CN102024864B - 太阳能电池组件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能电池的制造方法，该制造方法使用网罩定义有效镀膜区域，通过使用网罩，可以直接在真空环境下，连续式地完成太阳能电池组件各层薄膜的形成，而不需要通过激光刮除机和机械力刮除机这些设备定义太阳能电池组件的有效区域，因此，可以省略激光刮除机和机械力刮除机的设备成本和刮除过程。本发明特别涉及将该制造方法应用于铜铟镓硒化合物半导体薄膜的太阳能电池，可以减少生产过程的程序，从而可以提高产能效率。

Description

太阳能电池组件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种采用金属网罩定义镀膜区域以生产薄膜太阳能电池组件的制造方法，具体地，涉及铜铟镓硒化合物(CIGS)半导体薄膜的太阳能电池组件的制造方法，该方法可以通过连续式溅镀成膜，不需要再经过激光刮除(Laser scribing)和机械力刮除(Mechanical scribing)的过程，从而减少了生产过程的程序，提高了产能效率。

背景技术

近年来，铜铟镓硒化合物半导体薄膜的太阳能电池(Copper IndiumGallium Diselenide Solar Cell，以下简称CIGS Solar Cell)，从1997年缅因大学(University of Maine)提出电池效率约为6％发展至今，美国能源研究所(NREL)于2008年发表最佳电池效率达19.9％，具有高效率和可长时间稳定使用的性能，因此，铜铟镓硒化合物半导体薄膜的太阳能电池的应用范围变得多样化，并可应用于例如发电厂、建筑建材等方面。

铜铟镓硒化合物半导体薄膜的太阳能电池(CIGS Solar Cell)是指通过吸收外部太阳光波长进而产生电流的、其活性层(Active layer)的组成成份为Cu(In_1-xGa_x)Se₂的电池。所述太阳能电池由于电池光电效率已高达19.9％从而非常受关注，这种高质量的铜铟镓硒化合物(CIGS，Cu、In、Ga、Se)薄膜，通常是采用高真空多源共蒸镀铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)和硒(Se)等元素，同时对基板施加500-600℃的高温以产生化学反应而形成的。该蒸镀法的原理是在同一个真空腔体内放入铜、铟、镓、硒四种蒸镀源，分别控制其蒸发速率，同时沉积于基板上，并对基板上的铜、铟、镓、硒混合物施加高温进行化合，以形成该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜。

图1表示一般的具有铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池组件的制造方法。在步骤100中，提供基板152；在步骤102中，将钼(Mo)金属层形成于该基板152的上方；在步骤104中，采用激光刮除机和机械力刮除机进行该钼(Mo)金属层的画线过程，用于定义多个底部电极154；在步骤106中，将铜铟镓硒化合物(CIGS)材料层、硫化镉(CdS)材料层和不含掺杂物的氧化锌(i-ZnO)材料层依次形成于这些底部电极154的上方；在步骤108中，采用激光刮除机和机械力刮除机进行该光电转换材料层的画线过程，用于定义多个光电转换单元156，该光电转换单元156包括该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜158、硫化镉(CdS)薄膜160和不含掺杂物的氧化锌(i-ZnO)薄膜162；在步骤110中，将透明导电材，例如含有铝(Al)掺杂物的氧化锌(ZnO:Al)材料层形成于这些光电转换单元156的上方；在步骤112中，采用激光刮除机和机械力刮除机进行该透明导电材的画线过程，用于定义多个顶部电极164；在步骤114中，将抗反射膜166形成于这些顶部电极164的上方，并覆盖该基板152、底部电极154和光电转换单元156；在步骤116中，将封装胶膜168形成于该抗反射膜166的上方，并覆盖该基板152。采用上述制造方法所制得的太阳能电池组件150的结构如图2所示。

