專利名稱：劃刻光伏器件期間隨時(shí)間改變激光強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開(kāi)的主旨大體上涉及激光劃刻光伏模塊以在該模塊中形成個(gè)體電池的領(lǐng)域。更具體地，該主旨涉及改變用于劃刻基于碲化鎘的薄膜光伏(PV)器件的激光的強(qiáng)度的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
光伏(PV)或太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成直流(DC)電功率的材料結(jié)器件。當(dāng)暴露于太陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能電池p-n結(jié)的電場(chǎng)使自由電子和空穴對(duì)分開(kāi)，從而產(chǎn)生光電壓(photo-voltage)。從n側(cè)到p側(cè)的電路允許電子在太陽(yáng)能電池連接到電負(fù)載時(shí)流動(dòng)，同時(shí)PV電池結(jié)器件的面積和其他參數(shù)確定可用電流。電功率是當(dāng)電子和空穴重新結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的電壓乘以電流的乘積。
薄膜太陽(yáng)能器件典型地由沉積在平板玻璃上的材料的多個(gè)薄層組成。這些玻璃面板典型地通過(guò)劃刻工藝(其還限定相鄰電池的電氣互連)細(xì)分成大量(在100至200個(gè)之間)的個(gè)體太陽(yáng)能電池，其串聯(lián)電連接以用電流產(chǎn)生功率。激光劃刻實(shí)現(xiàn)下一代薄膜器件的高容量生產(chǎn)，并且激光劃刻在質(zhì)量、速度和可靠性方面勝過(guò)機(jī)械劃刻法。
激光-材料的相互作用牽涉加熱、熔化、蒸發(fā)、原子噴出、離子噴出和分子噴出、沖擊波、等離子體引發(fā)和等離子體膨脹的復(fù)雜工藝。所得的坑或激光誘導(dǎo)的等離子體取決于激光束參數(shù)(例如，持續(xù)時(shí)間、能量和波長(zhǎng))、固體靶特性和周圍環(huán)境條件。
期望將激光劃刻控制到特定深度來(lái)控制個(gè)體電池以及形成的所得模塊的特性。然而，至少部分由于每個(gè)薄膜的不同的材料組成，劃刻膜堆疊中的每個(gè)個(gè)體薄膜層所需要的能量(例如，施加的激光強(qiáng)度和/或時(shí)間)可能變化。如此，準(zhǔn)確控制激光劃刻的深度可能是基于劃刻每層所需要的能量的總和的計(jì)算。該計(jì)算可以導(dǎo)致形成通過(guò)許多層的激光劃刻的深度的變化。這樣的深度變化進(jìn)而可以導(dǎo)致所得PV模塊的性能的變化。
如此，存在需要在玻璃頂襯底(尤其是基于碲化鎘的薄膜光伏器件)上更精確地激光劃刻多個(gè)薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)勢(shì)將在下列說(shuō)明中部分闡述，或可通過(guò)該說(shuō)明明顯可見(jiàn)，或可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐而獲悉。
大體上公開(kāi)了用于激光劃刻包括襯底上的多個(gè)薄膜層的膜堆疊的方法。激光束脈沖施加于該膜堆疊，其中該激光束具有在完成預(yù)定功率周期的脈沖期間作為時(shí)間的函數(shù)而變化的功率。例如，脈沖可以具有持續(xù)約0. I納秒至約500納秒的功率周期。激光束的該脈沖可以跨膜堆疊重復(fù)以形成通過(guò)襯底上的薄膜層中的至少一個(gè)的劃刻線。
這樣的方法在激光劃刻基于碲化鎘薄膜的光伏器件方面特別有用。例如，可以提供基于締化鎘薄膜的光伏器件，其包括玻璃頂板(superstrate)和膜堆疊，該膜堆疊包括該玻璃頂板之上的透明導(dǎo)電氧化物層、該透明導(dǎo)電氧化物層之上的高阻透明緩沖層(resistivetransparent buffer layer)、該高阻透明緩沖層之上的硫化鎘層以及該硫化鎘層上的締化鎘層。激光束的脈沖然后可以采用在完成預(yù)定功率周期的脈沖期間作為時(shí)間的函數(shù)而變化的功率施加于膜堆疊上。激光束的脈沖然后可以跨基于碲化鎘薄膜的光伏器件重復(fù)以在膜堆疊中形成劃刻線。
本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢(shì)將參照下列說(shuō)明和附上的權(quán)利要求變得更好理解。包含在本說(shuō)明書(shū)中并且構(gòu)成其一部分的附示本發(fā)明的實(shí)施例并且與描述一起服務(wù)于解釋本發(fā)明的原理。


針對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的本發(fā)明的完全和使能公開(kāi)(包括其最佳模式)在該說(shuō)明書(shū)中闡述，其參照附圖，其中
圖I示出隨時(shí)間變化的激光束的示范性功率周期； 圖2示出隨時(shí)間變化的激光束的另一個(gè)示范性功率周期；
