CN101971351B - 连接薄金属层的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种将薄金属层连接到两个工件A和B(如太阳能电池和薄膜基底/薄膜增强的小接触带)上的结构，以及稳定连接的方法，其包括以下步骤：(一)从薄膜太阳能电池上除掉基底薄膜；(二)将两薄膜/层压在一起；以及(三)从薄膜太阳能电池的后接触面的一侧激光照射该两部分。根据本发明，最好使用两个或三个激光处理步骤以在烧蚀过程中通过短脉冲激光消除薄膜太阳能电池的基底薄膜，以及通过长脉冲激光照射将第一金属层例如该太阳能电池后接触层铆接到第二个金属层如小接触带上。根据所使用的具体材料可选择能量密度，脉冲持续时间和临时脉冲形式，脉冲频率和烧蚀工艺的波长和焊接/铆接工艺。这种激光铆接工艺可用于电连接柔性接触带与薄膜太阳能电池。

Description

连接薄金属层的装置和方法

技术领域

本发明涉及两个应用到柔性基底上的金属层的连接装置和连接方法，尤其是指薄膜太阳能电池电连接到柔性电路板上以及制造方法。 

背景技术

目前，不同类型的将太阳光转换成电能的薄膜太阳能电池正在发展之中。图1为一种电池的结构示意图，该电池基本上包括前接触层5，后接触层2和一个半导体吸收层3。该前端接触层面向入射光且由透明导电氧化物(TOC)组成，后接触层由金属层组成。该光电转换的半导体吸收层3可能由不同的材料组成，例如，非晶硅和微晶硅或多晶硅，铜铟镓硒(CIGS)及其他半导体材料。该电池还需要有一个导电性相反的薄的半导体薄膜4以与该半导体吸收层3产生p-n结。对于CIGS太阳能电池而言，该p-n结是由铜铟镓硒层和硫化镉层的异质结形成。 

在柔性基底上制造薄膜太阳能电池已经被现有技术揭示了。聚合物具有诸多特点，例如，在重量轻的条件下，强度，密度，表面质量等。然而，由于高分子材料的稳定性，最高工作温度受到了限制。然而，为了得到质量高的半导体层沉积，需要输入额外的能量如热能或者辐射能。基于这个原因，高性能聚合物薄膜，例如，聚酰亚胺膜(Kapton膜)是应用在制造柔性太阳能电池时沉积薄膜半导体层的工业工艺中。 

这些材料也使用在具有或者没有纺织品增强的刚性和柔性电路板上。这些基本材料和不同的产品的制造技术是已知的。 

太阳能电池生产的电能必须交付给消费者。为此目的，薄层必须电连接到一个导体层。在薄膜太阳能电池尤其是柔性太阳能电池的情况下，为了使薄层， 薄膜或类似的薄金属导体得以使用，这种电连接还必须柔性的。 

用于连接大块的太阳能电池(例如，硅晶片太阳能电池)的接触片的标准方法是将接触带焊接到前接触层和后接触层的焊接点上，例如，通过高性能灯的辐射将接触带焊接到前接触层和后接触层的焊接点上。对薄层的焊接更为复杂，因为下层厚度约为1微米及以下。据了解，在焊接过程中可能发生合金工艺造成损害薄层或接触点。 

另一种将薄膜太阳能电池与外部接触点的连接方法是使用接触粘合剂。这种广为流传的工艺需要使用额外的材料。由于粘合剂具有特定的接触电阻值和一般粘合应用技术，例如，丝网印刷或类似的方法，接触面积应为中等大小。 

此外，没有利用额外的材料(如导电粘合剂或铜焊料)的连接技术也是众所周知的。在半导体工业中，将薄导线连接到半导体芯片上是已知的技术，需要通过所谓的焊接工艺来实现。然而，这种工艺需要特殊的表面和材料，只能使用金和铝等特殊金属才能进行。而且，在粘接过程中高压力作用于薄层的表面。该聚合物薄膜的机械刚度不符合在半导体工业中使用的粘结工艺的要求。 

现代激光技术提供了具有千瓦能量的强大激光源。工程应用中需要有这样大的能量，然而，通常地，对于微处理工艺来说，几瓦的能量就已经足够了。此外，激光束可以聚焦到非常小的区域，且通过控制方式移动到表面上的任意点。在部分激光束中，强激光束的光束分裂是经常被用来提高性能，速度和处理质量。 

专利号为JP2005191584的日本专利揭示了一个集成太阳能电池组，从终端焊片输出太阳能电池的电压。为了将太阳能电池连接到一个镀锡铜膜，铜焊料应用于粘合点上。这样，它有可能通过焊接工艺实现连接。 

