CN101710601A - 薄膜太阳能电池修复方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于修复薄膜太阳能电池的方法和设备，其中该设备包括如下装置：电压源(201)，用于对待修复的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；红外成像装置(202)，用于对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；图像分析装置(203)，用于识别和定位所述红外成像中的高温区域；存储装置(204)，用于存储所述识别和定位的高温区域的位置；以及清除或隔离装置(205)，用于清除或隔离所述识别和定位的高温区域。上述修复方法和设备能够精确地执行薄膜太阳能电池的修复，提高薄膜太阳能电池的成品率。

Description

薄膜太阳能电池修复方法和设备

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造工艺，特别涉及用于一种薄膜太阳能电池修复方法和设备。

背景技术

随着现代工业的高速发展、技术快速的更新换代以及对能源的需求，现在能源结构正在发生着根本性的变革。传统的能源：煤炭、石油、天然气的使用量将在2020年-2040年到达高峰，而在2050年后将会逐渐枯竭。可再生能源(主要是太阳能)等替代能源从2000年开始迅猛发展，到2050年使用量将达到高峰。传统太阳能电池是使用单晶硅或多晶硅薄片，其中硅材料应用较多，浪费严重，硅元素提纯工艺复杂且成本太高。薄膜太阳能电池使用非晶硅或其他材料，硅元素量使用很少或不使用硅材料，所以基本无原料瓶颈，尤其是非晶硅薄膜太阳能电池，成本低且工艺成熟，所以发展很快，成为目前薄膜太阳能电池最成熟的产品之一。

薄膜太阳能电池从发明到进入产业化经历了一个漫长的过程，比如以非晶硅为代表的硅基薄膜电池最早是由美国RCA公司DavidSarnoff实验室的Carlson博士在1976年首次发明和制作成功的，但真正进入大规模产业化生产，特别是高效叠层硅基薄膜电池的商业化生产直到上世纪90年代中才开始，其中较有代表性的是BP Solar公司在美国弗吉尼亚州建造的当时全球第一条10兆瓦非晶硅/非晶锗硅叠层薄膜电池生产线。而影响其产业化进程的一个较为主要的因素是生产线上的成品率较低，因为成品率直接影响到产能、材料利用率，某些影响成品率的因素甚至还直接影响电池的平均能量转换效率，归根结底是直接提高了薄膜电池的生产成本，因此削弱了薄膜电池对传统晶硅电池的竞争力。为了将薄膜电池的生产成品率提高到有竞争力的(＞90％)水平，解决薄膜电池漏电流问题是个关键。

如图1所示，其中示出一种单结非晶硅薄膜太阳能电池的层结构。该非晶硅薄膜太阳能电池是在透明基板1(主要是玻璃)上依次沉积、溅射受光面电极2、光电转换层3、衬面电极4而形成。作为透明基板1，可采用玻璃板、透明树脂膜等。受光面电极2由例如ITO(锢锡氧化物)等透明导电性氧化物构成。从受光面电极2侧开始，光电转换层3具有p型非晶硅层、i型非晶硅层及n型非晶硅层的层积构造。衬面电极4由例如银、铝、钛、铜等金属材料和ZnO、ITO、SnO等金属氧化物的层积膜构成。光电转换层3的特性类似于二极管，具有单向导电性。如图2中所示，在薄膜光电转换层3的沉积或溅射制造工艺中，在光电转换层3上会产生小孔或针眼5。由于针眼5的存在，在沉积形成衬面电极4时，衬面电极4的导电材料会填充针眼5形成通路6使得衬面电极4与受光面电极2之间的短路(图3)。这种短路导致薄膜太阳能电池产生的电能通过通路6泄露，降低薄膜太阳能电池的性能。这就是所谓的薄膜太阳能电池漏电流问题。这种短路缺陷也可能由于绒面透明导电膜的尖角或者是激光切割等种种原因造成。

修复这种短路缺陷的传统方法是通过在那些电极间施加反偏压修复短路部分的方法(例如参照特开2000-277775号公报)。下面，将该修复方法称为反偏压修复法。如图4中所示，用电压源10在受光面电极2和衬面电极4之间施加反向偏压。

