CN102744520A - 划刻光伏器件期间随时间改变激光强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及划刻光伏器件期间随时间改变激光强度的方法。提供用于激光划刻包括衬底(12)上的多个薄膜层的膜堆叠(13)的方法。激光束(30)的脉冲施加于该膜堆叠(13)，其中该激光束(30)具有在根据预定功率周期的脉冲期间作为时间的函数而变化的功率。例如，该脉冲可以具有持续大约0.1纳秒至大约500纳秒的脉冲。激光束(30)的该脉冲可以跨膜堆叠(13)重复以形成通过衬底(12)上的薄膜层中的至少一个的划刻线。这样的方法在激光划刻基于碲化镉薄膜的光伏器件(10)方面特别有用。

Description

划刻光伏器件期间随时间改变激光强度的方法
技术领域
本文公开的主旨大体上涉及激光划刻光伏模块以在该模块中形成个体电池的领域。更具体地，该主旨涉及改变用于划刻基于碲化镉的薄膜光伏(PV)器件的激光的强度的方法和设备。
背景技术
光伏(PV)或太阳能电池是将太阳光转换成直流(DC)电功率的材料结器件。当暴露于太阳光时，太阳能电池p-n结的电场使自由电子和空穴对分开，从而产生光电压(photo-voltage)。从n侧到p侧的电路允许电子在太阳能电池连接到电负载时流动，同时PV电池结器件的面积和其他参数确定可用电流。电功率是当电子和空穴重新结合时产生的电压乘以电流的乘积。
薄膜太阳能器件典型地由沉积在平板玻璃上的材料的多个薄层组成。这些玻璃面板典型地通过划刻工艺(其还限定相邻电池的电气互连)细分成大量(在100至200个之间)的个体太阳能电池，其串联电连接以用电流产生功率。激光划刻实现下一代薄膜器件的高容量生产，并且激光划刻在质量、速度和可靠性方面胜过机械划刻法。
激光-材料的相互作用牵涉加热、熔化、蒸发、原子喷出、离子喷出和分子喷出、冲击波、等离子体引发和等离子体膨胀的复杂工艺。所得的坑或激光诱导的等离子体取决于激光束参数(例如，持续时间、能量和波长)、固体靶特性和周围环境条件。
期望将激光划刻控制到特定深度来控制个体电池以及形成的所得模块的特性。然而，至少部分由于每个薄膜的不同的材料组成，划刻膜堆叠中的每个个体薄膜层所需要的能量(例如，施加的激光强度和/或时间)可能变化。如此，准确控制激光划刻的深度可能是基于划刻每层所需要的能量的总和的计算。该计算可以导致形成通过许多层的激光划刻的深度的变化。这样的深度变化进而可以导致所得PV模块的性能的变化。
如此，存在需要在玻璃顶衬底(尤其是基于碲化镉的薄膜光伏器件)上更精确地激光划刻多个薄膜。
发明内容
本发明的方面和优势将在下列说明中部分阐述，或可通过该说明明显可见，或可通过本发明的实践而获悉。
大体上公开了用于激光划刻包括衬底上的多个薄膜层的膜堆叠的方法。激光束脉冲施加于该膜堆叠，其中该激光束具有在完成预定功率周期的脉冲期间作为时间的函数而变化的功率。例如，脉冲可以具有持续约0.1纳秒至约500纳秒的功率周期。激光束的该脉冲可以跨膜堆叠重复以形成通过衬底上的薄膜层中的至少一个的划刻线。
这样的方法在激光划刻基于碲化镉薄膜的光伏器件方面特别有用。例如，可以提供基于碲化镉薄膜的光伏器件，其包括玻璃顶板(superstrate)和膜堆叠，该膜堆叠包括该玻璃顶板之上的透明导电氧化物层、该透明导电氧化物层之上的高阻透明缓冲层(resistivetransparent buffer layer)、该高阻透明缓冲层之上的硫化镉层以及该硫化镉层上的碲化镉层。激光束的脉冲然后可以采用在完成预定功率周期的脉冲期间作为时间的函数而变化的功率施加于膜堆叠上。激光束的脉冲然后可以跨基于碲化镉薄膜的光伏器件重复以在膜堆叠中形成划刻线。
本发明的这些和其他特征、方面和优势将参照下列说明和附上的权利要求变得更好理解。包含在本说明书中并且构成其一部分的附图图示本发明的实施例并且与描述一起服务于解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域内技术人员的本发明的完全和使能公开(包括其最佳模式)在该说明书中阐述，其参照附图，其中：
图1示出随时间变化的激光束的示范性功率周期；
图2示出随时间变化的激光束的另一个示范性功率周期；