激光束加工是经常被使用在太阳能电池生产中。特别是在薄膜太阳能电池制造上，为了使太阳能电池的不同部分相互绝缘，要使用激光划线技术。这种划线方法也被用于太阳能电池的串行线路上，如欧洲专利第1727211号的专利内容所描述的。 

另一种将薄膜太阳能电池连接到外部接触点的连接方法由E.J.Simburger等人发表的论文所揭示，该论文的名称为“薄膜太阳能电池互连形成能量球的研究”(“Development of a thin film solar cell interconnect for the PowerSphereconcept”)，《材料科学与工程》第116卷(2005)321-325，同样地，公开号为20050011551的美国专利也揭示了这种连接方法。这种概念是基于一个设置在薄膜太阳能电池边缘的周边接触点的使用从而实现在薄膜太阳能电池的层和设置太阳能电池背面的接触片之间电连接。激光束用于将铜膜焊接到小的柔性接触带上。在本实施例中，由一连串复杂的薄膜涂层工艺形成周边接触点。此外，周边接触点与外部的小接触带的连接是通过激光焊接得以实现。对所使用的金属而言，在焊接过程中，当液相相互混合时，金属的连接处形成了典型的合金。 

美国专利第6 114 185号揭示了通过激光焊接将半导体元件连接到金属零件上。然而，该专利没有提供太阳能电池电极的连接。此外，事实上应当强调的是半导体元件必须承受在焊接过程的温度。 

现有的激光技术通过激光照射使金属零件相互连接。典型的焊接工艺是具有和没有额外的材料条件下焊接。就一种可靠的连接而言，扩散过程带来的金属混合，并可能导致形成更多的相。如果不同的金属是通过加热或激光方法相互连接，在液相或者熔融状态处理期间，由于相结合温度不同，可能会出现诸如合金的形成不充分或者薄层溶化的问题。 

现有的将薄层连接到外部电线的连接方法具有一些缺点。为了实现连接，人们要么需要很高的技术，要么需要在程序上或技术上的努力，要么需要特殊材料或特殊表面。特别是在柔性基底的情况下，这些方面变得尤其重要。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供了一种新的连接方法用以将薄层连接到柔性基底，这种方法很容易就能够将薄层连接到外部电线上。本发明的目的尤 其是提供了一种连接至少两个金属层的可靠连接方法，这种可靠连接方法有可能是机械连接和电气连接两种不同的材料最好的一种方法。 

根据本发明，本发明通过根据权利要求1所述的脉冲激光辐射的应用得以实现。本发明提供了一种微观铆接薄层和薄膜的方法，这种方法通过在形状上互连各种材料以及所涉及的材料熔合互连使得薄金属层之间能够机械和电气连接。此外，本发明也提供了为薄层和薄膜制造这种微观铆接结点的方法。 

本发明揭示出一种通过微型(空心)铆钉用以微观焊接两薄层钉或者两薄膜钉的结构，该铆钉使用的材料最好是两薄层中的一个薄层所使用的材料，以及一种通过激光照射微观铆接薄层钉或者薄膜钉的方法。 

以下，通过对本发明的详细描述与附图具体阐明本发明的目的，特征，问题及本发明的优点。 

附图说明

图1是在柔性基底上的薄膜太阳能电池基本结构示意图。 

图2是通过微观铆接连接的具有下接触带的太阳能电池在连接区的三维立体图。 

图3是激光铆接或激光焊接中最重要的工序步骤示意图。 

图4是通过激光铆接连接将薄膜太阳能电池连接到柔性连接线的不同实施例的示意图。 

图5是通过激光铆钉将薄膜太阳能电池的前后接触层连接到柔性连接线的实施例的示意图。 

图6是当太阳能电池的前后接触层连接到柔性连接线时的电流流向示意图。 

图7是在柔性铜电路板和在聚酰亚胺膜(Kapton膜)上的薄膜太阳能电池之间通过激光铆接工艺连接之后的反射电子显微镜的电镜图。 

元件符号列表 

1    金属层基底1#，太阳能电池基底薄膜 

2    金属层1#；，太阳能电池后接触层 

3    第一类型半导体，太阳能电池吸收层，铜铟镓硒层 

4    第二类型半导体，硫化镉层 

5    太阳能电池前接触层 

6    金属层2#，柔性电连接线的铜涂层 

a)   前端涂层 

b)   后端涂层 

7    金属层基底2#，柔性电连接线基底薄膜 

8    用以显露的金属层1#的基底薄膜的开口 

9    金属层1#上的孔 

10   压力 

11   压力 

12   激光束 

13   激光铆钉 

14   为了绝缘目的在金属层上设置的划痕 

15   金属层的其他应用，将前端面粘接到绝缘金属上 

16   电流 

具体实施方式

本申请所揭示的内容不会限制本申请主题或本申请详细描述。本申请的详细描述和附带的权利要求都记载了本申请的主题。本申请有关其他方面的主题对于本领域普通技术人员来说在阅读和理解以下具体实施方式和参见附图之后是显而易见的，不会构成对本发明的在某种意义上的限制。 

