CN102254996B - 一种提高透光太阳能电池组件功率的划刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高透光太阳能电池组件功率的划刻方法，属于太阳能电池应用技术领域。在透光太阳能电池组件的透光性能不变的情况下，通过优化透光划刻方式来达到提高组件功率的目的，技术方案是在原有透光划刻工艺的基础上，通过改变划刻透光凹槽（9）的宽度来调整单位面积上划刻透光凹槽的数量，在保证透光性能不变的基础上降低划刻透光凹槽的数量，来降低划刻过程中对膜层边缘的损伤所导致的漏电，从而可以使组件透光率不变，而发电功率得到大幅度提高。本发明通过对漏电来源进行分析，以降低漏电的几率为目的，优化了划刻的方式，在设备调整上变化不大，因此具有可操控性好，变化方式灵活的特点，是实现高透过率高功率产品的有效方法。

Description

一种提高透光太阳能电池组件功率的划刻方法

技术领域

本发明涉及一种提高透光太阳能电池组件功率的划刻方法，属于太阳能电池应用技术领域。

背景技术

目前，光伏建筑一体化（BIPV）建筑是最先进、最有潜力的高科技绿色节能建筑，也是目前世界上大规模利用光伏技术的重要方向。BIPV是指将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的维护结构外表面来提供电力。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。可以应用于BIPV建筑的太阳电池组件种类包括单晶硅、多晶硅以及硅基系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、铜铟镓锡系列薄膜电池等，其中后者几类薄膜电池以其独特的美观性能（透射光为自然光，可以实现均匀透光）、稳定可靠的发电性能、经济低廉的成本和设计选型的多样性，能够比较完美的实现光伏建筑一体化。

薄膜透光组件代替当前建筑中普遍使用的玻璃幕墙，要求组件必须具有透过一定自然光的能力，背景技术通常使用的工艺是采用激光划刻的方法，一般的工艺流程为：当电池的背电极沉积完后，利用波长为532nm的高能密度的激光束，把组件中的背电极和光电转换层刻蚀掉，露出前透明导电薄膜，这样自然光就可以透过组件。通过控制激光头的运动，在电池上可以制作出具有规则的沟槽状结构的透光结构，组件的透光率可以通过改变划刻沟槽状结构的密度来调整。但是在划刻过程中，划刻边缘存在的缺陷将引入漏电点，并且随着划刻条数的增加漏电几率增加。一般通过激光划刻将组件切割成小电池并使组件串联起来的工艺，仅需划刻60-200条划线。而在进行透光处理工艺过程中，以面积为1.1×1.3m²、透光率30%的电池组件为例，假如激光光斑直径范围通常为150μm，为了实现30%的透过率，需要划刻2860道沟槽，导致沟槽边缘引入的缺陷数量增多，影响电池电学特性，尤其对于透光率要求更高的产品，划刻的直线槽条数越多，出现划刻缺陷的几率就越大，从而降低组件性能，严重影响组件的输出功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高透光太阳能电池组件功率的划刻方法，通过改变划刻方式，降低单位面积上的划刻凹槽数量，从而降低凹槽与膜层相接触的边缘数量，由此降低了划刻所导致的薄膜边缘损伤所引起的漏电几率，从而使透光组件的功率损失得到了有效控制，解决背景技术存在的上述问题。

本发明的技术方案为：

一种提高透光太阳能电池组件功率的划刻方法，包含如下工艺步骤：

（1）按照太阳能薄膜组件的制备工艺，完成顺序沉积在绝缘基板上的第一透明导电电极层、光电转换层、第二透明导电电极层的制备，然后通过划刻的方式对电池进行分割，并将分割后的子电池串联起来；（2）沿着垂直于子电池的方向或平行于子电池的方向采用划刻的方式对部分薄膜层进行移除，膜层被移除的部分露出前电极层或前玻璃，此位置光可以直接透过电池，实现透光的功能，而未进行划刻的地方，膜层可以实现发电的功能；其特别之处是划刻过程中通过改变划刻透光凹槽的宽度来调整单位面积上划刻透光凹槽的数量，在保证透光性能不变的基础上降低划刻透光凹槽的数量，来降低划刻过程中对膜层边缘的损伤所导致的漏电。

所说的薄膜电池为硅基系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、铜铟镓锡系列薄膜电池或有机化合物材料薄膜电池等。