圖3示出用于在光伏器件上激光劃刻薄膜的示范性系統(tǒng)；
圖4示出用于在光伏器件上激光劃刻薄膜的另一個(gè)示范性系統(tǒng)；
圖5示出用于在光伏器件上的薄膜上同時(shí)形成多個(gè)劃刻線的示范性設(shè)備；
圖6示出用于在光伏器件上的薄膜上同時(shí)形成多個(gè)劃刻線的另一個(gè)示范性設(shè)備；
圖7示出示范性碲化鎘薄膜光伏器件的透視 圖8示出圖7的示范性碲化鎘薄膜光伏器件的剖視圖的一般示意 圖9示出垂直于根據(jù)圖7的示范性碲化鎘薄膜光伏器件在圖8中示出的視圖的剖視圖的一般不意圖。
具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)示例在圖中圖示。每個(gè)示例以說(shuō)明本發(fā)明的方式而非限制本發(fā)明的方式來(lái)提供。實(shí)際上，在本發(fā)明中可以做出各種修改和變化而不偏離本發(fā)明的范圍或精神對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將是明顯的。例如，圖示或描述為一個(gè)實(shí)施例的一部分的特征可以與另一個(gè)實(shí)施例一起使用以產(chǎn)生再另外的實(shí)施例。從而，規(guī)定本發(fā)明涵蓋這樣的修改和變化，它們落在附上的權(quán)利要求和它們的等同物的范圍內(nèi)。
在本公開(kāi)中，當(dāng)層描述為在另一層或襯底“上”或“之上”時(shí)，要理解這些層可以直接互相接觸或在這些層之間具有另一層或特征。從而，這些術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)單地描述這些層互相之間的相對(duì)位置并且不必定意味“在頂部”，因?yàn)樵谏厦婊蛳旅娴南鄬?duì)位置取決于器件對(duì)觀察者的取向。另外，盡管本發(fā)明不限于任何特定的膜厚度，描述光伏器件的任何膜層的術(shù)語(yǔ)“薄”一般指膜層具有小于大約10微米(“micixm”或“ym”)的厚度。
要理解本文提到的范圍和極限包括位于規(guī)定極限內(nèi)的所有范圍(即，子范圍)。例如，從大約100至大約200的范圍也包括從110至150、170至190、153至162和145. 3至149. 6的范圍。此外，高達(dá)大約7的極限也包括高達(dá)大約5、高達(dá)3和高達(dá)大約4. 5的極限以及該極限內(nèi)的范圍，例如從大約I至大約5和從大約3. 2至大約6. 5等。
大體上公開(kāi)了用于利用具有隨時(shí)間變化的功率的激光脈沖來(lái)激光劃刻膜堆疊的方法。具體地，激光束具有根據(jù)預(yù)定功率周期在每個(gè)脈沖期間作為時(shí)間的函數(shù)而變化的功率。該脈沖然后可以跨膜堆疊的表面重復(fù)以形成通過(guò)膜堆疊的薄膜層中的至少一個(gè)的劃刻線。根據(jù)這些方法，可以提高通過(guò)膜堆疊的薄膜的激光劃刻工藝的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致形成的劃刻線的質(zhì)量提高(例如，更好的均一性)。另外，可以調(diào)整激光的功率水平以當(dāng)激光束劃刻通過(guò)膜堆疊的厚度時(shí)與個(gè)體薄膜的特性匹配。
脈沖大體上可以具有持續(xù)大約0. I納秒(ns)至大約500ns的功率周期，例如大約
0.5ns至大約250ns。在特定實(shí)施例中，脈沖可以持續(xù)大約Ins至大約100ns,例如大約5ns至大約50ns。
每個(gè)脈沖的功率周期可以限定多個(gè)互不相同的功率水平。如此，施加于膜堆疊的功率可以在每個(gè)脈沖期間隨時(shí)間變化(例如，作為時(shí)間的函數(shù))。例 如，圖I示出示范性功率周期100，其示出功率(y軸)作為時(shí)間(X軸)的函數(shù)的變化。功率周期100限定第一功率水平102，其不同于第二功率水平104。如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“功率水平”指在脈沖期間激光束功率的功率周期上的線或峰值，其中“線”指在脈沖期間上大致上恒定的功率并且“峰值”指在脈沖期間激光束的功率的局部最大或最小值。
在圖I中示出的實(shí)施例中，第一功率水平102小于第二功率水平104。例如，第二功率水平104可以比第一功率水平102大大約10%至大約150% (即，第二功率水平104可以是第一功率水平102的大約110%至大約250% )，例如比第一功率水平102大大約50%至大約100% (即，第二功率水平104可以是第一功率水平102的大約150%至大約200% )。