以下，将通过多个实施例和附图详细描述本发明。在附图中，同一标号(数字，缩写符号，名称等)表示相同或相似的元件或方法。 

图3(a)至(g)图解说明了本发明较佳实施例通过激光铆接将薄膜太阳能电池连接到柔性电连接线上的焊接薄膜主要步骤。 

如图3(a)所示，首先在太阳能电池的顶层(尤其是前接触层和吸收层) 都将被去掉，显示出薄膜后接触层2，在这种情况下，该后接触层2由金属钼组成。此外，聚合物基底薄膜1是在指定的区域8被去掉直到薄金属层2，如图3(b)所示。这可以通过利用一个脉冲持续时间小于1微秒的脉冲紫外激光来烧蚀去除聚合物基底薄膜1指定的区域8。激光烧蚀参数，例如能量密度是可以选择的以致于基底薄膜1可以被烧蚀，从而不会破坏该金属层2和该基底薄膜1，从而保证了薄金属层的显露在外面。制备柔性连接线的接触区域也可用到类似于这种方法的方法。对于覆盖层6a而言，特别地，例如一个可能的接触金属覆盖层，至少在激光铆接的区域去掉该区域的覆盖层以利于激光铆接。 

在一个具体的实施例中，，如图3(c)所示，在该后方接触层的薄金属层上钻一个小孔。这种钻孔步骤最好在如图3(b)的太阳能电池基底薄膜被烧蚀完成后进行，然而，它也可以在其后进行。在这两个实施例中，为了确保被钻的金属孔9在烧蚀区域8范围之内，要求这些工艺步骤足够精确。这将特别保证了在进行这两个工艺步骤时，都在同一个系统，甚至可以使用相同的激光束。通过使用相同的激光束可同时激光烧蚀基底薄膜1和金属层2，如果需要，可以使用不同的激光参数，这样就提高了生产速度和安全。如果柔性连接线已经支撑该太阳能电池膜，图3(b)至(c)所示的流程步骤也可以进行，如图3(d)所示。 

在下一步骤，见图3(e)，该薄膜太阳能电池制备好的区域压在柔性连接线上。在这一步骤，压力10，11施加到薄膜太阳能电池和柔性连接线7上以充分减少两金属层表面的距离。 

现在，薄膜太阳能电池上的薄金属后接触层与柔性连接线的金属相互接触。这两种金属2，6通过激光辐射12相互连接，如图3(f)所示。为此，使用脉冲激光辐射的持续时间最好是超过1微秒。波长可以按照要求选择。然而，对于成本来说，首选一种具有波长为1.06微米的钕和钇铝石榴石激光器(Nd:YAG激光器)。由于激光辐射和从而引发将两个金属层机械连接的方法，这两个金属层也形成了电连接，这种连接方法从连接处的横截面上看类似于一个铆钉连 接。在释放压住两个部分的压力之后，这两个部分已经实现了稳定的激光铆接13，如图3(g)所示。 

为了稳定地和可重复将薄膜太阳能电池和柔性连接线连接在一起，通常要用多个微型铆钉，如图4所示。该图显示了不同的微型铆钉和敞开的后接触层的结构，形状，设计和大小。其他形状，结构和大小也是可行的。铆钉也可是狭长状的。单个激光铆接结点可成行排列或形成致密的排列。 

为了实现高质量的铆接，在激光铆接工艺中，两个金属表面必须尽可能靠近对方。为了做到这一点，可以应用或相互结合应用下面的方法：真空桌，气体流压力或使用烧蚀云压力。此外，薄膜可以放置在弧形的工作台上，如滚子。其他技术手段也是可行的。 

在上面的金属层上钻一个孔支持了微型铆钉的形成，特别是激光铆接不同的材料。这个孔可以放置在生产工艺中不同的状态。最好使用具有不同类型激光的激光器。毫无疑问，激光可用于铆接也可用于钻孔。通过控制输出能量或激光束脉冲持续时间能够实现最佳的瞬间能量。一种改进的方法是通过适当方式改变脉冲持续时间，例如光电元件。激光输出性能的电气控制是首选的实施例。通过这种控制方法，可能实现激光钻孔和激光铆接工艺。用同一个激光器钻孔和焊接时，脉冲持续时间需要变化以实现这两种工艺。同样地，为了用同一个激光器钻孔和焊接，需要适当控制激光脉冲的形式。 

