CN101800262A - 太阳能电池衬底及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了太阳能电池衬底及其制造方法。该方法包括在背接触内沉积一定厚度的中间层，其没有负面影响光穿过太阳能电池的反射或者透射。中间层避免了激光刻划期间金属从背接触的剥离。

Description

太阳能电池衬底及其制造方法
技术领域
本发明通常涉及光电电池及光电电池的制造。特别地，本发明涉及改进太阳能电池制造的方法，尤其是在激光刻划期间。
背景技术
光电电池(PV)或者太阳能电池是将太阳能转化成直流(DC)电能的材料结器件。当暴露在太阳光(由来自光子的能量组成)时，太阳能电池p-n结的电场分隔开自由电子和空穴对，由此产生光电压。当太阳能电池连接到电负载时，从n侧到p侧的电路允许电子流动，同时PV电池结器件的面积和其它参数决定可用电流。电功率是电子和空穴重新组合时产生电流乘以电压的乘积。
在过去的二十年太阳能电池已经得到了显著地发展，实验效率已经从1980年的低于大约5％增加到2008年的几乎40％。最常见的太阳能电池材料是硅，其是单晶硅或者多晶硅晶片形成。由于形成硅基太阳能电池产生电的折余成本高于使用传统方法产生电的成本，所以已经在努力减少形成太阳能电池的成本。尤其是，薄膜技术能够实现流线化、大批量地制造太阳能电池以及大大降低的硅消耗。
薄膜太阳能器件通常由沉积在玻璃板上的多个薄材料层组成。目前，占主导的太阳能电池薄膜基于所谓单结构造中的非晶硅(α-Si)，该单结构造中，透明导电氧化物(TCO)层沉积在玻璃衬底上，并且非晶硅沉积在TCO层上，背接触包括在α硅层上的掺铝氧化锌(AZO)层，在AZO层上的铝层，和在铝层上的NiV。串联结器件包括沉积在玻璃上的透明导电氧化物(TCO)层、沉积在TCO层上的α硅层，以及在α硅层上的背接触，该背接触包括在α硅层上的AZO层，在AZO层上的银层和在银层上的NiV。
目前，在太阳能电池和PV板组装成PV模块和太阳能板之前，从很多小的硅薄板或者晶片作为材料单元开始制造它们，并加工成单个的光电电池。通常用刻划工艺将这些玻璃板再分成大量(100和200之间)的单个太阳能电池，该工艺还对相邻电池限定了电互联。这一刻划产生了低电流活性‘带’，通常只有5-10mm宽，其串联电连接以产生具有几安培电流的高功率(通常从几十瓦到几百瓦)。激光刻划能够实现下一代薄膜器件的大批量生产，并且激光刻划在质量上、速度上和稳定性上优于机械刻划方法。
现有的使用激光刻划制造太阳能板的工艺可能会带来问题，尤其是当制造背接触而在AZO层上使用银时。特别地，在激光刻划期间，银可能从AZO剥离，其可能导致在刻划的带区域中形成碎片和缺陷，其可能导致太阳能电池器件中的短路。另外，由于银从AZO层剥离，也就是减少了从太阳能电池的反射，所以太阳能电池可能经受其它的问题。这可能导致α硅层产生更多的电流。因此，需要高效太阳能电池p-n结的形成以改进太阳能电池的制造工艺。
发明内容
本发明的方案包括光电电池以及制造光电器件的方法。在一个实施例中，制造光电器件的方法包括在玻璃衬底上沉积透明导电氧化物层；在透明导电氧化物层上沉积硅层；在硅层上形成背接触，包括形成沉积在硅层上的氧化锌层，在硅层上沉积中间层，和在中间层上沉积银层；穿过背接触激光刻划。
在一个实施例中，沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约550nm和850nm之间的光穿过器件的透射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光透射的5％之内。在一个实施例中，沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约800nm和1000nm之间的光在器件中的反射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光反射的大约5％之内。
在一个或者多个实施例中，穿过背接触的激光刻划不会引起银层的剥落。在一个实施例中，中间层包括Cr、Ti、Mo、Si，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一种或者多种，及其组合。例如，中间层可包括Cr的氧化物，比如Cr2O3。在一个或者多个实施例中，中间层具有小于大约的厚度，并且在具体实施例中，小于大约