激光束的功率對(duì)于第一持續(xù)時(shí)間(等于功率周期100在第一功率水平102的長(zhǎng)度)保持在第一功率水平102，并且激光束的功率對(duì)于第二持續(xù)時(shí)間(等于功率周期100在第二功率水平104的長(zhǎng)度)保持在第二功率水平104。在圖I的實(shí)施例中，第一功率水平102的第一持續(xù)時(shí)間比第二功率水平104的第二持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)。例如，第一功率水平102的第一持續(xù)時(shí)間可以比第二功率水平104的第二持續(xù)時(shí)間大大約10%至大約5，000% (即，第一持續(xù)時(shí)間可以是第二持續(xù)時(shí)間的大約110%至大約50,000% )，例如比第二功率水平104的第二持續(xù)時(shí)間大大約100%至大約1，000% (即，第一持續(xù)時(shí)間可以是第二持續(xù)時(shí)間的大約1,000%至大約 10,000% )。
在圖I中示出的實(shí)施例中，在脈沖Tp的功率周期100中，第一功率水平102在順序上是在第二功率水平104之前。然而，在其他實(shí)施例中，該順序可以顛倒使得第二功率水平104在順序上是在第一功率水平102之前。
在某些實(shí)施例中，激光束的功率對(duì)于第一持續(xù)時(shí)間可以保持在第一功率水平102，該第一持續(xù)時(shí)間是脈沖Tp的大約10%至大約90%，例如脈沖Tp的大約20%至大約75%，或更特定地是脈沖Tp的大約25%至大約50%。相反地，激光束的功率對(duì)于第二持續(xù)時(shí)間可以保持在第二功率水平104，該第二持續(xù)時(shí)間是脈沖的大約0. 5%至小于脈沖的大約50%，例如脈沖的大約1%至大約25%。當(dāng)然，該第一持續(xù)時(shí)間和第二持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)期望變化。
圖2示出除第一功率水平102和第二功率水平104外還具有第三功率水平106的備選功率周期100。該第三功率水平106不同于第一功率水平102和第二功率水平104。如示出的，該第三功率水平106具有大于第一功率水平102和第二功率水平104兩者的功率，并且第一功率水平小于第三功率水平和第二功率水平兩者。
圖2的功率周期100的第三功率水平106由功率中的峰值限定。從而，圖2中的第三功率水平106的第三持續(xù)時(shí)間(如由第三功率水平106的長(zhǎng)度限定的)是第一持續(xù)時(shí)間的一小部分。例如，第三持續(xù)時(shí)間可以小于第一持續(xù)時(shí)間的5%，例如第一持續(xù)時(shí)間的大約
0.001%至大約1%。然而，在其他實(shí)施例中，第三功率水平的第三持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)期望調(diào)整使得激光束的功率對(duì)于第二持續(xù)時(shí)間保持在第二功率水平，該第二持續(xù)時(shí)間可以是脈沖的大約0. 01%至大約50%，例如脈沖持續(xù)時(shí)間的大約0. 1%至大約25%。
另外，圖2示出在脈沖Tp的功率周期100中第三功率水平106在順序上是在第一功率水平102之前，并且在脈沖Tp的功率周期100中第一功率水平102在順序上是在第二功率水平104之前。然而，在其他實(shí)施例中，該順序可以改變以滿足對(duì)于特定應(yīng)用期望的功率周期(例如，取決于正被劃刻的膜堆疊的性質(zhì))。
脈沖Tp的功率波動(dòng)曲線100中的轉(zhuǎn)變101、103、105、107可以相對(duì)于脈沖Tp的總持續(xù)時(shí)間快速發(fā)生，這樣的每個(gè)轉(zhuǎn)變101、103、105、107持續(xù)小于脈沖Tp的大約1% (例如，脈沖Tp的大約0. 001%至大約0. 1% )。
圖3示出通過(guò)將激光束30從激光源32引導(dǎo)到膜堆疊13上而在光伏器件10的襯底12 上劃刻該膜堆疊13的示范性系統(tǒng)28和方法。如在圖3中示出的，該激光束30直接施加到膜堆疊13的暴露表面38上來(lái)形成劃刻線40。圖4示出圖3的系統(tǒng)28和方法的備選實(shí)施例，其中激光束30穿過(guò)玻璃襯底12以在鄰近襯底12的膜堆疊13的內(nèi)表面42上形成劃刻線44。如規(guī)定的，可以根據(jù)激光束的強(qiáng)度(作為脈沖Tp總功率的函數(shù))調(diào)整劃刻線40、44進(jìn)入膜堆疊13的厚度的深度。
如在本領(lǐng)域內(nèi)已知的，激光源32可以是基于模擬光子發(fā)射通過(guò)光放大發(fā)射光(即，電磁輻射)的任何適合的激光器件。激光束30的波長(zhǎng)可以根據(jù)期望調(diào)整并且可以是大致上恒定或作為時(shí)間的函數(shù)隨著功率變化的單色或多色。例如，激光束30的波長(zhǎng)可以在大約250nm至大約1150nm的范圍中。激光束30的適合的單色波長(zhǎng)包括,但不限于,大約266nm、大約355nm、大約532nm和大約1064nm。另外,根據(jù)在光伏模塊10中形成的劃刻線40的期望的尺寸，激光束30可以通過(guò)激光源32中的透鏡33聚焦來(lái)控制激光束30的直徑。例如，在某些實(shí)施例中，激光束30的直徑可以是大約10 ii m至大約500 ii m。