所说的改变划刻透光凹槽宽度的方法，包括：（1）在采用激光划刻方式的情况下，可以通过调整光路系统改变激光终端能量区域的大小，增加光斑的面积，使划刻透光凹槽的宽度增加。（2）在采用激光划刻方式的情况下，可以采取多条划刻线部分叠加的方式，将划刻透光凹槽的宽度加宽。

通过划刻的方式对电池进行分割，并将分割后的子电池串联起来，该工艺共包括三次激光划刻过程，分别包括第一次划刻槽、第二次划刻槽及第三次划刻槽，第一次划刻槽、第二次划刻槽及第三次划刻槽相互接近并平行分布；第一次划刻槽用于将薄膜电池组件的第一透明导电电极层进行分割以便形成多个子电池，也称为光电转换单元；第二次划刻槽将光电转换层分割，使每一个光电转换单元的第二透明导电电极层与相邻的光电转换单元的第一透明导电电极层相连接；第三次划刻槽用于将相邻光电转换单元的第二透明导电电极层隔开。

透光划刻如果沿着垂直于子电池的方向，划刻透光凹槽可以是连通的条状、或断续的点线、孔状以及特殊图案；透光划刻若沿着平行于子电池的方向，且透光划刻透光凹槽与第三次划刻槽无叠加，则划刻透光凹槽为非连通的点线、孔状及特殊图案；透光处理划刻若沿着子电池的方向，且透光划刻透光凹槽与第三次划刻槽相叠加，划刻透光凹槽可以是连通的条状、或断续的点线、孔状以及特殊图案。

本发明的积极效果是：本发明利用优化划刻方式能够制备出较高功率的透光薄膜太阳能电池,该工艺由于未对划刻设备进行改动，只是在漏电产生原因方面加以分析，根据漏电来源改变划刻方式降低漏电的几率，因此具有可操控性好，变化方式灵活，效果显著的优点。本发明在保证组件透光性能的同时，提高组件的功率能够降低单位发电量成本，使薄膜透光组件能够在建筑应用上具有更多优势。

附图说明

图1为采用本发明划刻方式所制备的透光组件的立体图；

其中：绝缘基板1、第一透明导电电极层2、光电转换层3、第二透明导电电极层4、子电池5、第一次划刻槽6、第二次划刻槽7、第三次划刻槽8、（本发明方法划刻的）透光凹槽9。

图2为本发明所制备的透光组件俯视图及一个透光凹槽放大图；

其中：11为透光处理第一条划刻线，12为第二条划刻线，13为第三条划刻线，14为第四条划刻线，15为相邻两条划刻线之间的叠加区域，16为两个完整透光凹槽之间的间距。 

图3为采用多点接触式开路电压测试方法对普通划刻方法制备的组件所进行测试的效果图；

其中：21、22、23通过颜色的差异表现出与周围的测量电压存在明显区别，表征出了电池上存在的缺陷，并且显示出图像中存在大量类似于21、22、23的缺陷位置。

图4为本发明划刻方式对组件进行划刻后，采用多点接触式开路电压测试方法对电池进行测试的效果图；

图5为本发明划刻方式对组件进行划刻后，采用不同的线宽，随划刻线宽的增加功率逐渐增加的对比图；

其中：31为传统工艺划刻方式所制备组件的功率测试结果；32为采用本发明划刻方法，划刻凹槽为X+50μm的透光组件相对传统工艺组件的功率提高百分比；33为采用本发明划刻方法，划刻凹槽为X+100μm的透光组件相对传统工艺组件的功率提高百分比；34为采用本发明划刻方法，划刻凹槽为X+100μm的透光组件相对传统工艺组件的功率提高百分比。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

