CN1037052A - 生产串联连接的薄膜太阳电池阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种生产薄膜太阳电池阵列的方法，其中各
单独的太阳电池在电路上被串联连接。所述各单个
太阳电池通过淀积制造，而且是大面积地在一块衬底
上构造各太阳电池所需要的各层。这样做时，第一电
极层在其后各层(半导体层、第二电极层)被淀积之前
构成。所要接着淀积的各层的结构最好通过将糊料
形式的材料同时涂敷到第一电极层上来确定。
Description
用于生产许多串联连接的薄膜太阳能电池的方法，这些薄膜太阳能电池排列在一块共用衬底上，并且按顺序一个在另一个之上地用淀积方法制造第一电极层，至少有一层是由半导体材料构成的层，以及第二电极层，所述各层都是大面积的，而且是特殊构造，以形成串联连接。
为了能够满足从12至15伏的电压范围的有关应用方面的需求，有必要串联连接各太阳电池。同连接各分立的晶体硅圆片相比较，薄膜太阳电池显示了明显的优点，就是，用喷涂、蒸发淀积和等离子体放电工艺将大面积薄膜淀积到各衬底上进行生产的可能性，所述各薄膜随后被分成为各单独的太阳电池区，并将它们在电气上连接起来。
联邦德国专利申请公开说明书DE-OS 28 39 038号描绘了那样的一个例子。该说明书涉及本文开头一段提到的那种类型的一些方法，用此方法，所述衬底表面起初用透明的、导电的材料的薄膜完全涂覆，在其顶上再加上至少一种半导体材料的第二薄膜，此后就有选择地除去所述各薄膜的一些区段，用以在所述衬底上做出许多有规则性间距的光生伏打电池。接着敷上大面积的覆盖薄膜，作为第二电极层。为了能作必要的串联连接，该覆盖层就在那些条带的邻近处中止，在那些条带处，材料已被有选择地从所述第一电极层和从其上的各半导体层除去。
实现在各单独区域之间的分隔，即构造各个层的已知诸方法包括，例如用热力的、机械的或化学的性质除去材料的工艺，或者是利用构造杆条或迁料（lift-off）技术的工艺。但是，此类清除方法有着一些明显的缺点。例如，当用热力手段除去材料时，在衬底上的冷却点处造成凝结现象;在机械清除的情况下在剩余层中出现散布的、被剥落的材料以及龟裂现象;或者当用化学手段除去材料时，由于使用刻蚀剂作不均匀的化学刻蚀以及不能彻底清除所述刻蚀剂的所有残留物而发生钻蚀现象。如果用于迁料的干燥条件是在对于半导体的临界温度范围内，那么结果就可能是要清除的材料没有被完全除去（例如，一些金属氧化物，或是象生橡胶一类的有机材料）。
当大小为几微米至几乎20至30微米的材料微粒（例如，导电、透明的第一层的）存留在随后要敷上（各）半导体层的各表面上（可能是由于被凝结的材料及因此形成了化合物）时，先前提到的一些清除工艺的缺点就特别严重。在非晶形硅太阳电池的情况下，例如，所述（各）层甚至不到1微米厚。所述a-Si半导体层的典型厚度是500至700毫微米，以致这样一些微粒的存在就能引起所述第一和第二电极层之间的短路。
DE-OS 28 39 038的方法（其中，如所提到的，第一电极层加上淀积于其上的半导体材料，是构造在一起的）特有的缺点也能从这样的事实中看出来，就是在化学清除工艺的情况下，例如，导致若干不确定层合成物（化学计量的更改，生成SiO2）的一些反应出现（主要是氧化性质的-空气、酸），随后便使所述半导体层的质量降低。在a-Si太阳电池中也用碱性溶液（NaOH、KOH）清理材料表面，这样做时，所述a-Si材料因为碱性离子而遭致的质量下降则是常见的。如所已经提到过的，用于从位于其下的所述电极层清除最上层半导体材料的机械过程往往造成对电极层的机械损害，以致最后要在第一和第二电极层之间造成的接触会成为不充分的。热力清除，例如用激光，同样导致在所述第一电极层上表面中发生类似的变更。
本发明的目的是创造一种具有上面提到的性质的方法，就是能够不损害各别的层、不需要当前工艺水平的各辅助层的特性，而基本上实现对于将排列在一块共用衬底上的各薄膜太阳电池连接起来所必要的结构。本发明还要创造机会，在要做得尽可能窄的各单独的电极层之间设计各连接区，以便能够最好地利用所述光敏材料。