图3示出用于在光伏器件上激光划刻薄膜的示范性系统；
图4示出用于在光伏器件上激光划刻薄膜的另一个示范性系统；
图5示出用于在光伏器件上的薄膜上同时形成多个划刻线的示范性设备；
图6示出用于在光伏器件上的薄膜上同时形成多个划刻线的另一个示范性设备；
图7示出示范性碲化镉薄膜光伏器件的透视图；
图8示出图7的示范性碲化镉薄膜光伏器件的剖视图的一般示意图；
图9示出垂直于根据图7的示范性碲化镉薄膜光伏器件在图8中示出的视图的剖视图的一般示意图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在图中图示。每个示例以说明本发明的方式而非限制本发明的方式来提供。实际上，在本发明中可以做出各种修改和变化而不偏离本发明的范围或精神对于本领域内技术人员将是明显的。例如，图示或描述为一个实施例的一部分的特征可以与另一个实施例一起使用以产生再另外的实施例。从而，规定本发明涵盖这样的修改和变化，它们落在附上的权利要求和它们的等同物的范围内。
在本公开中，当层描述为在另一层或衬底“上”或“之上”时，要理解这些层可以直接互相接触或在这些层之间具有另一层或特征。从而，这些术语简单地描述这些层互相之间的相对位置并且不必定意味“在顶部”，因为在上面或下面的相对位置取决于器件对观察者的取向。另外，尽管本发明不限于任何特定的膜厚度，描述光伏器件的任何膜层的术语“薄”一般指膜层具有小于大约10微米(“micron”或“μm”)的厚度。
要理解本文提到的范围和极限包括位于规定极限内的所有范围(即，子范围)。例如，从大约100至大约200的范围也包括从110至150、170至190、153至162和145.3至149.6的范围。此外，高达大约7的极限也包括高达大约5、高达3和高达大约4.5的极限以及该极限内的范围，例如从大约1至大约5和从大约3.2至大约6.5等。
大体上公开了用于利用具有随时间变化的功率的激光脉冲来激光划刻膜堆叠的方法。具体地，激光束具有根据预定功率周期在每个脉冲期间作为时间的函数而变化的功率。该脉冲然后可以跨膜堆叠的表面重复以形成通过膜堆叠的薄膜层中的至少一个的划刻线。根据这些方法，可以提高通过膜堆叠的薄膜的激光划刻工艺的准确性，从而导致形成的划刻线的质量提高(例如，更好的均一性)。另外，可以调整激光的功率水平以当激光束划刻通过膜堆叠的厚度时与个体薄膜的特性匹配。
脉冲大体上可以具有持续大约0.1纳秒(ns)至大约500ns的功率周期，例如大约0.5ns至大约250ns。在特定实施例中，脉冲可以持续大约1ns至大约100ns，例如大约5ns至大约50ns。
每个脉冲的功率周期可以限定多个互不相同的功率水平。如此，施加于膜堆叠的功率可以在每个脉冲期间随时间变化(例如，作为时间的函数)。例如，图1示出示范性功率周期100，其示出功率(y轴)作为时间(x轴)的函数的变化。功率周期100限定第一功率水平102，其不同于第二功率水平104。如本文使用的，术语“功率水平”指在脉冲期间激光束功率的功率周期上的线或峰值，其中“线”指在脉冲期间上大致上恒定的功率并且“峰值”指在脉冲期间激光束的功率的局部最大或最小值。
在图1中示出的实施例中，第一功率水平102小于第二功率水平104。例如，第二功率水平104可以比第一功率水平102大大约10％至大约150％(即，第二功率水平104可以是第一功率水平102的大约110％至大约250％)，例如比第一功率水平102大大约50％至大约100％(即，第二功率水平104可以是第一功率水平102的大约150％至大约200％)。
激光束的功率对于第一持续时间(等于功率周期100在第一功率水平102的长度)保持在第一功率水平102，并且激光束的功率对于第二持续时间(等于功率周期100在第二功率水平104的长度)保持在第二功率水平104。在图1的实施例中，第一功率水平102的第一持续时间比第二功率水平104的第二持续时间要长。例如，第一功率水平102的第一持续时间可以比第二功率水平104的第二持续时间大大约10％至大约5,000％(即，第一持续时间可以是第二持续时间的大约110％至大约50,000％)，例如比第二功率水平104的第二持续时间大大约100％至大约1,000％(即，第一持续时间可以是第二持续时间的大约1,000％至大约10,000％)。