本发明与通常的薄膜太阳能电池组件生产线（硅基系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、铜铟镓锡系列薄膜电池、有机化合物材料系列薄膜电池等）兼容。本发明以硅基薄膜为例，其步骤包括：1）首先在浮法玻璃（绝缘基板）上沉积透明导电薄膜（第一透明导电电极层ZnO或SnO₂），或者直接使用商业化的FTO玻璃，然后利用等离子体化学气相沉积技术（PECVD）在镀膜玻璃衬底上沉积薄膜硅p-i-n或者p-i-n/p-i-n叠层结构及三结硅基薄膜结构（光电转换层），接着利用溅射或化学气相沉积技术制备背电极ZnO或ZnO/Al或ZnO/Ag（第二透明导电电极层），硅薄膜层起到将光转换成电的功能，前后电极收集光电转换产生的电荷。通过激光划刻的方式对电池进行分割与串联；2）进行透光划刻处理，首先可以调整光路系统改变激光终端能量区域的大小，增加光斑的面积，使划刻凹槽的宽度增加，如果线宽增加同时保证组件的透光率不变，则需要降低单位面积的划刻次数，从而降低划刻带来的漏电损失；其次可以采取多条划刻线相互叠加的方式，将划刻凹槽的宽度加宽；其中一种划刻方式的实现可以采取同一个激光头在划刻完成后沿着垂直于划刻方向少量位移再次进行划刻，并使先后两次划刻存在一定的叠加区域，共同形成一个划刻透光凹槽，或采用上述方法移动多次，多次划刻的叠加共同形成一个较宽的划刻透光凹槽；另外一种划刻方式是采取几个激光头沿着垂直于划刻方向以一定的距离依次排开，然后同时划刻，划刻线相互叠加完成一个透光凹槽的形成；所移除的膜层包括背电极ZnO或ZnO/Al或ZnO/Ag和硅薄膜层。被移除膜层的部分，光线可以直接透过电池，实现透光的功能，同时由于划刻透光凹槽数量的减少，使膜层与凹槽的界面减少，界面上存在的漏电缺陷的减少将导致组件功率损失的减少；3）采用多点接触式开路电压测试仪器对改善效果进行测试；多点接触式开路电压测试仪器可以对整个电池上缺陷大概分布情况及电池的开路电压进行测量，通过采用该设备对划刻方法变更前后透过率相同的组件进行测试，能够明显的观察到缺陷的分布数量降低，而组件的开路电压明显提高；4）对组件进行封装，测试组件的功率，应用该划刻方法的组件功率较之前的划刻方法，功率提高1%-12%。

实施例一：

通过优化划刻方式来提高透光组件功率的方法包括以下步骤：

a.  参见图1：在绝缘基板1浮法玻璃上利用低压化学气相沉积的技术或磁控溅射技术沉积透明导电薄膜作为电池的前电极，第一透明导电电极层2；然后利用等离子体化学气相沉积技术（PECVD）在镀膜玻璃衬底上沉积薄膜硅p-i-n或者p-i-n/p-i-n叠层结构及三结硅基薄膜结构，光电转换层3；在上述光电转换层上面采用低压化学气相沉积的技术生长透明导电薄膜作为电池背电极，第二透明导电电极层4。

b.  参见图1：本实施例采用激光划刻的方式，垂直于子电池5方向进行直线透光凹槽9的划刻，将包括背电极和光电转换层在内的两层薄膜移除，露出前电极。透光凹槽9的形成由以下过程组成：参见图2中放大图，首先，利用一束波长为532nm的绿激光沿该方向划刻一条透光线，根据光路的调整，目前透光线可以在50-200μm范围内优化，本实施例采用150μm的线宽。然后，在关闭激光的情况下，激光头沿着垂直划线的方向由划线的位置平行移动至图示中划线的初始位置，移动距离可以在10-200μm之间优化，本实施例采用100μm。然后打开激光，由该位置开始平行于上述直线凹槽进行直线凹槽的划刻，再次关闭激光头使其平行移动至图示中划线的初始位置，打开激光进行直线凹槽的划刻，同样完成直线凹槽的划刻，使四条划刻线最终形成图1中一个完整的透光凹槽9。相邻两条划刻线间形成一个1-140μm的叠加区域，本实施例叠加区域为50μm。根据组件实际要求，组成划刻凹槽的划刻条数可以在2-10条之间优化。透光凹槽9的直径可以在100μm-2mm的范围内优化，本实施例采用450μm的透光凹槽直径。

c.  参见图2：间隔一定的位移，按照上述同样方法进行另一条透光凹槽的划刻，间隔距离可以根据透过率的不同在50μm-2mm之间优化，本实施例以透过率为30%的透光组件为例，采用1.05mm的间隔距离。