在一个实施例中，沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约550nm和850nm之间的光穿过器件的透射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光透射的5％之内。在另一个实施例中，沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约800nm和1000nm之间的光在器件中的反射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光反射的大约5％之内。
本发明的另一个方案，光电电池包括在玻璃衬底上的透明导电氧化物层；在透明导电氧化物层上的硅层；以及包括AZO层、具有小于大约厚度的中间层、以及在中间层上的银层的背接触。在一个实施例中，中间层包括Cr、Ti、Mo、Si，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一种或者多种，及其组合。在具体实施例中，中间层包括Cr2O3。在另一个具体实施例中，中间层具有小于大约的厚度。在一个实施例中，中间层具有一厚度，使得波长在大约550nm和850nm之间的光穿过器件的透射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光透射的5％之内。在另一个实施例中，中间层具有一厚度，使得波长在大约800nm和1000nm之间的光在器件中的反射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光反射的大约5％之内。
附图说明
图1示意性地描述了用透明导电氧化物涂覆的玻璃衬底；
图2示出了在已经穿过透明导电氧化物层激光刻划出带之后，图1的玻璃衬底；
图3示出了已经在透明导电氧化物层上沉积硅层之后，图2的玻璃衬底；
图4示出了已经激光刻划硅层之后，图3的玻璃衬底；
图5示出了已经在硅层上沉积金属层之后，图4的玻璃衬底；
图6示出了已经激光刻划金属层和下面的透明导电氧化物层之后，图5的玻璃衬底；
图7示出了根据本发明的实施例在太阳能电池上的层状结构；
图8示出了根据现有技术激光刻划模块的TEM(透射电子显微镜法)照片；
图9示出了根据本发明实施例制造的激光刻划太阳能电池的TEM照片；
图10示出了不同Cr厚度的透射，具体地，和没有中间层的样品相比，包括中间Cr层的串联结(TJ)样品关于透射(QE)对波长的曲线图；
图11示出了不同Cr厚度的反射，具体地，和没有中间层的样品相比，包括中间Cr层的样品关于反射对波长的曲线图；
图12示出了根据本发明实施例制造的包括中间层的样品的TEM照片；
图13示出了具有不同背接触的TJ的QE，具体地，和根据本发明实施例制造的太阳能电池相比，根据现有技术方法制造的串联结太阳能电池关于QE对波长的曲线图。
具体实施方式
在描述本发明的几个示例性实施例之前，应理解的是，本发明不局限于下面的描述中所提出的结构或者工艺步骤的细节。本发明能够用于其它实施例以及以多种方式实施或者实现。
如在这一说明书和所附权利要求中所使用，除非上下文中另外明确指出，否则单数形式“一个”、“该”包括多个所指对象。应理解的是，这里描述的激光刻划工艺可应用于所有类型的薄膜太阳能电池制造，包括基于CdTe(碲化镉)和cigs(铜铟镓硒)的那些。
参考图1-6，示出了太阳能电池制造工艺的示例性实施例。从图1开始，以玻璃板或者衬底100开始制造太阳能电池。玻璃板的示例性厚度是大约3mm。在本领域，实际上将该玻璃衬底称作玻璃上板，因为太阳光将进入穿过该支撑玻璃。在太阳能电池的制造期间，首先，在玻璃衬底100上沉积连续的、均匀的TCO(透明导电氧化物)层110。TCO层110的厚度通常是几百纳米。TCO层最终形成太阳能电池的前电极。用于TCO层的适当材料包括AZO和SnO2，并且可以通过任何适当的工艺例如化学汽相沉积或者溅射沉积TCO层。
现在参考图2，在TCO层沉积之后，接下来是激光刻划工艺(通常将其称作P1)，其穿过整个TCO层的厚度刻划带115。如图3所示，在该第一次刻划工艺P1之后，在TCO层上沉积p型和n型硅层120，并且硅层通常是á硅。硅层的总厚度通常是0.5-3μm的量级，通常通过化学汽相沉积或者其它适当的工艺来沉积该层。
参考图4，硅沉积步骤之后是第二次激光刻划步骤(通常称作P2)，其穿过硅层120完全切割带125。如图5所示，形成后电极的金属背接触130沉积在硅层120上。金属背接触130可以是任何合适的金属，例如铝、银或者钼，并且可以通过适当的沉积工艺例如物理汽相沉积来沉积这一背接触。通常，金属背接触130将包括几个单独的层，将在下面更详细描述。现在参考图6，使用第三次刻划工艺(称作P3)穿过金属背接触130和硅层120刻划带135。然后用后表面玻璃叠层密封面板。