在图1中示出的实施例中，在脉冲Tp的功率周期100中，第一功率水平102在顺序上是在第二功率水平104之前。然而，在其他实施例中，该顺序可以颠倒使得第二功率水平104在顺序上是在第一功率水平102之前。
在某些实施例中，激光束的功率对于第一持续时间可以保持在第一功率水平102，该第一持续时间是脉冲Tp的大约10％至大约90％，例如脉冲Tp的大约20％至大约75％，或更特定地是脉冲Tp的大约25％至大约50％。相反地，激光束的功率对于第二持续时间可以保持在第二功率水平104，该第二持续时间是脉冲的大约0.5％至小于脉冲的大约50％，例如脉冲的大约1％至大约25％。当然，该第一持续时间和第二持续时间可以根据期望变化。
图2示出除第一功率水平102和第二功率水平104外还具有第三功率水平106的备选功率周期100。该第三功率水平106不同于第一功率水平102和第二功率水平104。如示出的，该第三功率水平106具有大于第一功率水平102和第二功率水平104两者的功率，并且第一功率水平小于第三功率水平和第二功率水平两者。
图2的功率周期100的第三功率水平106由功率中的峰值限定。从而，图2中的第三功率水平106的第三持续时间(如由第三功率水平106的长度限定的)是第一持续时间的一小部分。例如，第三持续时间可以小于第一持续时间的5％，例如第一持续时间的大约0.001％至大约1％。然而，在其他实施例中，第三功率水平的第三持续时间可以根据期望调整使得激光束的功率对于第三持续时间保持在第三功率水平，该第三持续时间可以是脉冲的大约0.01％至大约50％，例如脉冲持续时间的大约0.1％至大约25％。
另外，图2示出在脉冲Tp的功率周期100中第三功率水平106在顺序上是在第一功率水平102之前，并且在脉冲Tp的功率周期100中第一功率水平102在顺序上是在第二功率水平104之前。然而，在其他实施例中，该顺序可以改变以满足对于特定应用期望的功率周期(例如，取决于正被划刻的膜堆叠的性质)。
脉冲Tp的功率波动曲线100中的转变101、103、105、107可以相对于脉冲Tp的总持续时间快速发生，这样的每个转变101、103、105、107持续小于脉冲Tp的大约1％(例如，脉冲Tp的大约0.001％至大约0.1％)。
图3示出通过将激光束30从激光源32引导到膜堆叠13上而在光伏器件10的衬底12上划刻该膜堆叠13的示范性系统28和方法。如在图3中示出的，该激光束30直接施加到膜堆叠13的暴露表面38上来形成划刻线40。图4示出图3的系统28和方法的备选实施例，其中激光束30穿过玻璃衬底12以在邻近衬底12的膜堆叠13的内表面42上形成划刻线44。如规定的，可以根据激光束的强度(作为脉冲Tp总功率的函数)调整划刻线40、44进入膜堆叠13的厚度的深度。
如在本领域内已知的，激光源32可以是基于模拟光子发射通过光放大发射光(即，电磁辐射)的任何适合的激光器件。激光束30的波长可以根据期望调整并且可以是大致上恒定或作为时间的函数随着功率变化的单色或多色。例如，激光束30的波长可以在大约250nm至大约1150nm的范围中。激光束30的适合的单色波长包括，但不限于，大约266nm、大约355nm、大约532nm和大约1064nm。另外，根据在光伏模块10中形成的划刻线40的期望的尺寸，激光束30可以通过激光源32中的透镜33聚焦来控制激光束30的直径。例如，在某些实施例中，激光束30的直径可以是大约10μm至大约500μm。
在图3和4中示出的实施例两者中，激光源32经由通信链路36(例如，有线或无线通信链路)连接到计算装置34。该计算装置34配置成根据期望的功率周期100控制来自激光源32的激光束30的功率。具体地，该计算装置34包括存储器，其具有存储在计算机可读介质中的计算机可读指令以供处理器执行以根据期望的功率周期100控制来自激光源32的激光束30的功率。
图5示出同时在光伏器件10中形成多个划刻线40的示范性系统50和方法。沿着框架52安置多个激光源32。经由输送系统54在该框架52和多个激光源32下方运送光伏器件10。光伏器件10在大致上垂直于框架52的取向的方向上移动使得划刻线40在大致上平行于光伏器件10的横侧边缘53的大致上直的线中取向。另外，输送系统54配置成以大致上恒定的速度移动光伏器件10以便确保划刻线40跨划刻线40的长度在深度上是均匀的。