在圖3和4中示出的實(shí)施例兩者中，激光源32經(jīng)由通信鏈路36 (例如，有線或無(wú)線通信鏈路)連接到計(jì)算裝置34。該計(jì)算裝置34配置成根據(jù)期望的功率周期100控制來(lái)自激光源32的激光束30的功率。具體地，該計(jì)算裝置34包括存儲(chǔ)器，其具有存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)可讀指令以供處理器執(zhí)行以根據(jù)期望的功率周期100控制來(lái)自激光源32的激光束30的功率。
圖5示出同時(shí)在光伏器件10中形成多個(gè)劃刻線40的示范性系統(tǒng)50和方法。沿著框架52安置多個(gè)激光源32。經(jīng)由輸送系統(tǒng)54在該框架52和多個(gè)激光源32下方運(yùn)送光伏器件10。光伏器件10在大致上垂直于框架52的取向的方向上移動(dòng)使得劃刻線40在大致上平行于光伏器件10的橫側(cè)邊緣53的大致上直的線中取向。另外，輸送系統(tǒng)54配置成以大致上恒定的速度移動(dòng)光伏器件10以便確保劃刻線40跨劃刻線40的長(zhǎng)度在深度上是均勻的。
圖6示出在光伏器件10中形成多個(gè)劃刻線40的備選系統(tǒng)60和方法。激光源32能移動(dòng)地安裝在框架62上，該框架62以相對(duì)于光伏器件10的行進(jìn)方向(即，器件向量)成一定角度(例如，大約10°至80° )取向。在劃刻期間，激光源32沿著框架62移動(dòng)使得它在器件向量上的移動(dòng)處于與光伏器件10的移動(dòng)相同的速度。從而，劃刻線40可以在垂直于器件向量并且大致上平行于橫側(cè)邊緣53的方向上在光伏器件10中形成。
盡管示出利用輥軸56，圖5和6的輸送系統(tǒng)54可以是配置成運(yùn)送光伏器件10的任何適合的運(yùn)送系統(tǒng)(例如，包括帶、軌道等)。光伏器件10可以在框架52下方傳輸，其中膜堆疊或玻璃襯底直接暴露于激光束30。
如關(guān)于圖3和4論述的，在圖5和6中示出的激光源32經(jīng)由計(jì)算裝置34控制。如此，每個(gè)激光源32可以根據(jù)具有如上文論述的功率周期100的脈沖Tp而脈沖化。
從而，圖5和6的系統(tǒng)50和60分別可以在光伏器件10中形成由劃刻線40分開(kāi)的多個(gè)光伏電池11。
脈沖化的激光束(其中每個(gè)脈沖根據(jù)如上文描述的預(yù)置功率周期100改變激光束的功率)可以在基于碲化鎘的薄膜光伏器件中形成劃刻線方面特別有用，例如在圖7-9中示出的。如示出的，基于碲化鎘的薄膜光伏器件10包括玻璃襯底12、TCO層14、高阻透明緩沖層16、硫化鋪層18、締化鋪層20、石墨層22和金屬接觸層24。
如規(guī)定的，光伏器件10大體上包括由劃刻線分開(kāi)的多個(gè)電池，劃刻線大體上經(jīng)由例如上文描述的激光劃刻工藝形成。例如，該激光劃刻工藝可需要限定通過(guò)光反應(yīng)層(即，硫化鎘層18和碲化鎘層20)和下層(即，通過(guò)TCO層14)向下至玻璃襯底12的第一隔離劃刻。然后在施加背接觸層之前，用介電材料填充該第一隔離劃刻線21以便確保TCO層14在電池之間電隔離。例如，可以使用光阻劑顯影工藝填充該第一隔離劃刻21，其中液體負(fù)性光阻劑(NPR)材料通過(guò)噴涂、滾涂、絲網(wǎng)印刷或任何其他適合的施加工藝涂覆到碲化鎘層20上。然后襯底12暴露于來(lái)自下面的光使得第一隔離劃刻21(以及碲化鎘材料20中的任何針孔)中的NPR材料暴露于光，從而使暴露的NPR聚合物交聯(lián)和“硬化”。襯底12然后在其中化學(xué)顯影劑施加于碲化鎘層20來(lái)溶解任何未硬化的NPR材料的工藝中“顯影”。也就是說(shuō)，未暴露于光的NPR材料由顯影劑從碲化鎘層20洗去，從而使得第一隔離劃刻21用NPR材料填充。
串聯(lián)連接劃刻23可以是通過(guò)石墨層22到達(dá)TCO層14的激光切割，并且用金屬接觸層24的導(dǎo)電金屬材料填充以使相鄰電池互相串聯(lián)電連接。當(dāng)然，任何導(dǎo)電材料可以包括在串聯(lián)連接劃刻23中。具體地，串聯(lián)連接劃刻23可以允許金屬接觸層24接觸TCO層14，從而在背接觸(即，石墨層22和金屬接觸層24)與前接觸材料(即，TCO層14)之間提供直接電連接。
最終，第二隔離劃刻26可以是通過(guò)背接觸(S卩，石墨層22和金屬接觸層24)與光反應(yīng)層(即，硫化鎘層18和碲化鎘層20)的激光切割，用于將背接觸隔離到個(gè)體電池中。
激光劃刻工藝可以用于形成這些劃刻線中的任何劃刻線。例如，當(dāng)形成第二隔離劃刻26時(shí)，如在圖I中示出的功率周期100可對(duì)于首先使用第一功率水平102劃刻石墨層22并且然后使用第二功率水平104劃刻光反應(yīng)層18和20是有用的。