在具体实施例中，在串联结器件的制造期间，背接触130可包括覆盖α硅层的若干层。在特定结构中，首先在α硅层上沉积AZO层，然后在AZO层上沉积银层。其后，可在银层上沉积NiV层。应理解的是，本发明不局限于用于背接触130的具体金属。
在对AZO层上具有银层的器件P3切割期间，已经观察到在刻划区域中的银具有剥落和导致缺陷的趋势，其带来不良的电池性能。图8是放大100倍的SEM照片，示出了对具有包括AZO上的银的背接触的太阳能电池进行P3激光刻划之后的银片状剥落(flaking)(黑色颗粒)。相信剥离和剥落是由于银和AZO材料的不良粘结。研究改善银和AZO层的粘结性的一种方法是增加银层的厚度，但是这没有带来显著的改进。此外，研究了氧氩等离子体工艺，其似乎改善了银和AZO层之间的粘结性，然而，很难控制散布在沉积腔室中的等离子体的均匀性。
然后考虑在背接触的银和AZO层之间的中间层提供多种材料。然而，必须仔细考虑在太阳能电池的银层下添加任何材料层，因为银层不仅在导电中起到极其重要的功能，而且还反射光。因此，银和AZO层之间的中间层的应用必须不能负面影响太阳能电池中的反射或者电池中光透射。
考虑几种材料候选用于中间层。在选择用于中间层的适当材料时必须考虑几种标准。一个因素是几种金属和氧的生成热。最初，和氧具有较高生成热的材料是有利的。然而，由于形成金属氧化物的困难性，所以从考虑中去除了具有理想生成热的某些材料。另一个考虑的因素是金属氧化物膜的透明度和它们对于银层反射率以及太阳能电池中光透射的影响。考虑的材料包括Ta、Al、V、Cr、Ti和Mo。选作良好候选材料作为中间膜层的材料包括Cr、Ti、W和Ni。此外，选择具有Ag、Ti、W、Ni和Si的银合金作为中间层的候选材料。在这些材料中，选择CrxOy材料用于进一步测试。
现在参考图7，根据本发明实施例示出了层状结构的一个具体实施例。玻璃衬底100示作有TCO层110、α硅层120和金属背接触130。金属背接触130包括三个层。开始，在α硅层上沉积AZO层132，并在沉积银层136之前沉积Cr层134作为背接触的中间层。Cr层134帮助增加AZO层132和Ag层136之间的粘结性。此外，薄Cr层将和来自AZO膜的O2反应成Cr2O3。下面讨论的进一步测试揭示了Cr2O3是透光的并且没有减少太阳能电池中的反射。中间层134的厚度必须是这样的厚度，其使得层134不吸收光并且不负面地影响在太阳能电池内的反射。对于Cr层，确定了具有大约
Figure G2009101685185D00061
范围厚度的铬层提供最佳结果。
总之，中间层必须满足在太阳能电池使用中可接受的几个标准。中间层应当通过薄金属湿润AZO表面增加粘结性和/或在AZO和Ag之间提供良好的化学反应。该层必须足够薄以至于不吸收所有的光并且就成本和制造而言是合理的。因此，理想的是提供可以通过诸如物理汽相沉积溅射工艺而沉积的材料。
在进行初次实验来确定Cr是用于中间层的最佳材料之后，进行性能测试，以保证Cr将是太阳能电池应用中可接受的。图9示出了具有图7所示结构和P3激光刻划的背接触的太阳能电池。如图9所示并和图8相比，其没有使用中间层，没有银颗粒的剥落，并且银粘结得很好。
在确定中间Cr层在AZO和Ag之间提供了可接受的粘结性之后，然后进行背接触的AZO和银层之间具有中间Cr层的膜的透射和反射测试，以保证中间层没有负面影响太阳能电池性能。在
Figure G2009101685185D00062
厚的AZO层上沉积具有不同Cr层厚度(和
Figure G2009101685185D00064
)的四种样品，并在每一个Cr层上沉积厚的银层。如图10所示的利用分光计获得的透射结果表示，
Figure G2009101685185D00066
层厚度与没有中间层的样品表现相似。因此，确定了具有小于大约
Figure G2009101685185D00067
尤其是小于大约
Figure G2009101685185D00068
的Cr层，提供最佳结果。当然应理解的是，不同的材料可能需要不同的层厚度实现可接受的结果。
接下来对具有大约
Figure G2009101685185D00069
和
Figure G2009101685185D000610
厚度的中间Cr层的样品进行反射测试，将它们和标准AZO/Ag背接触比较。在每个样品中，AZO厚度是