通过先构造第一电极层，而后淀积其它各层，基本上解决了这项任务。此项方法允许在淀积第一电极层后，但也可以在这之前，立即进行构造。这后一方案意味着，所述结构首先在玻璃衬底上确定下来，例如用淀积可除去的材料的方法，然后将所述电极层敷于其上，接着，除去或处理该材料，使得可在该电极层内做出最好是条带形式的各电绝缘区。术语“淀积”在这种情况下不是用来仅仅指，例如材料的淀积或析出，而且如果必要的话，还意味着例如表面电阻或透明度的后处理、性能改善或最佳化。当然，也可以把淀积看作是简单地指所述层在衬底上的配置。
当所述电极层由ITO构成时，TiO2是特别合适的材料。此外，如果结构完整，为了消除可能已经出现的、不需要的电阻变化，可以使所述ITO层的材料最佳化。
还可能是，最好成行地淀积糊状材料，淀积它们的走向是平行于所需的电极层结构。所述这些材料使得随后的那些层的结构化变得容易，而且还被用作为构造所述电极层的各导引行，例如，用激光跟随所述各行。
因为这个缘故，人们至少在各半导体层在第一电极层上淀积好之前放弃不进行构造的这一当前工艺状态的解决办法。相反，按照本发明，为串联连接各单独的薄膜太阳电池而基本上构造好所述第一电极层是在淀积其它各层之前做的。于是，所述第一电极层就可以使用这方法构成，若用别的方法，它会对其上各层，特别是对所述（各）半导体层产生不希望有的影响。
首先要将电极材料区域转换成为高电阻率的材料，以此完成构造第一电极层的任务。这可以，例如用火花放电腐蚀的方法来达到。由此，本发明规定，在窄火花放电（例如，可用金属的解剖刀实现）区域内的第一电极层熔化，并且被精确地快速重新冷却，以致所述熔融材料又在邻近重新凝结。在这种情况下没有清除材料，只是专门将所述材料从导电状态转变成为高电阻率的材料。冷却作用本身可以通过例如，水-酒精混合液来达到。
本发明所提出的改进方法规定，导电材料淀积在第一电极层上，最好在该层被构造的同时进行，所述导电材料要被其它各层覆盖，其后建立一个从第二电极层到所述导电材料的导电通路，以便利连接。所述导电材料最好要用糊料，例如银糊，配置在紧挨第一电极层各窄区的狭窄条带内，这些材料例如通过先前提到的、用转变所述材料的方法，被转变为高电阻率的材料。
按照本发明的另一形式，将另一种材料平行于所述导电材料敷上，并最好是同时进行，所述材料确定（各）半导体材料层和第二电极层的构造。所述材料也可以用糊状的。由此，并根据所用材料，使用热处理，或者例如超声波手段，将是可能的，以便用一种可控制的方式使所述材料碎裂，以清除所述半导体层和第二电极层的各叠置区域。在这样做时，对于各所谓迁料杆条，或结构杆条或各条带，没有必要将它们完全除去，因为它们是高电阻率的。
至此，而且就本发明所提出的来说，构造第一电极层（例如，用火花电蚀的方法）是同淀积先前提到的那些材料同时进行的，人们谈到所谓的同时构造工艺，紧接其后的便是淀积（各）半导体层和第二电极层。这种同时构造工艺用单件工具可很好地进行，该工具包含一个用于火花电蚀的装置，并另有两个装置紧挨着（乃至重叠），这后两者是要淀积一对平行的、窄的糊状料行，所述各行被平行涂敷以构造化的第一电极层。尽管这种同时构造工艺被认为是最可取的，然而各种个别构造的工艺当然也可以用其它方法来独立进行，例如用激光（将所述材料熔化）或丝网印刷（将糊状料淀积在各狭窄条带上）。
一般来说，可以把在电极层上淀积材料的任务说成是取决于要被随后涂敷的各层结构。
本发明的其它细节可以从本发明权利要求书，以及从要单独地和/或结合起来地在其中找到的各种特征中看到。
以下基于各优选的设计例并结合附图，尽量详细地描述本发明，由这些设计和附图可以看到其它一些细节、优点和特征。
各附图说明如下：
图1最初的用于生产串联连接的太阳电池阵列的概略顺序图，
图2用于第二方法的概略工其顺序，
图3展示生产某个结构的基本图解，
图4一个薄膜太阳电池阵列的完全示意的透视图。
