积Scb的比例(Scp/Scb)为： 
Scp/Scb＝√〔1+(2H/D)2〕 
图70和71显示了锥形单元电池侧壁面积与平圆形基底面积的比例(Scp/Scb)与六棱锥单元电池的高-基底直径比(H/D)的关系、以及计算得到的太阳能电池锥形单元电池(作为六棱锥单元电池的近似)的前侧孔径角 与六棱锥单元电池的高-基底直径比(H/D)的关系。这些视图提供了锥形状的孔径角和表面积比例的图表，其中图66-68显示了对于六棱锥单元电池的这些图表。锥形单元电池(作为六棱锥单元电池的近似)的这些结果(图表)与六棱锥单元电池的结果具有相当的可比性。 
TFSC和模块互连中的一个重要考虑是与TFSC以及太阳能模块组件中的电连接相关的总的功率损失。本申请公开的六棱锥3D cSi TFSC和基于PCB的模块设计有效地解决了这个问题，实现了在电池和模块内部非常低的互连欧姆损失。在本申请公开的技术范围内，该特征(与高效包装基于PCB的太阳能模块组件上的TFSC相关)极大缩小了TFSC和太阳能模块组件之间的效率间隙(efficiency gap)。 
下面的部分涉及在本申请公开的六棱锥3D TFSC中的发射极触点金属化欧姆损失的基本计算。发射极触点金属化的欧姆损失的计算也可应用于基底触点金属化。然而，由于本申请公开的几个实施例在构图后的印刷电路板上安装了3D TFSC，基底触点金属化以平的形式电连接到相当高导电率的铜垫上，这极大地减少了基底互连欧姆损失(与发射极互连欧姆损失相比)。因此，在本申请公开的实际实施例中，互连欧姆损失是由发射极触点金属化决定的。 
图72可做TFSC互连欧姆损失的近似分析计算参考，假定采用基于本申请公开的电池设计实施例的具有单元电池的六棱锥阵列的圆形基板。由于总体电池互连欧姆损失是由顶部发射极触点金属化决定的，因此由六角发射极触点金属化引起的欧姆功率损失作为最大功率的电池电流和发射极触点金属垂直高度覆盖度L/d(在锥侧壁上的发射极触点金属覆盖的高度与锥形单元电池长六角对角尺寸的比)的函数计算。这里所示出的分析计算用于产生在下面的图(图73-87)中的图表。执行的计算和对圆形基板获得的趋向也近似地应用于方形TFSC基板。 
对于下列计算：I0是在峰值功率下的总电池电流；A＝(πA2)/4，总电池面积(对圆形电池而言)；J0＝(4.I0)/(πA2)，电池电流强度；Rthm是顶部蜂窝结构触点金属的薄膜电阻；C是垂直高度L的蜂窝结构触点的有效平表面覆盖率；并且Reff＝Rthm/C，其中Reff是顶部金属触点的有效平表面片电阻。 
基于上述定义，作为最大电池功率的互连欧姆损失为： 
P 1 ≅ ( R thm I 0 2 ) / { 8 π ( S hp / S hb ) [ 1 - ( 1 - L / H ) 2 ] }
P 1 ≅ ( R thm I 0 2 ) / { 8 π [ 1 + ( 16 / 3 ) ( H / d ) 2 ] [ 1 - ( 1 - L / H ) 2 ] }
图73和74绘制了在本申请公开的主题的3D TFSC中的预期的(计算得到的)互连相关的太阳能电池功率损失，其作为六棱锥高度对对角基底尺寸(H/d)的比例的函数，用于在3D太阳能电池基板的顶部上的两个不同的发射极互连区域覆盖率。对于H/d＝2.0，作为从400cm2太阳能电池获得最大功率的结果，欧姆功率损失预期为大约0.1-0.2W(取决于两个图表中示出的发射极计算覆盖率)。由于在本示例中的最大太阳能电池功率被假定为大约8W，太阳能电池互连的欧姆功率损失(由发射极电流收集决定)被预期在1.25％-2.5％。PCB金属图案可被设计为PCB互连欧姆功率损失远小于上述太阳能电池互连功率损失。如此，总欧姆功率损失可保持为正好在2％之下。这意味着使用本申请公开主题的太阳能电池和模块技术，太阳能电池和太阳能模块之间的效率间隙可正好减小到2％之下。如此，以23％的太阳能电池效率，我们可以非常有信心地指出我们将获得具有至少21％的太阳能模块效率。两个视图示出了对于具有400cm2的大面积的电池、以最大功率(假定大约8Wp最大功率)下的12A电流计算得到的太阳能电池欧姆功率损失。Rthm是在蜂窝结构六角脊上的发射极触点/金属层(例如Ag层或在耐火金属层上的Ag叠层)的薄膜电阻(两个图都是0.0075Ω/平方)。比例L/H(这里在图73中是0.05，在图74中是0.025)是在蜂窝结构脊上的发射极金属化触点的垂直覆盖高度对六棱锥单元电池的高度的比例。 