Figure G2009101685185D000611
而银层厚度是
Figure G2009101685185D000612
图11示出了反射结果。具有大约厚度的Cr层的样品显示出类似于标准样品的结果。具有为标准样品反射大约4％之内的反射的样品提供了可接受的结果。
使用透射电子显微镜(TEM)检测具有中间背接触层的样品，并且图12在邻近层的示意图的地方示出了TEM图。如图12所见，Cr中间层从TEM图上是不明显，其或许是由于Cr层为大约厚度的事实。
测试由中间Cr背接触层构成的器件的太阳能电池性能，来确定中间层是否负面影响太阳能电池性能。测试了单结和串联结太阳能电池的性能。具有中间Cr背接触层的单结太阳能电池展现出可接受的性能。通过在玻璃上形成TCO层制成样品，用DI水清洗它，然后使用PECVD沉积硅层。然后使用溅射形成具有三个不同层AZO、Cr和Ag的背接触。在可从Newport Oriel得到的电流和电压测量工具上测试样品。结果显示由具有背接触(AZO/Cr/Ag)样品产生的电流(Jsc)与用具有AZO/Ag样品表现类似，表明Cr没有降低太阳能电池的性能。
Figure G2009101685185D00071
测试具有中间Cr背接触层的串联结电池，来确定太阳能电池的性能是否是可接受的。通过在玻璃上形成TCO层制成样品，用DI水清洗它，然后使用PECVD沉积硅层。然后使用溅射形成具有四个不同层AZO、Cr和Ag的背接触。在可从Newport Oriel得到的电流和电压测量工具上测试样品。在下表中可以看出，就类似的Jsc和效率(CE％)而言，Cr的存在没有降低太阳能电池的性能。串联结太阳能电池的测试显示出在背接触中具有薄中间Cr层的太阳能电池展现出与具有AZO/Ag背接触结构的太阳能电池类似的电池性能。图13示出了相比于在没有中间层的AZO上沉积有Ag的标准电池，对在Ag和AZO背接触层之间具有
Figure G2009101685185D00081
厚的中间Cr层的太阳能电池的下部和上部的QE(量子效率)测量值的比较。从图13以及下表中可以看出，对于QE只有非常小的差别。
Figure G2009101685185D00082
对具有中间Cr层的串联结的30cm×30cm太阳能电池模块的进一步测试产生了可接受的特性，并显示出可以焊接Ag材料用于总线工艺，并且800小时的环境测试是可接受的。与对30cm×30cm模块上具有6.3W(8.6％效率)的标准相比，串联结太阳能电池展现出7.3W(9.97％效率)。
可以在真空沉积腔室中进行根据本发明实施例的太阳能电池的制造。真空沉积腔室可以是单独的腔室或者是板处理系统的一部分。在一些情况中，真空沉积腔室可以是多腔室系统的一部分。玻璃衬底100可以是适于太阳能电池制造时使用的玻璃板。可以使用大约50mm×50mm或更大的板尺寸。用于太阳能电池制造的典型板尺寸可以是大约100mm×100mm或更大，例如大约156mm×156mm或更大的尺寸；然而，也可以使用更小或者更大的尺寸也是有利的，例如也可以使用大约400mm×500mm的尺寸。太阳能板的厚度例如可以是几百微米，例如在大约100微米到大约350微米。每个板可适合形成单一的p-n结、双结、三结、隧道结、p-i-n结或者由适于太阳能电池制造的的半导体材料产生的任何其他类型的p-n结。在另一个实施例中，至少板表面可在其上包括p型硅材料。
可以利用任何适当的激光刻划工具进行激光刻划工艺P1、P2和P3。刻划目前是几十微米量级的宽度。P1刻划工艺通常使用高达8W的近IR的激光，而P2和P3工艺通常仅仅需要几百毫瓦的绿色光输出(green output)。
如上所述形成太阳能电池之后，可通过退火热处理电池。而且，可对该板进行多种布线配置和/或表面处理步骤。
适当的真空沉积腔室可包括多种化学汽相沉积腔室。如上所指出，通过等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)来沉积硅层。可将PECVD系统配置成处理多种类型的板，例如多种板尺寸的，可从Santa Clara，Calif的AppliedMaterials有限公司的分公司，AKT得到的，多个平行板射频(RF)等离子增强化学汽相沉积(PECVD)系统。然而，应当理解的是，本发明在其它系统结构中也有用，比如其它化学汽相沉积系统和任何其它膜沉积系统。
对于太阳能电池结构，可以在板上沉积附加层。例如，可以在板的前面和/或后面沉积一个或者多个钝化层或者抗反射涂覆层。而且，可以使用任何适当的构图技术，包括但不局限于干法刻蚀、湿法刻蚀、激光钻孔、化学机械喷射刻蚀以及其组合在板上构图多个特征。