图6示出在光伏器件10中形成多个划刻线40的备选系统60和方法。激光源32能移动地安装在框架62上，该框架62以相对于光伏器件10的行进方向(即，器件向量)成一定角度(例如，大约10°至80°)取向。在划刻期间，激光源32沿着框架62移动使得它在器件向量上的移动处于与光伏器件10的移动相同的速度。从而，划刻线40可以在垂直于器件向量并且大致上平行于横侧边缘53的方向上在光伏器件10中形成。
尽管示出利用辊轴56，图5和6的输送系统54可以是配置成运送光伏器件10的任何适合的运送系统(例如，包括带、轨道等)。光伏器件10可以在框架52下方传输，其中膜堆叠或玻璃衬底直接暴露于激光束30。
如关于图3和4论述的，在图5和6中示出的激光源32经由计算装置34控制。如此，每个激光源32可以根据具有如上文论述的功率周期100的脉冲Tp而脉冲化。
从而，图5和6的系统50和60分别可以在光伏器件10中形成由划刻线40分开的多个光伏电池11。
脉冲化的激光束(其中每个脉冲根据如上文描述的预置功率周期100改变激光束的功率)可以在基于碲化镉的薄膜光伏器件中形成划刻线方面特别有用，例如在图7-9中示出的。如示出的，基于碲化镉的薄膜光伏器件10包括玻璃衬底12、TCO层14、高阻透明缓冲层16、硫化镉层18、碲化镉层20、石墨层22和金属接触层24。
如规定的，光伏器件10大体上包括由划刻线分开的多个电池，划刻线大体上经由例如上文描述的激光划刻工艺形成。例如，该激光划刻工艺可需要限定通过光反应层(即，硫化镉层18和碲化镉层20)和下层(即，通过TCO层14)向下至玻璃衬底12的第一隔离划刻。然后在施加背接触层之前，用介电材料填充该第一隔离划刻线21以便确保TCO层14在电池之间电隔离。例如，可以使用光阻剂显影工艺填充该第一隔离划刻21，其中液体负性光阻剂(NPR)材料通过喷涂、滚涂、丝网印刷或任何其他适合的施加工艺涂覆到碲化镉层20上。然后衬底12暴露于来自下面的光使得第一隔离划刻21(以及碲化镉材料20中的任何针孔)中的NPR材料暴露于光，从而使暴露的NPR聚合物交联和“硬化”。衬底12然后在其中化学显影剂施加于碲化镉层20来溶解任何未硬化的NPR材料的工艺中“显影”。也就是说，未暴露于光的NPR材料由显影剂从碲化镉层20洗去，从而使得第一隔离划刻21用NPR材料填充。
串联连接划刻23可以是通过石墨层22到达TCO层14的激光切割，并且用金属接触层24的导电金属材料填充以使相邻电池互相串联电连接。当然，任何导电材料可以包括在串联连接划刻23中。具体地，串联连接划刻23可以允许金属接触层24接触TCO层14，从而在背接触(即，石墨层22和金属接触层24)与前接触材料(即，TCO层14)之间提供直接电连接。
最终，第二隔离划刻26可以是通过背接触(即，石墨层22和金属接触层24)与光反应层(即，硫化镉层18和碲化镉层20)的激光切割，用于将背接触隔离到个体电池中。
激光划刻工艺可以用于形成这些划刻线中的任何划刻线。例如，当形成第二隔离划刻26时，如在图1中示出的功率周期100可对于首先使用第一功率水平102划刻石墨层22并且然后使用第二功率水平104划刻光反应层18和20是有用的。
图7-9的示范性器件10包括作为衬底而被采用的上板玻璃12。在该实施例中，玻璃12可以称为“顶板”，因为它是后续层在其上形成的衬底，但当使用碲化镉薄膜光伏器件10时它朝上面向辐射源(例如，太阳)。该上板玻璃12可以是高透射玻璃(例如，高透射硼硅酸盐玻璃)、低铁浮法玻璃或其他高度透明的玻璃材料。该玻璃大体上厚到足以为后续膜层提供支撑(例如，从大约0.5mm至大约10mm厚)，并且大致上平坦以提供用于形成后续膜层的良好表面。在一个实施例中，玻璃12可以是含有少于大约0.15％(按重量计)铁(Fe)的低铁浮法玻璃，并且在感兴趣光谱中(例如，从大约300nm至大约900nm的波长)可具有大约0.9或更大的透射率。