在上述太阳能电池组件的制造方法中，由于需要在工作温度为500-600℃的温度下进行化合该光电转换单元156的铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜158，因此熔点较低的金属会发生液化现象。该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜158必须整个形成于该底部电极154和基板152的上方。然后在后续画线过程中，再将该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜158的有效区域定义出来。或者，该底部电极154(钼金属)与顶部电极164(含有铝掺杂物的氧化锌)之间的接触面积小，接触电阻大。另外，上述制造方法使用三次激光或机械力画线过程，而台湾专利公开号为200824137、发明名称为薄膜太阳能电池模块及其制造方法、申请日为2007年2月13日的专利中公开了太阳能电池模块的制造方法，该制造方法也使用了三次激光括除过程。

然而，这种制造方法因为材料必须混合镀膜、基板需要高温加热等问题，必须采用激光刮除机和机械力刮除机来定义电池组件的有效区域，该过程一般在大气环境中进行，不但设备昂贵、维护麻烦且刮除时间长，从而影响其产能。再者，在激光画线过程中，在刮除区域有局部高温产生，外界氧气或氮气在该条件可能与金属电极产生氧化物或氮化物，造成接触电阻增大，进而导致电池组件效率下降。

发明内容

鉴于上述制造方法的缺陷，本发明的目的是提供一种制造太阳能电池组件的方法，该方法可以在真空环境下，简易地大量生产和定义太阳能电池组件的镀膜区域。

为了解决上述问题，本发明的发明人进行了研究，结果认为，通过采用金属网罩来定义镀膜区域，不但可以达到连续生产的目的，而且还可以避免电池组件在生产过程中暴露于大气环境，从而确保生产质量和提高生产效率。

本发明提供了一种太阳能电池组件的制造方法，其中，该制造方法包括下列步骤：将第一网罩设置于基板的上方，其中所述第一网罩包括多个第一开口，所述第一开口以阵列式排列，用于定义多个第一镀膜区域；将多个底部电极分别形成于所述第一镀膜区域，其中所述底部电极位于所述基板的上方；移除所述第一网罩；将第二网罩设置于所述底部电极的上方，其中所述第二网罩包括多个第二开口，所述第二开口以阵列式排列，用于定义多个第二镀膜区域；将多个光电转换单元分别形成于所述第二镀膜区域，其中所述光电转换单元位在所述底部电极的上方，且每一个光电转换单元包括多元金属硫族元素化合物薄膜，所述多元金属硫族元素化合物薄膜是通过真空溅镀过程对多元金属硫族元素化合物的单一靶材进行溅镀从而形成于所述底部电极的上方，且所述真空溅镀过程的工作温度介于100℃与400℃之间；移除所述第二网罩；将第三网罩设置于所述光电转换单元的上方，其中所述第三网罩包括多个第三开口，所述第三开口以阵列式排列，用于定义多个第三镀膜区域；将多个顶部电极分别形成于所述第三镀膜区域，其中所述顶部电极位于所述光电转换单元的上方；以及移除所述第三网罩。

本发明的网罩(Mask)用于生产程序中，其中铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜采用单一铜铟镓硒化合物(CIGS)溅镀靶材，经过溅镀过程所沉积的铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜，不需要另外升温超过400℃且不需要再经过激光画线过程，从而达到了降低生产设备成本、避免铜铟镓硒化合物暴露于大气环境的目的，大大提高了铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池的生产性。

附图说明

以下附图说明是用于进一步了解本发明的优点，并不是用于限制本发明的保护范围。

图1表示一般的具有铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池组件的制造方法的流程图；

图2表示由图1所示的生产流程形成的具有铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池组件的结构示意图；

图3表示本发明的具有铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池组件的制造方法的一种实施方式的流程图；

图4至图11表示采用本发明提供的所述制造方法的一种实施方式所制得的具有铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池组件的剖面示意图。

