CN103618030B - 柔性pi衬底cigs薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，该方法包含：步骤1，使用激光对电池由顶电极一直刻划到PI衬底的上表面，形成第一沟道；步骤2，对第一沟道涂覆填充绝缘胶；步骤3，使用激光对电池由顶电极一直刻划到背电极的上表面，形成第二沟道；步骤4，在第二沟道以及顶电极上且由第二沟道的顶部延伸并越过第一沟道的顶部涂覆银浆；步骤5，使用激光对电池由顶电极刻蚀到高阻层的上表面，形成第三沟道，完成CIGS薄膜电池的内连式互联。本发明在铜铟镓硒薄膜电池生长完后对电池进行内连，可以避免像传统的分离式刻划需要在沉积不同层的材料后分别刻划，提高电池内连的加工效率，并且材料成本低。
Description
技术领域
本发明属于光伏电池新能源技术领域，涉及大面积柔性聚酰亚胺（PI）衬底铜铟镓硒薄膜电池内连式互联方法。
背景技术
以铜铟镓硒（CIGS）材料作为吸收层的薄膜太阳电池具有高光电转换效率、良好的抗辐射性能等特性，已成为光伏电池领域的研究热点之一。柔性基底铜铟镓硒薄膜太阳电池不仅可以开拓新的地面应用市场，而且在空间也具有很强的空间应用前景。它不但具有质量轻、可弯曲、质量比功率高、显著降低发射成本等优点外，而且在空间高能粒子的辐照下具有很好的性能稳定性。随着柔性PI衬底铜铟镓硒电池面积尺寸的增大，大面积电池互连、工艺与装备集成对于电池有着至关重要的作用。目前，大面积电池内连式互连主要采用分离式刻划，即在生长完Mo背电极、ZnO高阻层、AZO（低阻掺铝氧化锌）顶电极后分别进行划线，完成子电池之间内连。但是分离式刻划需要在电池生长中断两次进行划线，会降低薄膜电池内连加工的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池激光刻蚀单体集成组件技术，以提高铜铟镓硒薄膜电池的加工效率。对铜铟镓硒薄膜电池三次划线，并且对划线槽（第一沟道、第二沟道）涂覆绝缘胶和银浆，完成电池之间内连，取得了加工效率高、材料成本低等有益效果。
为了达到上述发明目的，本发明提供了一种柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，该柔性PI衬底CIGS薄膜电池包含依次设置的PI衬底、背电极、吸收层、缓冲层、高阻层及顶电极，该方法包含以下具体步骤：
步骤1，第一次刻划：使用激光对电池由顶电极一直刻划到PI衬底的上表面，形成第一沟道；所述第一次刻划需将背电极完全刻蚀掉，保证第一沟道两侧的背电极完全隔断，以实现子电池之间的背电极分割。
步骤2，对第一次刻划后的第一沟道涂覆填充绝缘胶，使第一沟道两侧的背电极绝缘；这样就把大面积电池彻底分割成独立的小面积电池。
步骤3，第二次刻划：使用激光对电池由顶电极一直刻划到背电极的上表面，不能损伤到背电极，形成第二沟道；
步骤4，印刷银浆：在第二沟道以及顶电极上且由第二沟道的顶部延伸向第一沟道顶部并越过第一沟道的顶部涂覆银浆；从而保证银浆与背电极之间的充分接触，使得第一沟道顶部的低阻顶电极与第二沟道底部的背电极导通，利用银浆将顶电极与背电极串联起来，以实现相邻子电池之间的相互串联。其中，银浆充满第二沟道，并需要覆盖到第一沟道一侧的顶电极上，并且要越过第一沟道的顶部；银浆不能涂覆到相反一侧（与第一沟道相反）的顶电极表面，否则就不能把顶电极与背电极串联起来。
步骤5，第三次刻划：使用激光对电池由顶电极刻蚀到高阻层的上表面，形成第三沟道，即完全刻蚀掉顶电极，保证第三次划线后第三沟道两侧的顶电极之间实现高阻，实现子电池顶电极相互分割，最终完成子电池之间的相互串联，使得大面积的CIGS薄膜电池由小面积电池串联起来。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，所述的第一沟道、第二沟道、第三沟道依次平行设置。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，步骤1中，所述的第一次刻划，使用的激光为波长1064nm或者532nm波长的激光。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，步骤2中，所述涂覆填充绝缘胶是采用丝网印刷法，在使用激光精确对位后，在第一沟道中填满绝缘胶。