透明导电氧化物(TCO)层14在示范性器件10的玻璃12上示出。该TCO层14允许光最小吸收地穿过同时还允许由器件10产生的电流从旁边行进到不透明金属导体(未示出)。例如，该TCO层14可以具有小于大约30欧姆每平方的薄层电阻，例如从大约4欧姆每平方至大约20欧姆每平方(例如，从大约8欧姆每平方至大约15欧姆每平方)等。TCO层14大体上包括至少一个导电氧化物，例如氧化锡、氧化锌或氧化铟锡或其混合物等。另外，TCO层14可以包括其他导电透明材料。TCO层14还可以包括锡酸锌和/或锡酸镉。
TCO层14可以通过溅射、化学气相沉积、喷雾热解或任何其他合适的沉积方法形成。在一个特定实施例中，TCO层14可以通过在玻璃12上溅射(例如，DC溅射或RF溅射)而形成。例如，锡酸镉层可以通过将包含化学计量量的SnO2和CdO的热压靶以大约1至大约2的比率溅射到玻璃12上而形成。备选地，可以通过使用醋酸镉和氯化锡(II)前驱物通过喷雾热解制备锡酸镉。
在某些实施例中，TCO层14可以具有在大约0.1μm和大约1μm之间的厚度，例如从大约0.1μm至大约0.5μm，例如从大约0.25μm至大约0.35μm等。具有在顶板表面上形成的TCO层14的适合的平坦玻璃衬底在商业上可以从各种玻璃制造商和供应商处购买。例如，包括TCO层14的特别适合的玻璃12包括在商业上可从PilkingtonNorth America Inc.(Toledo，Ohio)获得的用TEC 15TCO名字的玻璃，其包括具有15欧姆每平方的薄层电阻的TCO层。
高阻透明缓冲层16(RTB层)示出为在示范性碲化镉薄膜光伏器件10上的TCO层14上。该RTB层16大体上比TCO层14电阻更大并且可以在器件10的加工期间有助于保护器件10防止TCO层14和后续层之间的化学相互作用。例如，在某些实施例中，该RTB层16可以具有大于大约1000欧姆每平方的薄层电阻，例如从大约10千欧姆每平方至大约1000兆欧姆每平方。该RTB层16还可以具有宽光学带隙(例如，大于大约2.5eV，例如从大约2.7eV至大约3.0eV等)。
不希望被特别的理论束缚的情况下，认为RTB层16在TCO层14和硫化镉层18之间的存在可以通过降低界面缺陷(即，硫化镉层18中的“针孔”)的可能性(该界面缺陷在TCO层14和碲化镉层22之间形成分流)而允许在器件10中包括相对薄的硫化镉层18。从而，认为RTB层16允许TCO层14和碲化镉层22之间具有改进的粘附力和/或相互作用，由此允许相对薄的硫化镉层18在其上形成而没有显著的不利影响，否则由于直接在TCO层14上形成的这样的相对薄的硫化镉层18将引起不利影响。
RTB层16可以包含例如氧化锌(ZnO)和氧化锡(SnO2)的组合，其可以称为氧化锌锡层(“ZTO”)。在一个特定实施例中，RTB层16可以包括比氧化锌更多的氧化锡。例如，RTB层16可以具有这样的成分，其中ZnO/SnO2的化学计量比在大约0.25和大约3之间，例如按氧化锡比氧化锌的大约一比二(1∶2)的化学计量比等。RTB层16可以通过溅射、化学气相沉积、喷雾热解或任何其他合适的沉积方法形成。在一个特定实施例中，RTB层16可以通过在TCO层14上溅射(例如，DC溅射或RF溅射)而形成。例如，RTB层16可以使用DC溅射方法通过在氧化气氛(例如，O2气体)的存在下施加DC电流到金属源材料(例如，元素锌、元素锡或其混合物)并且将该金属源材料溅射到TCO层14上来沉积。当该氧化气氛包括氧气(即，O2)时，气氛可以是大于大约95％的纯氧，例如大于大约99％等。
在某些实施例中，RTB层16可以具有在大约0.075μm和大约1μm之间的厚度，例如从大约0.1μm至大约0.5μm。在特定实施例中，RTB层16可以具有在大约0.08μm和大约0.2μm之间的厚度，例如从大约0.1μm至大约0.15μm。
硫化镉层18在示范性器件10的高阻透明缓冲层16上示出。该硫化镉层18是n型层，其大体上包括硫化镉(CdS)，但还可包括其他材料，例如硫化锌、硫化镉锌等和其混合物，以及掺杂剂和其他杂质。在一个特定实施例中，该硫化镉层18可包括高达25％(按原子百分比计)的氧，例如从大约5％至大约20％(按原子百分比计)。该硫化镉层18可以具有宽带隙(例如，从大约2.25eV至大约2.5eV，例如大约2.4eV等)以便允许最多的辐射能量(例如，太阳能辐射)通过。如此，该硫化镉层18认为是器件10上的透明层。