图5为单层型光电转换单元中的反偏压修复时的等效电路示意图。光电转换层与二极管等价，因此在施加了反偏压时，等效于电容器C。另外，短路部分6与电阻等效，用R表示。如图6所示，当在电极间施加反偏压时，则短路部分6选择性流过电流，产生焦耳热。利用该焦耳热，使短路部分6的金属被氧化成绝缘体7或被熔断，将短路部分修复。

但是，这种传统的修复漏电流缺陷的反向偏压烧蚀方法常常达不到满意的效果。由于漏电流缺陷的情况多种多样，难以确定和控制所施加的反向电压的大小。如果短路缺陷面积和电阻都很小，则施加较小的反向电压则产生较大的反向电流，导致局部区域过度发热而损坏短路缺陷周围的较大面积的良好电池区域。如果短路缺陷面积很大，则由于大面积的散热，即使施加较大的反向电压也不一定能够使得短路缺陷区域加热到能够实现氧化或熔化修复的温度。

因此这种传统的修改方法较难控制，并且容易损坏周边的良好电池区域。

发明内容

为了解决上述传统的修复薄膜太阳能电池漏电流缺陷的问题，本发明提供一种新型的薄膜太阳能电池修复方法，其中包括如下步骤：对待修复的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；识别和定位所述红外成像中的高温区域；以及清除或隔离所述识别和定位的高温区域。

根据本发明的一个方面，该修复方法还包括如下步骤：检测修复后的薄膜太阳能电池，判断是否需要再次执行所述修复方法。

根据本发明的一个方面，所述检测修复后的薄膜太阳能电池的步骤包括如下步骤：对所述修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层施加反向偏压；检测反向漏电流；判断所述反向漏电流是否大于预定阈值，如果大于预定阈值则确定需要执行再次修复，否则结束修复操作。

根据本发明的一个方面，所述检测修复后的薄膜太阳能电池的步骤包括如下步骤：对经过修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；判断所述红外成像中是否存在高温区域，如果存在高温区域则确定需要执行再次修复，否则结束修复操作。

根据本发明的一个方面，所述反向偏压为-0.1V至-3.0V。

根据本发明的一个方面，所述清除或隔离所述识别和定位的高温区域的步骤包括通过在所述高温区域周围划开连续闭合的沟槽，使得所述高温区域与所述薄膜太阳能电池的其他区域相绝缘。

根据本发明的一个方面，其中使用激光划线装置或机械划线装置来执行所述清除或隔离所述识别和定位的高温区域的步骤。

根据本发明的一个方面，其中通过识别所述红外成像中的色阶或灰度来确定红外成像中的高温区域。

根据本发明的一个方面，其中所述薄膜太阳能电池为非晶硅电池、碲化镉电池或铜铟镓硒电池。

根据本发明的一个方面，其中所述薄膜太阳能电池为单结薄膜太阳能电池或多结薄膜太阳能电池。

本发明还提供一种用于修复大面积发光二极管的漏电流缺陷的方法，其中利用上述修复薄膜太阳能电池的方法执行所述修复。

本发明还提供一种用于修复薄膜太阳能电池的设备，其中包括如下装置：电压源，用于对待修复的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；红外成像装置，用于对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；图像分析装置，用于识别和定位所述红外成像中的高温区域；存储装置，用于存储所述识别和定位的高温区域的位置；以及清除或隔离装置，用于清除或隔离所述识别和定位的高温区域。

根据本发明的一个方面，所述用于修复薄膜太阳能电池的设备还包括如下装置：检测装置，用于检测修复后的薄膜太阳能电池，判断是否需要再次执行所述修复。

根据本发明的一个方面，其中所述检测装置通过检测对所述修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层施加反向偏压时的反向漏电流的大小，来确定是否需要执行再次修复。

根据本发明的一个方面，其中经过一次修复后，所述电压源对经过修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；所述红外成像装置对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；所述图像分析装置判断所述红外成像中是否存在高温区域，如果存在高温区域则确定需要执行再次修复，否则结束修复操作。