圖7-9的示范性器件10包括作為襯底而被采用的上板玻璃12。在該實(shí)施例中，玻璃12可以稱為“頂板”，因?yàn)樗呛罄m(xù)層在其上形成的襯底，但當(dāng)使用碲化鎘薄膜光伏器件10時(shí)它朝上面向輻射源(例如，太陽(yáng))。該上板玻璃12可以是高透射玻璃(例如，高透射硼硅酸鹽玻璃)、低鐵浮法玻璃或其他高度透明的玻璃材料。該玻璃大體上厚到足以為后續(xù)膜層提供支撐(例如，從大約0. 5mm至大約IOmm厚)，并且大致上平坦以提供用于形成后續(xù)膜層的良好表面。在一個(gè)實(shí)施例中，玻璃12可以是含有少于大約0. 15% (按重量計(jì))鐵(Fe)的低鐵浮法玻璃，并且在感興趣光譜中(例如，從大約300nm至大約900nm的波長(zhǎng))可具有大約0. 9或更大的透射率。
透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層14在示范性器件10的玻璃12上示出。該TCO層14允許光最小吸收地穿過(guò)同時(shí)還允許由器件10產(chǎn)生的電流從旁邊行進(jìn)到不透明金屬導(dǎo)體(未示出)。例如，該TCO層14可以具有小于大約30歐姆每平方的薄層電阻，例如從大約4歐姆每平方至大約20歐姆每平方(例如，從大約8歐姆每平方至大約15歐姆每平方)等。TCO層14大體上包括至少一個(gè)導(dǎo)電氧化物，例如氧化錫、氧化鋅或氧化銦錫或其混合物等。另夕卜，TCO層14可以包括其他導(dǎo)電透明材料。TCO層14還可以包括錫酸鋅和/或錫酸鎘。
TCO層14可以通過(guò)濺射、化學(xué)氣相沉積、噴霧熱解或任何其他合適的沉積方法形成。在一個(gè)特定實(shí)施例中，TCO層14可以通過(guò)在玻璃12上濺射(例如，DC濺射或RF濺射)而形成。例如，錫酸鎘層可以通過(guò)將包含化學(xué)計(jì)量量的SnO2和CdO的熱壓靶以大約I至大約2的比率濺射到玻璃12上而形成。備選地，可以通過(guò)使用醋酸鎘和氯化錫(II)前驅(qū)物通過(guò)噴霧熱解制備錫酸鎘。 在某些實(shí)施例中，TCO層14可以具有在大約0. Iym和大約Iiim之間的厚度，例如從大約0. I ii m至大約0. 5 ii m,例如從大約0. 25 ii m至大約0. 35 y m等。具有在頂板表面上形成的TCO層14的適合的平坦玻璃襯底在商業(yè)上可以從各種玻璃制造商和供應(yīng)商處購(gòu)買。例如，包括TCO層14的特別適合的玻璃12包括在商業(yè)上可從PilkingtonNorth AmericaInc. (Toledo,Ohio)獲得的用TEC 15TC0名字的玻璃，其包括具有15歐姆每平方的薄層電阻的TCO層。
高阻透明緩沖層16 (RTB層)示出為在示范性碲化鎘薄膜光伏器件10上的TCO層14上。該RTB層16大體上比TCO層14電阻更大并且可以在器件10的加工期間有助于保護(hù)器件10防止TCO層14和后續(xù)層之間的化學(xué)相互作用。例如，在某些實(shí)施例中，該RTB層16可以具有大于大約1000歐姆每平方的薄層電阻，例如從大約10千歐姆每平方至大約1000兆歐姆每平方。該RTB層16還可以具有寬光學(xué)帶隙(例如，大于大約2. 5eV，例如從大約2. 7eV至大約3. OeV等)。
不希望被特別的理論束縛的情況下，認(rèn)為RTB層16在TCO層14和硫化鎘層18之間的存在可以通過(guò)降低界面缺陷(即，硫化鎘層18中的“針孔”)的可能性(該界面缺陷在TCO層14和碲化鎘層22之間形成分流)而允許在器件10中包括相對(duì)薄的硫化鎘層18。從而，認(rèn)為RTB層16允許TCO層14和碲化鎘層22之間具有改進(jìn)的粘附力和/或相互作用，由此允許相對(duì)薄的硫化鎘層18在其上形成而沒(méi)有顯著的不利影響，否則由于直接在TCO層14上形成的這樣的相對(duì)薄的硫化鎘層18將引起不利影響。
RTB層16可以包含例如氧化鋅(ZnO)和氧化錫(SnO2)的組合,其可以稱為氧化鋅錫層(“ZT0”)。在一個(gè)特定實(shí)施例中，RTB層16可以包括比氧化鋅更多的氧化錫。例如，RTB層16可以具有這樣的成分，其中Zn0/Sn02的化學(xué)計(jì)量比在大約0. 25和大約3之間，例如按氧化錫比氧化鋅的大約一比二(I 2)的化學(xué)計(jì)量比等。RTB層16可以通過(guò)濺射、化學(xué)氣相沉積、噴霧熱解或任何其他合適的沉積方法形成。在一個(gè)特定實(shí)施例中，RTB層16可以通過(guò)在TCO層14上濺射(例如，DC濺射或RF濺射)而形成。例如，RTB層16可以使用DC濺射方法通過(guò)在氧化氣氛(例如，O2氣體)的存在下施加DC電流到金屬源材料(例如，元素鋅、元素錫或其混合物)并且將該金屬源材料濺射到TCO層14上來(lái)沉積。當(dāng)該氧化氣氛包括氧氣(即，O2)時(shí),氣氛可以是大于大約95%的純氧，例如大于大約99%等。
在某些實(shí)施例中，RTB層16可以具有在大約0. 075iim和大約I Pm之間的厚度，例如從大約0. I ii m至大約0. 5 ii m。在特定實(shí)施例中，RTB層16可以具有在大約0. 08 y m和大約0. 2 ii m之間的厚度,例如從大約0. I u m至大約0. 15 u m。