硫化镉层18可以通过溅射、化学气相沉积、化学浴沉积和其他适合的沉积方法形成。在一个特定实施例中，硫化镉层18可以通过在高阻透明层16上溅射(直流(DC)溅射或射频(RF)溅射)而形成。溅射沉积大体上牵涉从靶(其是材料源)喷出材料并且将喷出的材料沉积到衬底上以形成膜。DC溅射大体上牵涉施加电压于安置在溅射腔内的衬底(即，阳极)附近的金属靶(即，阴极)以形成直流放电。该溅射腔可以具有反应气氛(例如，氧气氛、氮气氛、氟气氛)，其在金属靶和衬底之间形成等离子体场。对于磁控溅射，反应气氛的压强可以在大约1毫托和大约20毫托之间。当金属原子在施加电压时从靶释放时，金属原子可以与等离子体反应并且沉积到衬底的表面上。例如，当气氛包含氧时，从金属靶释放的金属原子可以在衬底上形成金属氧化物层。相反地，RF溅射大体上牵涉通过在靶(例如，陶瓷源材料)和衬底之间施加交流(AC)或射频(RF)信号而激发电容放电。溅射腔可以具有惰性气氛(例如，氩气氛)，其具有在大约1毫托至大约20毫托之间的压强。
由于高阻透明层16的存在，硫化镉层18可以具有小于大约0.1μm的厚度，例如在大约10nm和大约100nm之间，例如从大约50nm至大约80nm，其中在高阻透明层16和硫化镉层18之间具有极少针孔存在。另外，具有小于大约0.1μm的厚度的硫化镉层18减小由硫化镉层18的任何辐射能吸收，从而有效地增加了到达在下面的碲化镉层22的辐射能的量。
碲化镉层20在图1的示范性碲化镉薄膜光伏器件10中的硫化镉层18上示出。该碲化镉层20是p型层，其大体上包括碲化镉(CdTe)但也可包括其他材料。作为器件10的p型层，该碲化镉层20是光伏层，其与硫化镉层18(即，n型层)相互作用以通过吸收传递进入器件10的大部分辐射能(由于器件的高吸收系数)并且形成电子空穴对而从辐射能吸收中产生电流。例如，该碲化镉层20大体上可以用碲化镉形成并且可以具有调整成吸收辐射能的带隙(例如，从大约1.4eV至大约1.5eV，例如大约1.45eV)以当吸收辐射能时以最高电势(电压)形成最大数目的电子空穴对。电子可从p型侧(即，碲化镉层20)跨过结行进到n型侧(即，硫化镉层18)，并且相反地，空穴可从n型侧传递到p型侧。从而，在硫化镉层18和碲化镉层20之间形成的p-n结形成二极管，其中电荷不平衡导致跨越p-n结的电场的形成。常规电流只允许在一个方向上流动并且将光生电子空穴对分开。
碲化镉层20可以通过任何已知的工艺形成，例如气相传输沉积、化学气相沉积(CVD)、喷雾热解、电沉积、溅射、近空间升华(CSS)等。在一个特定实施例中，硫化镉层18通过溅射沉积并且碲化镉层20通过近空间升华沉积。在特定实施例中，碲化镉层20可以具有在大约0.1μm和大约10μm之间的厚度，例如从大约1μm至大约5μm。在一个特定实施例中，碲化镉层20可以具有在大约2μm和大约4μm之间的厚度，例如大约3μm等。
一系列形成后的处理可以应用于碲化镉层20的暴露表面。这些处理可以调整碲化镉层20的功能性并且使它的表面为后续粘附到背接触层22和24做准备。例如，碲化镉层20可以在升高的温度(例如，从大约350℃至大约500℃，例如从大约375℃至大约424℃)退火足够的时间(例如，从大约1至大约10分钟)以形成特性p型碲化镉层。不希望被理论束缚的情况下，认为将碲化镉层20(和器件10)退火将正常n型碲化镉层20转换成具有相对低电阻率的p型碲化镉层20。另外，碲化镉层20在退火期间可以再结晶并且经历晶粒生长。
将碲化镉层20退火可以在氯化镉存在的情况下进行以便用氯离子掺杂碲化镉层20。例如，碲化镉层20可以用含氯化镉的水溶液清洗并且然后在升高的温度下退火。
在一个特定实施例中，在氯化镉存在的情况下，将碲化镉层20退火后，可以清洗表面以去除在表面上形成的任何氧化镉。该表面制备可以通过从表面去除氧化物(例如CdO、CdTeO3、CdTe2O5等)而在碲化镉层20上留下富Te表面。例如，表面可以用合适的溶剂(例如，也称为1，2二氨基乙烷或“DAE”的乙二胺)清洗以从表面去除任何氧化镉。