为了同时实现一系列的微型铆钉，激光束可能会因此而分开来，这样可以在同时使用激光铆接工艺。因此，一排铆钉连接可以同时实现。 

如图5所示，图5显示出连接薄膜太阳能电池的激光铆接方法的应用。该图显示了焊接区的俯视图，前接触层在上面。作为一个实际应用的实施例，前后接触层都同时连接到小型接触带上。因此，在太阳能电池A与柔性电连接线B生产的不同状态下，在激光铆接工艺之前，必须插入额外的工艺步骤。首先，该太阳能电池2的后接触层要被划线，这是为了使得后接触层上与前接触层连接的部分绝缘。此外，该柔性电连接线B上的金属层6也要划线以致于生成了 条线6a和6b。该划线用标号14来表示。为了将前接触层连接到绝缘背面区域，要增加一层金属层15。这种电连接也可选择例如导电粘合剂来连接。该金属层15也可定位在该后接触层2的表面上，从而可能改善该激光铆接工艺。因此，仔细选择金属层15是必要的。如图5(b)所示，图5(b)显示出准备焊接的太阳能电池前接触层和后接触层的截面示意图。现在，可以按照上述方式实现激光铆接工艺。为了增加结合点的强度，可以安装几个铆钉。 

图6图解说明了电流从第一薄金属层，例如太阳能电池，流到第二金属层，例如柔性电连接线。类似于前述的工艺实施了该激光铆接工艺。关于电连接，激光铆钉使电流在分别具有两种不同的金属涂层的两个薄的柔性基底之间流动。此外，激光铆钉还实现了机械连接，也可以只用于此目的。 

如图7所示，图7是放射电子显微镜图像，该图显示了在太阳能电池的后接触层与柔性电路板的铜涂层之间的激光铆接。该后接触层的材料是既不容易连接也不容易焊接的金属钼。在图7的左下方，可以见到敞开基底薄膜的边缘。在该图的中心附近，可以看见在整个孔周围挤出的材料，这种材料是在激光铆接工艺过程中产生的，且从液态重新固化形成铆钉。 

现在用不同的实施例对本发明进行详细的描述。 

实施例1 

本发明现在更加具体地描述通过铆接工艺将一层钼薄膜连接到柔性小铜接触带上。这种钼薄膜是用于太阳能电池后接触层上，例如CIGS太阳能电池，如图1所示。就该铆接工艺而言，太阳能电池的上层作为前接触层，吸收层等，为了显露出金属钼层，该前接触层可能会用机械方式去掉或使用激光烧蚀直到后接触层，如图3(a)所示。 

通过激光烧蚀方法可以去掉制备的太阳能电池的聚合物基底薄膜。为了去掉太阳能电池的聚合物基底薄膜，该太阳能电池的前面在聚合物基底薄膜的后面烧蚀区域紧密地连接到一个固定器上，并通过具有足够的脉冲能量的激光照射。为了逐渐烧蚀该聚合物薄膜(厚度约25微米)，使用具有波长小于300nm 的紫外激光束。为了确保对聚合物基体选择性烧蚀到金属后接触层，当烧蚀深度增加和剩余的薄膜厚度减少，在持续烧蚀期间，该烧蚀激光束能量密度降低直到后接触层。在这个实施例中，要使用一个波长为248nm的准分子激光器和能量密度为200至600毫焦/平方厘米(mJ/cm²)的激光器。运用一种替代工艺如等离子蚀刻也可以进行选择性切除聚合物层的局部。 

应当指出是，在高度熔化的金属钼层上的小孔可以支持和改善激光铆接工艺。为此，在支撑太阳能电池的聚合物薄膜被烧蚀之后，在金属钼层上钻一个小孔，如图3(c)所示。在此以后，这个孔会促成激光铆钉的形成。在本实施例中，用波长为775nm和能量密度为3焦耳/平方厘米的超短脉冲激光在该金属钼后接触层上烧蚀0.1秒钻出这个孔的厚度是5微米。由于超短激光脉冲，几乎没有熔化孔外侧的薄金属层，从而避免形成边缘焊珠。该孔的尺寸略小于激光铆接工艺中使用的激光束的尺寸。在本实施例中，采用的激光光斑大约为15微米。匹配的金属层上的钻孔尺寸大小可以通过激光光斑的圆形运动来调节。然而，在本实施例中，尽管这个孔在该聚合物基底薄膜被烧蚀之后钻出的，该孔也可能是在该聚合物基底薄膜被烧蚀之前形成。 