硫化鎘層18在示范性器件10的高阻透明緩沖層16上示出。該硫化鎘層18是n型層，其大體上包括硫化鎘(CdS)，但還可包括其他材料，例如硫化鋅、硫化鎘鋅等和其混合物，以及摻雜劑和其他雜質(zhì)。在一個(gè)特定實(shí)施例中，該硫化鎘層18可包括高達(dá)25% (按原子百分比計(jì))的氧，例如從大約5%至大約20% (按原子百分比計(jì))。該硫化鎘層18可以具有寬帶隙(例如，從大約2.25eV至大約2.5eV，例如大約2.4eV等)以便允許最多的輻射能量(例如，太陽(yáng)能輻射)通過(guò)。如此，該硫化鎘層18認(rèn)為是器件10上的透明層。
硫化鎘層18可以通過(guò)濺射、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)浴沉積和其他適合的沉積方法形成。在一個(gè)特定實(shí)施例中，硫化鎘層18可以通過(guò)在高阻透明層16上濺射(直流(DC)濺射或射 頻(RF)濺射)而形成。濺射沉積大體上牽涉從靶(其是材料源)噴出材料并且將噴出的材料沉積到襯底上以形成膜。DC濺射大體上牽涉施加電壓于安置在濺射腔內(nèi)的襯底(即，陽(yáng)極)附近的金屬靶(即，陰極)以形成直流放電。該濺射腔可以具有反應(yīng)氣氛(例如，氧氣氛、氮?dú)夥?、氟氣?，其在金屬靶和襯底之間形成等離子體場(chǎng)。對(duì)于磁控濺射，反應(yīng)氣氛的壓強(qiáng)可以在大約I毫托和大約20毫托之間。當(dāng)金屬原子在施加電壓時(shí)從靶釋放時(shí)，金屬原子可以與等離子體反應(yīng)并且沉積到襯底的表面上。例如，當(dāng)氣氛包含氧時(shí)，從金屬靶釋放的金屬原子可以在襯底上形成金屬氧化物層。相反地，RF濺射大體上牽涉通過(guò)在靶(例如，陶瓷源材料)和襯底之間施加交流(AC)或射頻(RF)信號(hào)而激發(fā)電容放電。濺射腔可以具有惰性氣氛(例如，氬氣氛)，其具有在大約I毫托至大約20毫托之間的壓強(qiáng)。
由于高阻透明層16的存在，硫化鎘層18可以具有小于大約0. Iym的厚度，例如在大約IOnm和大約IOOnm之間,例如從大約50nm至大約80nm,其中在高阻透明層16和硫化鎘層18之間具有極少針孔存在。另外，具有小于大約0. I y m的厚度的硫化鋪層18減小由硫化鎘層18的任何輻射能吸收，從而有效地增加了到達(dá)在下面的碲化鎘層22的輻射能的量。
碲化鎘層20在圖I的示范性碲化鎘薄膜光伏器件10中的硫化鎘層18上示出。該碲化鎘層20是p型層，其大體上包括碲化鎘(CdTe)但也可包括其他材料。作為器件10的p型層，該碲化鎘層20是光伏層，其與硫化鎘層18 (即，n型層)相互作用以通過(guò)吸收傳遞進(jìn)入器件10的大部分輻射能(由于器件的高吸收系數(shù))并且形成電子空穴對(duì)而從輻射能吸收中產(chǎn)生電流。例如，該碲化鎘層20大體上可以用碲化鎘形成并且可以具有調(diào)整成吸收輻射能的帶隙(例如，從大約I. 4eV至大約I. 5eV，例如大約I. 45eV)以當(dāng)吸收輻射能時(shí)以最高電勢(shì)(電壓)形成最大數(shù)目的電子空穴對(duì)。電子可從P型側(cè)(即，碲化鎘層20)跨過(guò)結(jié)行進(jìn)到n型側(cè)(即，硫化鎘層18)，并且相反地，空穴可從n型側(cè)傳遞到p型側(cè)。從而，在硫化鎘層18和碲化鎘層20之間形成的p-n結(jié)形成二極管，其中電荷不平衡導(dǎo)致跨越p-n結(jié)的電場(chǎng)的形成。常規(guī)電流只允許在一個(gè)方向上流動(dòng)并且將光生電子空穴對(duì)分開(kāi)。
碲化鎘層20可以通過(guò)任何已知的工藝形成，例如氣相傳輸沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)、噴霧熱解、電沉積、濺射、近空間升華(CSS)等。在一個(gè)特定實(shí)施例中，硫化鎘層18通過(guò)濺射沉積并且碲化鎘層20通過(guò)近空間升華沉積。在特定實(shí)施例中，碲化鎘層20可以具有在大約0. I ii m和大約10 ii m之間的厚度,例如從大約Ium至大約5 y m。在一個(gè)特定實(shí)施例中,碲化鎘層20可以具有在大約2iim和大約4iim之間的厚度，例如大約3iim等。
一系列形成后的處理可以應(yīng)用于碲化鎘層20的暴露表面。這些處理可以調(diào)整碲化鎘層20的功能性并且使它的表面為后續(xù)粘附到背接觸層22和24做準(zhǔn)備。例如，碲化鎘層20可以在升高的溫度(例如，從大約350°C至大約500°C，例如從大約375°C至大約424°C )退火足夠的時(shí)間(例如，從大約I至大約10分鐘)以形成特性p型碲化鎘層。不希望被理論束縛的情況下，認(rèn)為將碲化鎘層20 (和器件10)退火將正常n型碲化鎘層20轉(zhuǎn)換成具有相對(duì)低電阻率的P型碲化鎘層20。另外，碲化鎘層20在退火期間可以再結(jié)晶并且經(jīng)歷晶粒生長(zhǎng)。