图1打算原理性地说明用于生产被串联连接的许多薄膜太阳电池的顺序。将第一电极层（12）大面积地敷于衬底（10）上，它最好要包括如象ITO、氧化锡或氧化铟这样的透明的导电氧化物（TCO）。在淀积了第一电极层（12）之后，又在该电极层（12）中做出杆条样区域（14）和（16），以便在各插入区（18）、（20）和（22）之间造成绝缘阻挡层。所述各杆条按照所希望的结构彼此间隔一定距离，并且是互相平行地从衬底（10）的一侧走向另一侧，就是说，在这张图上它们是横断面视图。所述设计例中的各杆条（14）和（16）通过火花电蚀做出来，因而没有材料要被清除，而是代之以通过加热和随后的冷却或淬火，将导电材料转变成为高电阻率的状态。不用说，将杆条（14）和（16）占有的空间中的电极层材料（12）清除掉也是可能的。最好是在做出绝缘区（14）和（16）的同时，平行地淀积各糊料直线条带（24）、（26）和（28）、（30），所述这些条带各有不同任务需要完成。因此，各糊料直线条带（24）、（26）和（28）、（30）各配置在电极层（12）的各区域（18）、（20）和（22）的一侧上，（在这个设计例中是在左侧），这些区域挨近该电极层内包含的阻挡层（14）和（16）。
各连接条带或杆条（24）和（26），也被称为绗合杆条，担负在做成的薄膜太阳电池阵列中，在第一电极层（12）和第二电极层（32）之间建立导电连接，务使各单个的薄膜太阳电池被串联连接起来的任务。相反，各构造条带或杆条（28）和（30），也被称为迁料杆条，是用来构造后被淀积的半导体层（34），以及第二电极层（32）。各条带（24）、（26）、（28）和（30）的宽度各为50-200微米，最佳高度5-10微米，并可能到20微米。
作为用于各连接或绗合条带或杆条（24）和（26）的材料而要特别提到的，是一种可焙干的银糊，其固体材料含量按重量计算为80-85%，焙烧温度400-460℃。这种材料的优点在于，衬底（10）不致变形，电极层（12）几乎不承受热应力就这个范围来说，它包括透明的导电氧化物，特别是ITO。
作为用于各构造或迁料条（28）和（30）的材料而要特别提到的，是一种诸如TiO2的糊料，其固体含量按重量计为20%，同时也用透明的导电氧收物TCO作为电极层材料。
在构造第一电极层（12）和各杆条（24）、（26）、（28）和（30），最好是用糊状材料，成行地敷上之后，在全面积上淀积半导体层（34）。实际上，半导体层（34）在该处是多层结构，以便使射落其上的光产生载流子，这些载流子又被传导至各电极上。如上所述，半导体层（34）和第二电极层（32），是淀积在整个第一电极层（12）的表面上的，因而也覆盖那些材料（24）、（26）、（28）和（30）。以此方法，假设材料合适，各迁料杆条（28）和（30）可以通过，比方说超声振荡效应来清除掉，这样的振荡将（28）、（30）以及半导体层（34）和第二电极层（32）的各重叠表面一起携带走。结果形成的是自由空间（36）和（38），它们将半导体层（34）和第二电极层（32）分隔成为各离散的、如此做成各单独的薄层太阳电池的区域。因此，在所述附图中，第一电极层的区段（20）连同半导体层（34）的区段（40），以及第二电极层的区段（42），形成一单独的薄膜太阳电池。为提供用于所述载流子的通路以及将各个邻近的薄膜太阳电池串联连接，本方法中最后的步骤包括，在第一电极层（12）的各区域（18）、（20）和（22），同第二电极层各适当对应的区域（42）和（44）之间建立接触。这种接触最好也能通过火花电蚀建立起来，这种电蚀把绗合杆条（24）和（26）连接到区域（42）和（44）上。这导致了由各层（20）、（40）和（42）组成的中央太阳电池（46），分别同邻近的太阳电池（48）和（50）串联连接。
不用说，任何太阳电池的组成都是可以更改的，从而半导体层（34）可以做成多层结构，或者例如，可以在第二电极层（32）和其下的半导体层（34）之间夹入一其它的中间层（未示出），例如-SnOx薄膜，该薄膜的任务是，反射红外辐射热，从而防止所述太阳电池阵列变热。
图2说明一种生产薄膜太阳电池阵列的方法，其中各同样的标号适用于各同样的元件。