尽管这里已经参考具体实施例对本发明进行了描述，但是应理解的是这些实施例仅仅是对本发明的原理和应用的说明。可以使用其它的CVD腔室、调节气体流动速度、压力、等离子体密度和温度实现CVD、PVD和这里的其它工艺，以便于在实际沉积速度时获得高质量膜。应理解的是，本发明的实施例包括根据板尺寸、腔室条件等等以及其他的，对这里所述的任何处理参数/变量递增或者递减。对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以对本发明的设备和方法作出多种变形和变化。因此，本发明旨在包括落在所附权利要求和它们的等价物的范围内的变形和变化。

Claims (19)

1.一种制造光电器件的方法，包括：
在玻璃衬底上沉积透明导电氧化物层；
在透明导电氧化物层上沉积硅层；
在硅层上形成背接触，包括形成沉积在硅层上的氧化锌层，在硅层上沉积中间层，以及在中间层上沉积银层；和
穿过背接触激光刻划。
2.如权利要求1的方法，其中沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约550nm和850nm之间的光穿过该器件的透射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光透射的5％之内。
3.如权利要求1的方法，其中沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约800nm和1000nm之间的光在该器件中的反射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光反射的大约5％之内。
4.如权利要求1的方法，其中穿过背接触激光刻划没有导致银层的剥落。
5.如权利要求4的方法，其中中间层包括Cr。
6.如权利要求1的方法，其中中间层包括Cr、Ti、Mo、Si，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一种或者多种，及其组合。
7.如权利要求1的方法，其中中间层包括Cr的氧化物。
8.如权利要求7的方法，其中中间层包括Cr2O3。
9.如权利要求1的方法，其中中间层具有小于大约
Figure F2009101685185C00011
的厚度。
10.如权利要求7的方法，其中中间层具有小于大约的厚度。
11.如权利要求10的方法，其中中间层具有小于大约的厚度。
12.如权利要求11的方法，其中沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约550nm和850nm之间的光穿过该器件的透射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光透射的5％之内。
13.如权利要求11的方法，其中沉积一定厚度的中间层，使得波长在大约800nm和1000nm之间的光在该器件中的反射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光反射的大约5％之内。
14.一种光电电池，包括：
在玻璃衬底上的透明导电氧化物层；
在透明氧化物层上的硅层；以及
背接触，包括AZO层、具有小于大约
Figure F2009101685185C00021
厚度的中间层、和在中间层上的银层。
15.如权利要求14的光电电池，其中中间层包括Cr、Ti、Mo、Si，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一种或者多种，及其组合。
16.如权利要求14的光电电池，其中中间层包括Cr2O3。
17.如权利要求16的光电电池，其中中间层具有小于大约
Figure F2009101685185C00022
的厚度。
18.如权利要求17的光电电池，其中中间层具有这样的厚度，其使得波长在大约550nm和850nm之间的光穿过该器件的透射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光透射的5％之内。
19.如权利要求17的光电电池，其中中间层具有这样的厚度，其使得波长在大约800nm和1000nm之间的光在该器件中的反射占穿过背接触中没有中间层的光电器件的光反射的大约5％之内。
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