將碲化鎘層20退火可以在氯化鎘存在的情況下進(jìn)行以便用氯離子摻雜碲化鎘層20。例如，碲化鎘層20可以用含氯化鎘的水溶液清洗并且然后在升高的溫度下退火。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，在氯化鎘存在的情況下，將碲化鎘層20退火后，可以清洗表面以去除在表面上形成的任何氧化鎘。該表面制備可以通過(guò)從表面去除氧化物(例如CdO、 CdTeO3XdTe2O5等)而在碲化鎘層20上留下富Te表面。例如，表面可以用合適的溶劑(例如，也稱為1，2 二氨基乙烷或“DAE”的乙二胺)清洗以從表面去除任何氧化鎘。
另外，銅可以添加到碲化鎘層20。連同合適的蝕刻，添加銅到碲化鎘層20可以在碲化鎘層20上形成碲化銅表面以便獲得在碲化鎘層20(即，p型層)和背接觸層之間的低電阻電接觸。具體地，添加銅可以在碲化鎘層20和背接觸層22之間形成碲化亞銅(Cu2Te)的表面層。從而，碲化鎘層20的富Te表面可以通過(guò)在碲化鎘層20和背接觸層22之間的更低的電阻率來(lái)增強(qiáng)由器件形成的電流的收集。銅可以通過(guò)任何工藝施加于碲化鎘層20的暴露表面。例如，可以在具有合適的溶劑(例如，甲醇、水或其類似物或其組合)的溶液中在碲化鎘層20的表面上噴涂或清洗銅，接著退火。在特定實(shí)施例中，銅可在采用氯化銅、碘化銅或醋酸銅的形式的溶液中供應(yīng)。退火溫度足以允許銅離子擴(kuò)散進(jìn)入碲化鎘層20，例如從大約125°C至大約300°C (例如，從大約150°C至大約200°C )持續(xù)大約5分鐘至大約30分鐘，例如從大約10至大約25分鐘。
背接觸用石墨層22和在碲化鎘層20上示出的金屬接觸層22形成并且大體上充當(dāng)背電接觸，關(guān)于對(duì)側(cè)，TCO層14充當(dāng)前電接觸。該背接觸可以在碲化鎘層20上形成，并且在一個(gè)實(shí)施例中與碲化鎘層20直接接觸。
石墨層22可以包括聚合物共混物或碳糊并且可以通過(guò)用于分散共混物或糊的任何合適的方法(例如絲網(wǎng)印刷、噴涂或通過(guò)“刮”刀)施加到半導(dǎo)體器件。在施加石墨共混物或碳糊后，器件10可以被加熱以將共混物或糊轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電石墨層22。在特定實(shí)施例中，石墨層22在厚度上可以從大約0. I ii m至大約10 V- m,例如從約I y m至5 y m。
金屬接觸層24適當(dāng)?shù)赜靡粋€(gè)或多個(gè)高導(dǎo)電材料制成，例如元素鎳、鉻、銅、錫、鋁、金、銀、锝或其合金或混合物。通過(guò)例如濺射或金屬蒸發(fā)等技術(shù)適當(dāng)?shù)厥┘咏饘俳佑|層24(如果其由一個(gè)或多個(gè)金屬制成或包括一個(gè)或多個(gè)金屬)。金屬接觸層24在厚度上可以從約
0.I u m 至約 I. 5 u m。
其他部件(未示出)可以包括在示范性器件10中，例如母線、外部配線、激光蝕刻等。例如，當(dāng)器件10形成光伏模塊的光伏電池時(shí)，多個(gè)光伏電池可以串聯(lián)連接以便實(shí)現(xiàn)期望的電壓，例如通過(guò)電配線連接來(lái)串聯(lián)連接。串聯(lián)連接的電池的每端可以附連到例如電線或母線等合適的導(dǎo)體，以將光伏產(chǎn)生的電流引導(dǎo)到用于連接到使用產(chǎn)生的電的器件或其他系統(tǒng)的便利的位置。用于實(shí)現(xiàn)這樣的串聯(lián)連接的便利的手段是激光劃刻該器件以使器件分成通過(guò)互連連接的一系列電池。在一個(gè)特定實(shí)施例中，例如，如在上文參照?qǐng)D8描述的，激光可以用于劃刻半導(dǎo)體器件的沉積層以將器件分成多個(gè)串聯(lián)連接的電池。
該書(shū)面說(shuō)明使用示例以公開(kāi)本發(fā)明，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們包括不與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件則規(guī)定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
部件列表
權(quán)利要求
1.一種激光劃刻膜堆疊(13)的方法，所述膜堆疊包括襯底(12)上的多個(gè)薄膜層，所述方法包括 施加激光束(30)的脈沖到所述膜堆疊(13)上，其中所述激光束(30)具有在完成預(yù)定功率周期的脈沖期間作為時(shí)間的函數(shù)而變化的功率，其中所述脈沖持續(xù)大約0. I納秒至大約500納秒；以及 跨所述膜堆疊(13)重復(fù)所述激光束(30)的脈沖以形成通過(guò)所述襯底(12)上的薄膜層中的至少一個(gè)的劃刻線(44)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述功率周期限定不同于第二功率水平的第一功率水平，其中所述第一功率水平配置成劃刻所述襯底(12)上的第一薄膜層，并且其中所述第二功率水平配置成劃刻下面的第二薄膜層。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述功率周期限定不同于第二功率水平的第一功率 水平，其中所述激光束(30)的功率對(duì)于是所述脈沖的大約10%至大約90%的第一持續(xù)時(shí)間保持在所述第一功率水平。