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，步骤3中，所述的第二次刻划，使用的激光为波长1064nm或者532nm波长的激光。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，在步骤4中，所述的印刷银浆是采用丝网印刷法，在使用激光精确对位后，进行银浆的涂覆。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，步骤5中，所述的第三次刻划，使用的激光为波长1064nm或者532nm波长的激光。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池的制备方法包含如下具体步骤：
步骤1），在PI衬底上沉积Mo膜，作为背电极；所述Mo膜厚度为0.7mm～1.0mm;
步骤2），在Mo膜上采用蒸发法沉积CIGS薄膜，作为电池吸收层；
步骤3），在沉积完吸收层CIGS薄膜后，用水浴法沉积CdS层，作为缓冲层；
步骤4)，沉积窗口层：在制备完CdS层后，使用磁控溅射法依次制备ZnO层，作为高阻层和AZO层作为顶电极，即，在缓冲层CdS层上溅射高阻ZnO层，厚度为50nm，然后在ZnO层上溅射低阻AZO，厚度为300～500nm；
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，步骤2）中，所述的蒸发法，是对Cu、In、Ga、Se元素进行蒸发反应，在背电极Mo膜上沉积电池吸收层CIGS膜，吸收层CIGS膜厚度为2.0μm～2.5μm，蒸发时的衬底温度控制在380℃～450℃。
上述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其中，步骤3）中，水浴法沉积CdS层，是在吸收层CIGS膜上沉积CdS层，其厚度为50nm～100nm，水浴温度控制在80℃～90℃。
本发明可以在铜铟镓硒薄膜电池生长（沉积）完后对电池进行内连，使得大面积的CIGS薄膜电池由小面积电池串联起来，可以避免像传统的分离式刻划需要在沉积不同层的材料后分别刻划，提高电池内连的加工效率，并且材料成本低。
附图说明
图1是柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池结构示意图。
图2是本发明制备的柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池激光刻蚀单体集成组件示意图。
图3是柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜太阳电池集成组件内联式单元示意图。
具体实施方式
以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
实施例1
图1为本发明所述的柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池结构示意图；图2给出了应用本发明方法制造的柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池激光刻蚀单体的集成组件的示意图，如图2所示，该电池包括依次设置的PI衬底10、背电极11、吸收层12、缓冲层13、ZnO高阻层14、顶电极15、涂覆在第一沟道20中的绝缘胶层16，填充在第二沟道21中并覆盖在第一沟道一侧顶电极表面上的银浆17；以及与第一沟道20，第二沟道21依次平行设置的第三沟道22。
根据本发明，该电池的制作方法包括如下的步骤：
步骤1，沉积背电极11：采用直流磁控溅射在PI衬底10上制备Mo膜，作为背电极11，Mo膜厚度约为0.7mm～1.0mm；
步骤2，沉积吸收层12：采用蒸发法，即对Cu、In、Ga、Se元素进行蒸发反应，在背电极11（Mo膜）上沉积CIGS膜，作为电池吸收层12，CIGS膜厚度为2.0μm～2.5μm，蒸发时的衬底温度控制在380℃～450℃；
步骤3，沉积缓冲层：用化学水浴法，在吸收层12（CIGS膜）上沉积CdS层，作为缓冲层13，CdS层厚度为50nm～100nm，水浴温度控制在80℃～90℃；