【主要组件符号说明】

150-太阳能组件；        152-基板；

154-底部电极；          156-光电转换单元；

158-CIGS薄膜；          160-硫化镉(CdS)薄膜；

162-i-ZnO薄膜；         164-顶部电极；

166-抗反射膜；          168-封装胶膜；

250-太阳能组件；        252-基板；

254-底部电极；          256-光电转换单元；

258-CIGS薄膜；          260-接触窗层；

262-i-ZnO薄膜；         264-顶部电极；

266-抗反射膜；          268-封装胶膜；

270-第一网罩；          272-第一开口；

274-第一镀膜区域；      280-第二网罩；

282-第二开口；          284-第二镀膜区域；

290-第三网罩；          292-第三开口；

294-第三镀膜区域。

具体实施方式

为了让本发明之上述和其它目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。

图3表示本发明的具有铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池组件的制造方法的一种实施方式。结合图4所示，在步骤200中，提供基板252，预先将该基板252清洗干净。在步骤202中，将第一网罩270设置于该基板252的上方，其中，该第一网罩270包括多个第一开口272，这些第一开口272以阵列式排列，用于定义多个第一镀膜区域274。该第一网罩270可以由金属制成。

结合图5，在步骤204中，将多个底部电极254分别溅镀以形成于上述第一镀膜区域274，其中，该底部电极254位于该基板252的上方。在本发明的一种实施方式中，该底部电极254可以为单层的钼(Mo)金属。在另一种实施方式中，该底部电极254可以为单层的铝(Al)金属和单层的钼(Mo)金属，并依次形成于该基板252的上方，可以降低电阻值。在另一种实施方式中，该底部电极254可以为单层的铜(Cu)金属和单层的钼(Mo)金属，并依次形成于该基板252的上方，可以降低电阻值。

结合图6，在步骤206中，移除该第一网罩270。在步骤208中，将第二网罩280设置于所述底部电极254的上方，其中该第二网罩280包括多个第二开口282，这些第二开口282以阵列式排列，用于定义多个第二镀膜区域284。该第二网罩280可以由金属制成，其熔点为400℃以上。

结合图7，在步骤210中，将多个光电转换单元256分别形成于所述第二镀膜区域284，其中该光电转换单元256位于该底部电极254的上方，且每一个光电转换单元256均包括多元金属硫族元素化合物薄膜，例如，该多元金属硫族元素化合物可以含有铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)和硒(Se)元素，或者该多元金属硫族元素化合物可以含有铜(Cu)、铟(In)和硒(Se)元素。在本发明的一种实施方式中，该多元金属硫族元素化合物薄膜为铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258。该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258是通过真空溅镀过程对含有铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)和硒(Se)元素的单一靶材进行溅镀，从而形成于所述底部电极254的上方。该真空溅镀过程的工作温度可以介于100℃与400℃之间。优选情况下，该真空溅镀制程的工作温度介于250℃与300℃之间，因而该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258具有良好的致密性。在真空溅镀过程中，形成该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258的工作温度不超过400℃，因此不会发生硒解离现象，该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258可以只形成于该第二镀膜区域284内，而不会流动至该第二镀膜区域284外的其它位置。然后，可以将该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258快速退火(RTA，rapid thermal annealing)。每一个光电转换单元256还可以包括接触窗层(Contact Window Layer)260，例如硫化镉(CdS)薄膜或硒化铟(In₂Se₃)薄膜，所述接触窗层260通过蒸镀从而形成于该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜258上。每一个光电转换单元256还可以包括不含掺杂物的氧化锌(i-ZnO)薄膜262，所述不含掺杂物的氧化锌薄膜262通过溅镀从而形成于该接触窗层260上。

结合图8，在步骤212中，移除该第二网罩280。在步骤214中，将第三网罩290设置于所述光电转换单元256的上方，其中该第三网罩290包括多个第三开口292，这些第三开口292以阵列式排列，用于定义多个第三镀膜区域294。该第三网罩290可以由金属制成。

结合图9，在步骤216中，将多个顶部电极264分别溅镀从而形成于该些第三镀膜区域294，其中该顶部电极264位于该光电转换单元256的上方。该顶部电极264可以由透明的导电材料制成。该透明的导电材料可以为含有铝(Al)掺杂物的氧化锌(ZnO:Al)、铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)。

结合图10，在步骤218中，移除该第三网罩290。在步骤220中，将抗反射膜266形成于该些顶部电极264的上方，并覆盖该基板252、底部电极254和光电转换单元256。该抗反射膜266可以由氟化镁(MgF2)制成。