在激光铆接实验中，要用到在聚酰亚胺基底薄膜上形成厚度为25微米铜层的柔性连接线。该柔性连接线要用溶剂清洗干净并在激光铆接的区域除掉松散的污染物。这确保柔性连接线的铜表面与金属钼后接触层的良好接触。 

如图3(d)所示，该柔性连接线和太阳能电池连接在一起。此外，利用一真空夹紧装置将金属表面压在一起。在金属钼层和柔性连接线的铜层按图3(d)的方式相互连接之后，持续施加单个激光脉冲10毫秒，该激光脉冲的能量为0.15焦耳以及该激光脉冲的波长为1064nm。该直径大约为30微米的激光束聚焦在该钻孔上。由于激光束能量，金属钼层和铜层被加热到熔点或汽化点。部分激光辐射也穿过该孔一直到金属铜层的表面。由于铜具有低的熔化和汽化温度，铜层然后熔化和蒸发。由于铜蒸气压，部分熔化的铜穿过该孔并且堵塞在激光照射区域的周围。当用于铆接的激光光斑大于金属钼层上的钻孔时，金属 钼层被加热到熔点或超过该熔点。随后，由于冶金工艺和金属在凝固之后的相互熔合，在熔融金属的相互熔合下会产生了一种稳定连接。通过烧蚀或蒸发电路板基材(例如一个聚酰亚胺薄膜)，该小接触带上的熔化铜出现流动。由于在聚酰亚胺膜烧蚀期间产生压力，完全熔化的铜将流动到孔内，这样就形成了铆钉。 

总的来说，就本发明的方法而言，该薄膜基底的材料，薄膜的材料和薄膜系统的材料，所用激光的材料及其种类，大小，形状和开口距离的选择取决于电连接，导电性，稳定性，安全性和可靠性或制造的安全和努力的应用。尤其是本发明或者本发明实施例中作为定量的材料的描述，一般的方法步骤和较佳的列举出来的尺寸不局限于这些，但类似于这些的可能为他人所知，本领域的技术人员可以随意地实现它。本发明不仅仅局限于实施例。任何修改和组合对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种用于连接柔性薄膜太阳能电池的接触区域的连接方法，所述柔性薄膜太阳能电池(A)包括前接触层(5)、后接触层(2)以及设置在所述前接触层(5)和后接触层(2)之间的吸收层(3)，其中，所述后接触层(2)的背面接触基底薄膜(1)，且所述后接触层(2)的背面与所述后接触层(2)的前面相对，所述后接触层(2)的前面相对于背面靠近所述前接触层(5)，并且，所述后接触层(2)是一层薄金属层及所述基底薄膜(1)是聚合物基底薄膜，其特征在于： 

通过除掉前接触层(5)和吸收层(3)以及利用脉冲持续时间少于1微秒的脉冲紫外激光器通过激光烧蚀除去聚合物基底薄膜(1)上的指定的区域(8)以暴露后接触层(2)； 

使用脉冲激光器通过激光烧蚀在所述后接触层(2)上钻一个孔(9)，其中所述孔(9)位于所述指定的区域(8)； 

将所述后接触层(2)的前面的暴露区域定位在一小接触带(B)上，所述小接触带(B)包括具有铜涂层(6)的柔性电连接线的基底薄膜(7)； 

将所述后接触层(2)上的孔(9)压到所述小接触带(B)的铜涂层(6)上；以及 

通过经过所述后接触层(2)的暴露的指定的区域(8)的且穿过孔(9)的激光辐射(12)连接所述后接触层(2)和铜涂层(6)，以形成激光铆接连接(13)。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了暴露所述后接触层(2)的背面和为了钻出孔(9)，使用来自同一光源的激光束。 

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了连接所述后接触层(2)和小接触带(B)，使用多个激光铆接连接进行连接。 

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过实施脉冲激光辐射消除所述太阳能电池的基底材料直到所述后接触层，所述脉冲激光辐射具有一个激光源，所述激光源的波长在190至600纳米之间，脉冲持续时间为小于10微秒，激光光斑的尺寸在5至500微米的范围内。 

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于形成激光铆接连接的激光脉冲持续时间为大于10微秒，其波长为在红外线或可见光波长范围内。 

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光铆接连接中使用的激光器与在后接触层(2)上钻出孔(9)用的激光器相同。 

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于，当用于形成激光铆接连接的激光光斑大于钻出的孔(9)的尺寸时，金属钼后接触层被加热到熔点或者超过该熔点。 

Images