步骤4，沉积窗口层：采用磁控溅射法，在缓冲层13（CdS）上溅射ZnO层，作为高阻层14，ZnO层厚度为50nm。然后在ZnO高阻层14上溅射低阻AZO（低阻掺铝氧化锌）层，作为顶电极15，该AZO层厚度为300～500nm；得到如图1所示的柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池结构；
步骤5，第一次刻划：采用皮秒激光器刻划，把上述制备好的电池固定在激光器的水平平台上，其中顶电极15（AZO层）朝上，PI衬底10与平台接触。通过激光器的CCD（Charge-coupledDevice）摄像头聚焦样品表面进行第一次刻划，使用波长1064nm的红光，重复频率优选为1000kHz，加工速度优选为500mm/s，激光功率优选5W，第一次刻划的第一沟道20优选宽度为50~80um，激光对电池从顶电极15（AZO层）一直刻划到PI衬底10的上表面；
步骤6，绝缘胶涂覆：采用丝网印刷法，在使用激光精确对位后（采用丝网印刷设备的CCD摄像头聚焦第一沟道的位置），使用特定的网板给第一次刻划的第一沟道20里涂覆绝缘胶层16；同时不能涂覆绝缘胶16过量而使得电池表面也残留大量的绝缘胶；
步骤7，第二次刻划：采用皮秒激光器刻划，与步骤5一样把电池固定在平台上，通过激光器的CCD摄像头精确对位第一次激光刻划的第一沟道20进行第二次刻划（使得第二次刻划的第二沟道21平行位于第一沟道20的一侧），使用波长1064nm的红光，重复频率优选为800kHz，加工速度优选800mm/s，激光功率优选4W，第二次刻划的第二沟道21优选宽度为50~70um，对电池从顶电极15（AZO层）一直刻划到背电极11（Mo膜）的上表面；
步骤8，银浆印刷：采用丝网印刷法，在使用激光精确对位（采用丝网印刷设备的CCD摄像头聚焦第一沟道的位置）后，使用特定的网板给第二次刻划的第二沟道21以及位于顶电极15上由第二沟道延伸并越过第一沟道一侧（即涂覆绝缘胶的一侧）涂覆银浆；
步骤9，第三次刻划：与步骤5一样把电池固定在平台上，通过激光器的CCD摄像头精确对位第二次激光刻划的第二沟道21进行第三次刻划：使用波长1064nm的红光，重复频率优选为800kHz，加工速度优选800mm/s，激光功率优选4W，第三次刻划的第三沟道22优选宽度为50~70um，使用波长1064nm波长的激光对电池把顶电极15（AZO层）刻蚀掉（即由顶电极刻蚀到高阻层14的上表面）。完成上述三次刻划的柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池结构如图2所示。
实施例2
上述步骤5中的第一次刻划，使用皮秒激光器，与上述步骤5一样固定样品，激光波长也使用532nm的绿光刻划，重复频率优选为1000kHz，加工速度优选为700mm/s，激光功率优选3W，第一次刻划的第一沟道20优选宽度为50~80μm，激光对电池从顶电极15（AZO层）一直刻划到PI衬底10的上表面，其余步骤同实施例1。
实施例3
上述步骤7中的第二次刻划，使用皮秒激光器，与上述步骤5一样固定样品，通过激光器的CCD摄像头精确对位第一次激光刻划的第一沟道20进行第二次刻划，激光波长也使用532nm的绿光刻划，重复频率优选为1000kHz，加工速度优选为1000mm/s，激光功率优选2.5W，第二次刻划的第二沟道21优选宽度为50~70μm，激光对电池从顶电极15（AZO层）一直刻划到背电极11（Mo膜）的上表面，其余步骤同实施例1。
实施例4
上述步骤9、第三次刻划：与步骤5一样把电池固定在平台上，通过激光器的CCD摄像头精确对位第二次激光刻划的第二沟道21，波长使用532nm的绿光刻划，重复频率优选为1000kHz，加工速度优选1200mm/s，激光功率优选4W，第三次刻划的第三沟道22优选宽度为50~70μm，使用波长1064nm波长的激光对电池把顶电极15（AZO层）刻蚀掉。其余步骤同实施例1。
实施例5
上述步骤9、第三次刻划：与步骤5一样把电池固定在平台上，通过激光器的CCD摄像头精确对位第二次激光刻划的第二沟道21进行第三次刻划，激光波长使用355nm进行刻划，重复频率优选为1000kHz，加工速度优选1200mm/s，激光功率优选3.8W，第三次刻划的第三沟道22优选宽度为50~70μm，把电池顶电极15（AZO层）刻蚀掉。其余步骤同实施例1。