附图说明

图1示出薄膜太阳能电池的层结构；

图2示出薄膜太阳能电池的制造工艺过程中可能出现的缺陷；

图3示出薄膜太阳能电池的制造工艺过程中可能出现的缺陷导致电极受光面电极和衬面电极之间短路产生漏电流的示意图；

图4示出传统的修复薄膜太阳能电池的反向偏压烧蚀方法在太阳能电池组件上施加反向偏压的示意图；

图5示出根据图4说明的传统方法施加反向偏压时的等效电路示意图；

图6示出根据图4说明的传统方法施加反向偏压烧蚀后的结果的示意图；

图7示出根据本发明方法的修复薄膜太阳能电池组件的结果的截面视图；

图8示出根据本发明方法的修复薄膜太阳能电池组件的结果的平面视图；

图9示出根据本发明方法的修复薄膜太阳能电池组件的流程图；以及

图10示出根据本发明的修复薄膜太阳能电池组件的装置的方框图。

下面结合附图详细描述本发明的优选实施例。

具体实施方式

由于上文所提到的传统修复薄膜太阳能电池的方法存在种种缺点，因此需要寻求一种更加有效的修复方法。

由于根据传统的修复薄膜太阳能电池的方法施加反向偏压时，在太阳能电池的短路漏电区域上存在有漏电流，会导致这些局部区域发热。如果能够把这些发热区域都找出来并且将它们与正常的电池区域相隔离，则可以修复漏电流缺陷。

随着红外成像技术的发展，热成像灵敏度已经越来越高，高灵敏度红外摄像机成本也变得越来越低，因此我们可以设想用相当简单的红外成像法对施加反向偏压的薄膜太阳能电池成像，能够显示出发热区域，从而用图像处理的方法自动定位这些漏电流源，并确定它们在组件中的坐标位置，然后将组件置于激光或机械划线机中，用激光或刻刀将确认的漏电流源与周围的正常电池区域划开，一一作绝缘处理，或者直接把被确认的漏电流源从薄膜太阳能电池上清除或剥离，从而使原先由于漏电流而沦为不合格的薄膜太阳能电池组件变为合格组件。

图7示出根据本发明方法的修复薄膜太阳能电池组件的结果的截面视图。如图中所示，通过划线隔离的方式将被确认为漏电流源的区域6的周围划割出连续闭合的沟槽8，使得漏电流源的区域6与正常电池区域隔离开，从而修复该薄膜太阳能电池组件。

图8示出根据本发明方法的修复薄膜太阳能电池组件的结果的平面视图。如图所示，在薄膜太阳能电池组件10上，通过本发明的方法找出被确认为漏电流源的灰色区域6，然后在其周围划出各种轮廓的闭合隔离带8，使得漏电流源的区域6与正常电池区域隔离开。通常情况下，漏电流源的区域6非常小，因此隔离带8不影响正常电池区域的工作。

上述图7和8示出用划线隔离的方法修复薄膜太阳能电池的例子，显然通过直接清除或剥离漏电流源的方法也可以到达相同的效果。

下面参照图9描述用本发明的修复方法修复单结非晶硅薄膜太阳能电池组件的流程图。如图9中所示，在步骤101中，对待修复的薄膜太阳能电池组件的两个电极施加反向偏压。在此由于是对单结非晶硅薄膜太阳能电池组件的修复，因此两个电极之间只有一个光电转换层，而短路现象仅发生在该单一的光电转换层中，因此如果存在短路，则当施加反向偏压时会产生漏电流。为了获得均匀分布的漏电流图像，优选采用多接触点分布式装置一次性加反向偏压。典型偏压值在-0.1V至-3.0V之间，使有漏电流源处由于电阻加热相对于该薄膜太阳能电池的其他部分形成高温区域或者热点区域。

如果要修复多结的叠层非晶硅薄膜太阳能电池组件，每个叠层都有一个光电转换层。假设有两个光电转换层的叠层，只有其中一个光电转换层存在短路现象，则当对该叠层非晶硅薄膜太阳能电池的上下两个电极施加反向偏压时，由于正常的光电转换层相当于一个二极管不会导通反向电流，因此不能通过对多结叠层太阳能电池上下两个电极施加反向偏压的方式来发现短路现象。这需要分别对多结叠层薄膜太阳能电池组件的每个光电转换层的两侧施加反向偏压来发现漏电流短路现象，其原理和操作步骤与图9中所示的单结非晶硅薄膜太阳能电池组件修复方法类似，不再赘述。

在步骤102中，用红外成像仪对施加反向偏压的薄膜太阳能电池组件进行红外成像，为了便于计算机处理，优选拍摄数字化红外照片。

在步骤103中，通过图像识别软件，自动对红外成像照片中的不同热点区域进行识别和精确定位。该热点区域即漏电流源区域。优选地，将该热点区域的坐标存储在存储装置中。例如，通过存储该热点区域中心位置的坐标以及该热点半径来描述该热点的位置。图像识别软件可以用现有的各种识别色阶或灰度范围的图像处理软件。例如，可以根据统计规律或经验值确定某一色阶或灰度阈值，将超过该阈值的图像区域确定为热点区域并记录其位置。