结合图11，在步骤222中，将封装胶膜268形成于该抗反射膜266的上方，并覆盖该基板252，从而形成本发明的太阳能电池组件250。该封装胶膜可以由乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA，ethylene vinyl acetate)制成。

本发明提供的所述制造方法采用第一、第二和第三屏蔽270、280、290，例如金属屏蔽(Metal Mask)进行镀膜区域定义，其生产流程如图3所示，从而制得的组件的堆栈结构如图11所示，该第一、第二和第三屏蔽(Mask)应用的实施步骤和成膜状况如图4至图11所示。该第一、第二和第三网罩270、280、290可以分别包括至少一对位孔(图中没有标出)，用于与该基板进行精密地对位。使用后的该第一、第二和第三网罩270、280、290可以根据使用情况，进行回收或丢弃。

具体地，本发明描述了一种制造CIGS太阳能电池组件的新流程和方法，根据所述制造流程，可以省去现有技术中需要将基板移出真空腔体，进行激光刮除(Laser Scribing)或机械力刮除(Mechanical scribing)的画线过程。因此，本发明可以降低该底部电极254(钼金属)接触大气所造成的氧化，并且可以增加该底部电极254(钼金属)与顶部电极264(含有铝掺杂物的氧化锌)之间的接触面积，降低接触电阻，进而提高组件效率。

本发明的第二网罩用于生产程序中，该铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜采用单一的铜铟镓硒化合物(CIGS)溅镀靶材，经过溅镀过程所沉积的铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜，不需要另外升温超过400℃，且不需要再经过现有技术的激光画线过程，从而达到降低生产设备成本、避免铜铟镓硒化合物暴露于大气环境的目的。可以在真空环境下进行连续式生产，大大提高了铜铟镓硒化合物(CIGS)薄膜的太阳能电池的生产性。

虽然本发明已经通过上述实施方式进行了说明，然而上述实施方式并不是用来限定本发明，任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作各种变动与修改。因此，本发明的保护范围应当根据权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种太阳能电池组件的制造方法，该制造方法包括下列步骤：

将第一网罩设置于基板的上方，其中所述第一网罩包括多个第一开口，所述第一开口以阵列式排列，用于定义多个第一镀膜区域；

将多个底部电极分别形成于所述第一镀膜区域，其中所述底部电极位于所述基板的上方；

移除所述第一网罩；

将第二网罩设置于所述底部电极的上方，其中所述第二网罩包括多个第二开口，所述第二开口以阵列式排列，用于定义多个第二镀膜区域；

将多个光电转换单元分别形成于所述第二镀膜区域，其中所述光电转换单元位于所述底部电极的上方，且每一个光电转换单元包括多元金属硫族元素化合物薄膜，所述多元金属硫族元素化合物薄膜是通过真空溅镀过程对多元金属硫族元素化合物的单一靶材进行溅镀从而形成于所述底部电极的上方，且所述真空溅镀过程的工作温度介于100℃与400℃之间；

移除所述第二网罩；

将第三网罩设置于所述光电转换单元的上方，其中所述第三网罩包括多个第三开口，所述第三开口以阵列式排列，用于定义多个第三镀膜区域；

将多个顶部电极分别形成于所述第三镀膜区域，其中所述顶部电极位于所述光电转换单元的上方；以及

移除所述第三网罩。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述制造方法还包括下列步骤：

将抗反射膜形成于所述顶部电极的上方，并覆盖所述基板、底部电极和光电转换单元。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述制造方法还包括下列步骤：

将封装胶膜形成于所述抗反射膜的上方，并覆盖所述基板。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第一、第二和第三网罩由金属制成。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第二网罩的熔点为400℃以上。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第一、第二和第三网罩分别包括至少一对位孔，用于与所述基板进行精密地对位。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述底部电极包括单层的钼金属。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述真空溅镀过程的工作温度介于250℃与300℃之间。

9.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述多元金属硫族元素化合物含有铜、铟、镓和硒元素。

10.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述多元金属硫族元素化合物含有铜、铟和硒元素。

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