另外，铜可以添加到碲化镉层20。连同合适的蚀刻，添加铜到碲化镉层20可以在碲化镉层20上形成碲化铜表面以便获得在碲化镉层20(即，p型层)和背接触层之间的低电阻电接触。具体地，添加铜可以在碲化镉层20和背接触层22之间形成碲化亚铜(Cu2Te)的表面层。从而，碲化镉层20的富Te表面可以通过在碲化镉层20和背接触层22之间的更低的电阻率来增强由器件形成的电流的收集。铜可以通过任何工艺施加于碲化镉层20的暴露表面。例如，可以在具有合适的溶剂(例如，甲醇、水或其类似物或其组合)的溶液中在碲化镉层20的表面上喷涂或清洗铜，接着退火。在特定实施例中，铜可在采用氯化铜、碘化铜或醋酸铜的形式的溶液中供应。退火温度足以允许铜离子扩散进入碲化镉层20，例如从大约125℃至大约300℃(例如，从大约150℃至大约200℃)持续大约5分钟至大约30分钟，例如从大约10至大约25分钟。
背接触用石墨层22和在碲化镉层20上示出的金属接触层22形成并且大体上充当背电接触，关于对侧，TCO层14充当前电接触。该背接触可以在碲化镉层20上形成，并且在一个实施例中与碲化镉层20直接接触。
石墨层22可以包括聚合物共混物或碳糊并且可以通过用于分散共混物或糊的任何合适的方法(例如丝网印刷、喷涂或通过“刮”刀)施加到半导体器件。在施加石墨共混物或碳糊后，器件10可以被加热以将共混物或糊转换成导电石墨层22。在特定实施例中，石墨层22在厚度上可以从大约0.1μm至大约10μm，例如从约1μm至5μm。
金属接触层24适当地用一个或多个高导电材料制成，例如元素镍、铬、铜、锡、铝、金、银、锝或其合金或混合物。通过例如溅射或金属蒸发等技术适当地施加金属接触层24(如果其由一个或多个金属制成或包括一个或多个金属)。金属接触层24在厚度上可以从约0.1μm至约1.5μm。
其他部件(未示出)可以包括在示范性器件10中，例如母线、外部配线、激光蚀刻等。例如，当器件10形成光伏模块的光伏电池时，多个光伏电池可以串联连接以便实现期望的电压，例如通过电配线连接来串联连接。串联连接的电池的每端可以附连到例如电线或母线等合适的导体，以将光伏产生的电流引导到用于连接到使用产生的电的器件或其他系统的便利的位置。用于实现这样的串联连接的便利的手段是激光划刻该器件以使器件分成通过互连连接的一系列电池。在一个特定实施例中，例如，如在上文参照图8描述的，激光可以用于划刻半导体器件的沉积层以将器件分成多个串联连接的电池。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们包括不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
部件列表
  标号   部件   标号   部件
  10   PV器件   11   PC电池
  12   玻璃衬底   13   膜堆叠
  14   TCO层   16   RTB层
  18   CdS层   20   CdTe层
  21   第一隔离划刻   22   石墨层
  23   串联连接划刻   24   金属接触层
  26   第二隔离划刻   28   系统
  30   激光束   32   激光源
  33   透镜   34   计算装置
  36   通信链路   38   暴露表面
  40   划刻线   42   内表面
  44   划刻线   50   系统
  52   框架   53   横侧边缘
  54   输送系统   56   辊轴
  100   功率周期   102   第一功率水平
  104   第二功率水平   Tp   脉冲
  106   第三功率水平

Claims (15)

1.一种激光划刻膜堆叠(13)的方法，所述膜堆叠包括衬底(12)上的多个薄膜层，所述方法包括：
施加激光束(30)的脉冲到所述膜堆叠(13)上，其中所述激光束(30)具有在完成预定功率周期的脉冲期间作为时间的函数而变化的功率，其中所述脉冲持续大约0.1纳秒至大约500纳秒；以及