在步骤104中，用清除或隔离装置对所定位的热点区域进行划线隔离。该清除或隔离装置可以是激光绝缘仪、激光划线装置或机械划线装置。用激光划线时可以从透明的透明基板1侧进行照射，使得被照射的受光面电极2、光电转换层3和衬面电极4发热、气化和剥离，形成绝缘沟槽8。如果使用机械划线装置则可以在衬面电极4侧进行机械划线，以划出绝缘沟槽8。划线装置可以在计算机的控制下基于预先存储的热点区域位置划出方形、矩形、圆形或其他轮廓的绝缘沟槽8。除了划线隔离之外，还可以直接将整个热点区域从薄膜太阳能电池上清除或剥离。

在步骤105中，判断已经对热点区域进行划线隔离或剥离后的薄膜太阳能电池组件是否要再次修复。由于短路的情况不同，有些区域短路电阻小，因此温度高，容易被发现和剔除，这些高温区域有时会掩盖短路电阻较大的低温区域。在剔除短路电阻小的区域后，短路电阻大的区域会凸显出来，因此通过再次修复能够找出短路电阻较大的区域。步骤105的判断可以通过对一次修复后的薄膜太阳能电池组件施加反向偏压，测量反向漏电流来判断是否需要再次修复，如果仍然检测到超过预定阈值的漏电流，则需要返回到步骤101进行再次修复，直到检测合格为止。当然也可以用其他现有的薄膜太阳能电池组件检测方法来判断是否需要再次修复。还可以将步骤105置于步骤103和步骤104之间，因为步骤101-103本身就是一种检测漏电流的方法。通过在每次执行修复后，都重复执行步骤101-103，直到不需要执行修复时为止。所述步骤105是优选步骤，如果没有该步骤也不影响本发明的实现。

下面参照图10描述根据本发明的修复薄膜太阳能电池组件的装置的方框图。如图10所示，根据本发明的修复设备20包括电压源201、红外成像装置202、图像分析装置203、存储装置204、清除或隔离装置205以及检测装置206。其中电压源201用于对薄膜太阳能电池组件的两个电极或者其中的一个光电转换层的两侧施加反向偏压。该电压源的电压输出可调，优选输出-0.1V至-3.0V的电压。红外成像装置202用于对施加反向偏压的薄膜太阳能电池组件进行红外成像，优选拍摄数字化红外照片。

图像分析装置203连接到红外成像装置202，用于自动对红外成像照片中的不同热点区域进行识别和精确定位，并且存储在存储装置204中。例如，通过存储该热点区域中心位置的坐标以及该热点半径来描述该热点的位置。图像分析装置203可以用现有的各种识别色阶或灰度范围的图像处理方法。例如，可以根据统计规律或经验值确定某一色阶或灰度阈值，将超过该阈值的图像区域确定为热点区域并记录其位置。

清除或隔离装置205用于对所定位的热点区域进行划线隔离。该清除或隔离装置205可以是激光绝缘仪、激光划线装置或机械划线装置。用激光划线时可以从透明的透明基板1侧进行照射，使得被照射的受光面电极2、光电转换层3和衬面电极4发热、气化和剥离，形成绝缘沟槽8。如果使用机械划线装置则可以在衬面电极4侧进行机械划线，以划出绝缘沟槽8。划线装置205可以基于从存储装置204读取的热点位置，划出包围和隔离该热点位置的方形、矩形、圆形或其他轮廓的绝缘沟槽8。除了划线隔离之外，还可以直接将整个热点区域从薄膜太阳能电池上清除或剥离。

检测装置206判断已经对热点区域进行清除或划线隔离后的薄膜太阳能电池组件是否要再次修复。该判断可以通过对一次修复后的薄膜太阳能电池组件施加反向偏压，测量反向漏电流来判断是否需要再次修复，如果仍然检测到超过预定阈值的漏电流，则需要由修复设备20再次修复，直到检测合格为止。该检测装置206也可以由图像分析装置203来实现，通过在每次执行修复后，都由红外成像装置202再次拍摄红外照片，并由图像分析装置203分析是否还存在要修复的热点。因此，检测装置206是一个优选的部件，如果没有该部件也不影响本发明的实现。