由上所述，本发明提供了一种用于柔性PI衬底铜铟镓硒薄膜电池激光刻蚀单体集成组件技术，可以在铜铟镓硒薄膜电池生长完后对电池进行内联，该内联式结构如图3所示，避免像传统的分离式刻划需要在沉积不同层的材料后分别刻划，提高电池内连的加工效率，并且材料成本低，非常适合铜铟镓硒薄膜太阳电池的规模化生产。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，该柔性PI衬底CIGS薄膜电池包含依次设置的PI衬底（10）、背电极（11）、吸收层（12）、缓冲层（13）、高阻层（14）及顶电极（15），其特征在于，该方法包含以下具体步骤：
步骤1，第一次刻划：使用激光对电池由顶电极（15）一直刻划到PI衬底（10）的上表面，形成第一沟道（20）；
步骤2，对第一次刻划后的第一沟道（20）涂覆填充绝缘胶（16），使第一沟道（20）两侧的背电极（11）绝缘；
步骤3，第二次刻划：使用激光对电池由顶电极（15）一直刻划到背电极（11）的上表面，形成第二沟道（21）；
步骤4，印刷银浆（17）：在第二沟道（21）以及顶电极（15）上、由第二沟道（21）的顶部延伸向第一沟道（20）顶部并越过第一沟道（20）的顶部印刷银浆（17），使得银浆充满第二沟道（21），并需要覆盖到第一沟道（20）一侧的顶电极（15）上，并且要越过第一沟道（20）的顶部；
步骤5，第三次刻划：使用激光对电池由顶电极（15）刻蚀到高阻层（14）的上表面，形成第三沟道（22），完成CIGS薄膜电池的内连式互联。
2.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，所述的第一沟道（20）、第二沟道（21）、第三沟道（22）依次平行设置。
3.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，步骤1中，所述的第一次刻划，使用的激光为波长1064nm或者532nm波长的激光。
4.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，步骤2中，所述涂覆填充绝缘胶（16）是采用丝网印刷法，在使用激光精确对位后，在第一沟道（20）中填满绝缘胶（16）。
5.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，步骤3中，所述的第二次刻划，使用的激光为波长1064nm或者532nm波长的激光。
6.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，在步骤4中，所述的印刷银浆（17）是采用丝网印刷法，在使用激光精确对位后，进行银浆（17）的涂覆。
7.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，步骤5中，所述的第三次刻划，使用的激光为波长1064nm或者532nm波长的激光。
8.如权利要求1所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池的制备方法包含如下具体步骤：
步骤1），在PI衬底（10）上沉积Mo膜，作为背电极（11）；
步骤2），在Mo膜上采用蒸发法沉积CIGS薄膜，作为电池吸收层（12）；
步骤3），在沉积完吸收层CIGS薄膜后，用水浴法沉积CdS层，作为缓冲层（13）；
步骤4)，在制备完CdS层后，使用磁控溅射法依次制备ZnO层，作为高阻层（14）；和AZO层，作为顶电极（15）。
9.如权利要求8所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，步骤2）中，所述的蒸发法，是对Cu、In、Ga、Se元素进行蒸发反应，在背电极Mo膜上沉积电池吸收层CIGS膜，吸收层CIGS膜厚度为2.0μm～2.5μm，蒸发时的衬底温度控制在380℃～450℃。
10.如权利要求8所述的柔性PI衬底CIGS薄膜电池激光刻蚀单体集成组件的方法，其特征在于，步骤3）中，水浴法沉积CdS层，是在吸收层CIGS膜上沉积CdS层，其厚度为50nm～100nm，水浴温度控制在80℃～90℃。
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