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述激光束的功率對(duì)于第二持續(xù)時(shí)間保持在所述第二功率水平，所述第二持續(xù)時(shí)間短于所述第一持續(xù)時(shí)間，并且其中所述第一功率水平小于所述第二功率水平。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第二持續(xù)時(shí)間是所述脈沖的大約0.5%至小于所述脈沖的50%。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述功率周期進(jìn)一步限定第三功率水平，其不同于所述第一功率水平和所述第二功率水平兩者，其中所述激光束(30)的功率對(duì)于是所述脈沖的大約0. 001%至大約50%的第三持續(xù)時(shí)間保持在所述第三功率水平。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述激光束(30)的功率對(duì)于所述脈沖持續(xù)時(shí)間的大約0. 01%至大約25%保持在所述第三功率水平。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一功率水平小于所述第三功率水平和第二功率水平兩者。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在所述脈沖的功率周期中，所述第三功率水平在順序上是在所述第一功率水平之前，并且其中在所述脈沖的功率周期中，所述第一功率水平在順序上是在所述第二功率水平之前。
10.一種激光劃刻基于碲化鎘薄膜的光伏器件的方法，所述方法包括 提供基于碲化鎘薄膜的光伏器件(10)，其中所述基于碲化鎘薄膜的光伏器件(10)包括玻璃頂板(12)和膜堆疊(13)，所述膜堆疊(13)包括所述玻璃頂板(12)之上的透明導(dǎo)電氧化物層(14)、所述透明導(dǎo)電氧化物層(14)之上的高阻透明緩沖層(16)、所述高阻透明緩沖層(16)之上的硫化鎘層(18)以及所述硫化鎘層(18)上的碲化鎘層(20)； 施加激光束(30)的脈沖到所述膜堆疊(13)上，其中所述激光束(30)具有在根據(jù)預(yù)定功率周期的脈沖期間作為時(shí)間的函數(shù)而變化的功率，其中所述脈沖持續(xù)大約0. I納秒至大約500納秒；以及 跨所述基于碲化鎘薄膜的光伏器件(10)重復(fù)所述激光束(30)的脈沖以在所述膜堆疊(13)中形成劃刻線。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述功率周期限定不同于第二功率水平的第一功率水平，其中所述激光束(30)的功率對(duì)于是所述脈沖的大約10%至大約90%的第一持續(xù)時(shí)間保持在所述第一功率水平。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述脈沖的功率周期中，所述第一功率水平在順序上是在所述第二功率水平之前。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述激光束(30)的功率對(duì)于第二持續(xù)時(shí)間保持在所述第二功率水平，所述第二持續(xù)時(shí)間短于所述第一持續(xù)時(shí)間，并且其中所述第一功率水平小于所述第二功率水平。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述功率周期進(jìn)一步限定第三功率水平，其不同于所述第一功率水平和所述第二功率水平兩者，其中所述激光束的功率對(duì)于是所述脈沖的大約0. 5%至大約50%的第三持續(xù)時(shí)間保持在所述第三功率水平。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中在所述脈沖的功率周期中，所述第三功率水平在順序上是在所述第一功率水平之前，并且其中在所述脈沖的功率周期中，所述第一功率水平在順序上是在所述第二功率水平之前。
全文摘要
本公開(kāi)涉及劃刻光伏器件期間隨時(shí)間改變激光強(qiáng)度的方法。提供用于激光劃刻包括襯底(12)上的多個(gè)薄膜層的膜堆疊(13)的方法。激光束(30)的脈沖施加于該膜堆疊(13)，其中該激光束(30)具有在根據(jù)預(yù)定功率周期的脈沖期間作為時(shí)間的函數(shù)而變化的功率。例如，該脈沖可以具有持續(xù)大約0.1納秒至大約500納秒的脈沖。激光束(30)的該脈沖可以跨膜堆疊(13)重復(fù)以形成通過(guò)襯底(12)上的薄膜層中的至少一個(gè)的劃刻線。這樣的方法在激光劃刻基于碲化鎘薄膜的光伏器件(10)方面特別有用。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102744520SQ20121012999
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者J·M·弗里 申請(qǐng)人:初星太陽(yáng)能公司