上文虽然主要针对单结薄膜太阳能电池组件描述本发明的修复方法和装置，但是还可以将本发明的修复方法和装置用于修复多结叠层薄膜太阳能电池组件。可以应用于所有的薄膜太阳能电池组件，包括非晶硅电池、碲化镉电池和铜铟镓硒电池。同理，本发明还可以用于修复大面积发光二极管中的漏电流缺陷。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (21)

1.一种用于修复薄膜太阳能电池的方法，其中包括如下步骤：

对待修复的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；

对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；

识别和定位所述红外成像中的高温区域；以及

清除或隔离所述识别和定位的高温区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中还包括如下步骤：

检测修复后的薄膜太阳能电池，判断是否需要再次执行所述修复方法。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述检测修复后的薄膜太阳能电池的步骤包括如下步骤：

对所述修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层施加反向偏压；

检测反向漏电流；

判断所述反向漏电流是否大于预定阈值，如果大于预定阈值则确定需要执行再次修复，否则结束修复操作。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述检测修复后的薄膜太阳能电池的步骤包括如下步骤：

对经过修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；

对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；

判断所述红外成像中是否存在高温区域，如果存在高温区域则确定需要执行再次修复，否则结束修复操作。

5.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其中所述反向偏压为-0.1V至-3.0V。

6.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其中所述清除或隔离所述识别和定位的高温区域的步骤包括通过在所述高温区域周围划开连续闭合的沟槽，使得所述高温区域与所述薄膜太阳能电池的其他区域相绝缘。

7.根据权利要求6所述的方法，其中使用激光划线装置或机械划线装置来执行所述清除或隔离所述识别和定位的高温区域的步骤。

8.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其中通过识别所述红外成像中的色阶或灰度来确定红外成像中的高温区域。

9.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其中所述薄膜太阳能电池为非晶硅电池、碲化镉电池或铜铟镓硒电池。

10.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其中所述薄膜太阳能电池为单结薄膜太阳能电池或多结薄膜太阳能电池。

11.一种用于修复大面积发光二极管的漏电流缺陷的方法，其中利用权利要求1-10中的任何一项所述的方法执行所述修复。

12.一种用于修复薄膜太阳能电池的设备，其中包括如下装置：

电压源(201)，用于对待修复的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；

红外成像装置(202)，用于对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；

图像分析装置(203)，用于识别和定位所述红外成像中的高温区域；

存储装置(204)，用于存储所述识别和定位的高温区域的位置；以及

清除或隔离装置(205)，用于清除或隔离所述识别和定位的高温区域。

13.根据权利要求12所述的设备，其中还包括如下装置：

检测装置(206)，用于检测修复后的薄膜太阳能电池，判断是否需要再次执行所述修复。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述检测装置(206)通过检测对所述修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层施加反向偏压时的反向漏电流的大小，来确定是否需要执行再次修复。

15.根据权利要求12所述的设备，其中经过一次修复后，所述电压源(201)对经过修复后的薄膜太阳能电池中的一个光电转换层两侧施加反向偏压；所述红外成像装置(202)对施加反向偏压的薄膜太阳能电池进行红外成像；所述图像分析装置(203)判断所述红外成像中是否存在高温区域，如果存在高温区域则确定需要执行再次修复，否则结束修复操作。

16.根据权利要求12-15中的任何一项所述的设备，其中所述电压源(201)的反向偏压为-0.1V至-3.0V。

17.根据权利要求12-15中的任何一项所述的设备，其中所述清除或隔离装置(205)通过在所述高温区域周围划开连续闭合的沟槽，使得所述高温区域与所述薄膜太阳能电池的其他区域相绝缘。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述清除或隔离装置(205)包括激光划线装置或机械划线装置。

19.根据权利要求12-15中的任何一项所述的设备，其中所述图像分析装置(203)通过识别所述红外成像中的色阶或灰度来确定红外成像中的高温区域。

20.根据权利要求12-15中的任何一项所述的设备，其中所述薄膜太阳能电池为非晶硅电池、碲化镉电池或铜铟镓硒电池。

21.根据权利要求12-15中的任何一项所述的设备，其中所述薄膜太阳能电池为单结薄膜太阳能电池或多结薄膜太阳能电池。

Images