d.  继续按照上述方法与间隔移动激光头并进行划刻，直到整个组件的透光处理完成。

e.  采用水洗的方法清洗划刻过程产生的微粒。

f.  参见图3与图4：通过多点接触式开路电压测试方法对变更划刻方法前后制备的组件进行测试结果对比。图3中的三个位置代表了电池上存在的缺陷，我们可以通过颜色的差异表现出该位置测量出的电压值存在异常，在测试结果中显示出大量类似于的缺陷位置。图4中显示了新的激光划刻方法所制备的组件进行测试的结果中缺陷位置明显减少。

g.  通过层压封装技术制备出完整的透光组件。

实施例二：

通过优化划刻方式来提高透光组件功率的方法包括以下步骤：

a.  参见图1：在绝缘基板1浮法玻璃上利用低压化学气相沉积的技术或磁控溅射技术沉积透明导电薄膜作为电池的前电极，第一透明导电电极层2；然后利用等离子体化学气相沉积技术（PECVD）在镀膜玻璃衬底上沉积薄膜硅p-i-n或者p-i-n/p-i-n叠层结构及三结硅基薄膜结构，光电转换层3；在上述光电转换层上面采用低压化学气相沉积的技术生长透明导电薄膜作为电池背电极，第二透明导电电极层4。

b.  参见图2中放大图：本实施例采用激光划刻的方式，垂直于子电池方向进行直线透光凹槽的划刻。首先，将2-20个激光头沿着子电池方向进行排布，本实施例采用4个激光头。激光头光轴之间的距离可以在10-200mm之间进行优化，本实施例采用100mm。

c.  参见图2中放大图：四个激光头以波长为532nm的绿激光沿着垂直于子电池的方向同时划刻出四条凹槽，将包括背电极和光电转换膜层在内的两层薄膜移除，露出前电极，透光凹槽的直径可以在50-200mm的范围内优化，本实施例采用150mm的透光凹槽直径。

d.  参见图2中放大图：激光同时划刻出四条凹槽，根据间距与线宽的设置将在相邻两条凹槽之间产生一个宽度为1-140mm的叠加区域15，本实施例中该区域为50mm。

e.  参见图2：间隔一定的位移，按照上述同样方法进行另一条透光凹槽的划刻，间隔距离可以根据透过率的不同在50mm-2mm之间优化，本实施例以透过率为30%的透光组件为例，采用1.05mm的间隔距离。

f.  继续按照上述方法与间隔移动激光头并进行划刻，直到整个组件的透光处理完成。

g.  采用水洗的方法清洗划刻过程产生的微粒。

参见图5：通过太阳能模拟器对透光组件的功率进行测试。图5中1为采用普通划刻方式进行透光凹槽制作的透光组件的功率测试结果，分别为采用本发明划刻方式、不同凹槽宽度所制备的透光组件相对传统工艺透光组件的功率提高百分比，由图中可以看到采用本发明透光组件的功率随凹槽宽度的优化逐渐提高。

Claims (3)

1.一种提高透光太阳能薄膜电池组件功率的划刻方法，其特征在于包含如下工艺步骤：

（1）按照太阳能薄膜电池组件的制备工艺，完成顺序沉积在绝缘基板上的第一透明导电电极层、光电转换层、第二透明导电电极层的制备，然后通过划刻的方式对电池进行分割，并将分割后的子电池串联起来；（2）沿着垂直于子电池的方向采用划刻的方式对部分膜层进行移除而露出所述第一透明导电电极层或所述绝缘基板，从而形成透光凹槽，此位置光可以直接透过太阳能薄膜电池组件，实现透光的功能，而未进行划刻的地方，膜层可以实现发电的功能；其中，步骤（2）的划刻过程中通过改变划刻透光凹槽的宽度，来调整单位面积上划刻透光凹槽的数量，在保证透光性能不变的基础上降低划刻透光凹槽的数量，来降低划刻过程中对膜层边缘的损伤所导致的漏电。

2.根据权利要求1所述的提高透光太阳能薄膜电池组件功率的划刻方法，其特征在于所说的改变划刻透光凹槽宽度的方法是：在采用激光划刻方式的情况下，通过调整光路系统改变激光终端能量区域的大小，增加光斑的面积，使划刻透光凹槽的宽度增加。

3.根据权利要求1所述的提高透光太阳能薄膜电池组件功率的划刻方法，其特征在于所说的改变划刻透光凹槽宽度的方法是：在采用激光划刻方式的情况下，采取多条划刻线部分叠加的方式，将划刻透光凹槽的宽度加宽。

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