跨所述膜堆叠(13)重复所述激光束(30)的脉冲以形成通过所述衬底(12)上的薄膜层中的至少一个的划刻线(44)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述功率周期限定不同于第二功率水平的第一功率水平，其中所述第一功率水平配置成划刻所述衬底(12)上的第一薄膜层，并且其中所述第二功率水平配置成划刻下面的第二薄膜层。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述功率周期限定不同于第二功率水平的第一功率水平，其中所述激光束(30)的功率对于是所述脉冲的大约10％至大约90％的第一持续时间保持在所述第一功率水平。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述激光束的功率对于第二持续时间保持在所述第二功率水平，所述第二持续时间短于所述第一持续时间，并且其中所述第一功率水平小于所述第二功率水平。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第二持续时间是所述脉冲的大约0.5％至小于所述脉冲的50％。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述功率周期进一步限定第三功率水平，其不同于所述第一功率水平和所述第二功率水平两者，其中所述激光束(30)的功率对于是所述脉冲的大约0.001％至大约50％的第三持续时间保持在所述第三功率水平。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述激光束(30)的功率对于所述脉冲持续时间的大约0.01％至大约25％保持在所述第三功率水平。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一功率水平小于所述第三功率水平和第二功率水平两者。
9.如权利要求8所述的方法，其中在所述脉冲的功率周期中，所述第三功率水平在顺序上是在所述第一功率水平之前，并且其中在所述脉冲的功率周期中，所述第一功率水平在顺序上是在所述第二功率水平之前。
10.一种激光划刻基于碲化镉薄膜的光伏器件的方法，所述方法包括：
提供基于碲化镉薄膜的光伏器件(10)，其中所述基于碲化镉薄膜的光伏器件(10)包括玻璃顶板(12)和膜堆叠(13)，所述膜堆叠(13)包括所述玻璃顶板(12)之上的透明导电氧化物层(14)、所述透明导电氧化物层(14)之上的高阻透明缓冲层(16)、所述高阻透明缓冲层(16)之上的硫化镉层(18)以及所述硫化镉层(18)上的碲化镉层(20)；
施加激光束(30)的脉冲到所述膜堆叠(13)上，其中所述激光束(30)具有在根据预定功率周期的脉冲期间作为时间的函数而变化的功率，其中所述脉冲持续大约0.1纳秒至大约500纳秒；以及
跨所述基于碲化镉薄膜的光伏器件(10)重复所述激光束(30)的脉冲以在所述膜堆叠(13)中形成划刻线。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述功率周期限定不同于第二功率水平的第一功率水平，其中所述激光束(30)的功率对于是所述脉冲的大约10％至大约90％的第一持续时间保持在所述第一功率水平。
12.如权利要求11所述的方法，其中在所述脉冲的功率周期中，所述第一功率水平在顺序上是在所述第二功率水平之前。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述激光束(30)的功率对于第二持续时间保持在所述第二功率水平，所述第二持续时间短于所述第一持续时间，并且其中所述第一功率水平小于所述第二功率水平。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述功率周期进一步限定第三功率水平，其不同于所述第一功率水平和所述第二功率水平两者，其中所述激光束的功率对于是所述脉冲的大约0.5％至大约50％的第三持续时间保持在所述第三功率水平。
15.如权利要求14所述的方法，其中在所述脉冲的功率周期中，所述第三功率水平在顺序上是在所述第一功率水平之前，并且其中在所述脉冲的功率周期中，所述第一功率水平在顺序上是在所述第二功率水平之前。
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