下面的图显示了对Rthm和L/H的各个数值的图表。图75显示Rthm是0.002 Ω/平方，L/H是0.05。图76显示Rthm是0.002Ω/平方，L/H是0.01。图77显示Rthm是0.005Ω/平方，L/H是0.01。图78显示Rthm是0.005Ω/平方，L/H是0.02。图79显示Rthm是0.005Ω/平方，L/H是0.05。图80显示Rthm是0.005Ω/平方，L/H是0.1。图81显示Rthm是0.01Ω/平方，L/H是0.05。图82显示Rthm是0.01Ω/平方，L/H是0.02。图83显示Rthm是0.003Ω/平方，L/H是0.02。图84显示Rthm是0.003Ω/平方，L/H是0.05。 
总之，本申请公开主题提供多个锥状三维薄膜太阳能电池的实施例。锥状三维薄膜太阳能电池包括具有自对准选择性发射极区域和自对准基底漫射区域的半导体基板、锥状三维薄膜太阳能电池还包括自对准发射极触点金属化区域和自对准基底触点金属化区域。 
前述优选实施例用于使本领域技术人员可利用或使用本申请公开主题。对这里的实施例的各种修改对本领域技术人员是显而易见的，并且这里限定的一般原理可应用于其它实施例，而不需要使用创造性。如此，本申请公开主题仅仅限于这里公开的实施例，也最广泛地遵循这里公开的原理和新颖的特征。 

Claims (11)

1.一种锥状三维薄膜太阳能电池，包括：
独立的锥状三维薄膜太阳能电池基板，该基板具有在2至30微米范围的层厚并包括：
锥状单元电池的周期阵列，该单元电池在所述基板的前侧具有顶部脊，所述顶部脊具有0.5至5微米范围的宽度，所述单元电池具有100至500微米范围的锥深度；
在所述基板的所述锥状单元电池的所述顶部脊上对准的掺杂的发射结区；
在所述基板的所述锥状单元电池的背侧上对准的掺杂基区；
在所述基板的所述锥状单元电池的所述顶部脊上的发射极金属化区域；及
在所述基板的所述锥状单元电池的背侧上基底金属化区域。
2.如权利要求1所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述发射结区和掺杂基区包括选择性发射结区和选择性掺杂基区。
3.如权利要求1所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述发射结区包括自对准发射结区，所述掺杂基区包括自对准掺杂基区，所述发射极金属化区域包括自对准发射极金属化区域，并且所述基底金属化区域包括自对准基底金属化区域。
4.如权利要求1所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述锥状三维薄膜太阳能电池基板包括具有多棱锥设计的锥状三维薄膜太阳能电池基板。
5.如权利要求4所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述多棱锥设计包括六棱锥设计。
6.如权利要求4所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述多棱锥设计包括四棱锥设计。
7.如权利要求4所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述多棱锥设计包括三棱锥设计。
8.如权利要求4所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述多棱锥设计包括正交V形槽设计。
9.如权利要求1所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中还包括背侧镜。
10.如权利要求9所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述背侧镜包括集成的背侧镜。
11.如权利要求9所述的锥状三维薄膜太阳能电池，其中所述背侧镜包括独立的背侧镜。
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