构造第一电极层（12）先于淀积其它各层，即半导体层（34）和第二电极层（32），就象在图1中说明的工艺中进行的一样。因此，分隔各区域（18）、（20）和（22）的阻挡层（14）和（16），也可以通过材料状态的变换，否则也可以用机械清除的方法形成。此笤诮舭ぷ璧膊悖?4）和（16）的地方，将迁料杆条（52）和（54）涂敷到区域（20）和（22）上，于是那两杆条对应于图1所示的迁料杆条（28）和（30）。接着，按照图1的描述，在大面积上淀积半导体层（34）和第二电极层（32），如果并且当需要时，还有预先设置的中间层。这件事做完后，各迁料杆条（52）和（54）即被除去，以达到构造半导体层（34）和第二电极层（32）的目的。通过，例如用丝网印制方法做出的各导电糊条带（60）和（62），于是能够被引进到敞开的空间（56）和（58）中去。所述糊料分别在第二电极层（32）的区域（64）和第一电极层（12）的区域（20）之间，以及在区域（66）和区域（68）之间建立连接通道，从而将部分地表示出来的各单独的薄膜太阳电池（70）、（72）和（74）在电路上串联连接起来。
图4是薄层太阳电池阵列的充分简略的透视图，用它说明许多平行配置的、用前面描述的方法做在一块衬底（10）上的各薄膜太阳电池，作为例子，将所述某些太阳电池注上了标号（76）、（78）和（80）这些在实体上平行的薄膜太阳电池（76）、（78）和（80）在电路上是串联连接的，以便使所述阵列提供所需要的电压。为了生产各单个的太阳电池（76）、（78）和（80），最好使用如图3中完全按简化形式表示的一种工具。
可以看到，配置在衬底（10）上的第一电极层（12），最好用透明的导电氧化物构成，并利用火花电蚀方法，以便分别做出条带形区域（14）和（16）。同时，所述工具有喷嘴（82）和（84），通过该两喷嘴，在电极层（12）的表面上，挨着区域（14）和（16），平行地、连续地分别挤压出各糊料条带（24）、（26）和（28）、（30）。用于所述条带（24）、（26）的材料，如前所提到的，最好是可焙干的银糊，而条带（28）和（30）则最好用TiO2做成。
实际的火花电蚀作用用区域（14）、（16）上面的闪电符号描绘。放电通过一解剖刀形状的电极进行。为确保所述火花放电出现，必须设置一电流发生器（86），其一个极同电极层（12）的表面连接，而另一极则同所述解剖刀形状的电极（未示出）相连。
可从图3看到的所述工具，可以更改用作多用途装置。这就是说，为了要生产如图4的薄膜太阳能电池阵列，可以紧挨着布置好几个解剖刀形电极和喷嘴（82）和（84），用以同时做出互相平行排列的好几个薄膜太阳电池结构。
Claims (20)
1、用于生产被串联连接并布置在一块共用衬底上的各薄膜太阳电池的方法，在该衬底上依次大面积地叠置第一电极层、至少一层半导体材料以及第二电极层，由此所述各层被构造成在电路上是连接起来的，
所述方法的特征在于，
先构造第一电极层，再淀积其后的各层。
2、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述第一电极层是紧接在它被淀积好之后构造成的。
3、按照权利要求1的方法，其特征在于，首先在所述衬底上淀积确定第一电极层结构的材料，接着做出所述第一电极层本身，然后用象制造所述电极层结构那样的方法将所述材料除去。
4、按照权利要求3的方法，其特征在于，所述材料是浆糊状的，并最好是由TiO2组成或是包含TiO2，其特征还在于，所述电极层包括透明的导电氧化物，最好是ITO，以及在淀积至少一层半导体材料和第二电极层之前，使所述糊状材料凝固，至少要将有机溶剂除去。
5、按照权利要求1的方法，其特征在于，最好与构造第一电极层同时，在所述第一电极层上并且平行于它的结构淀积导电材料，最好呈条带形式，随后用其它各层将其全部覆盖，此后，借助于所述导电材料建立一连接通道，用以将第一电极层和第二电极层连接起来。
6、按照权利要求1的方法，其特征在于，将其它材料淀积到所述第一电极层上，确定并迪炙绦砘母鞑愕慕峁埂?
7、按照权利要求6的方法，其特征在于，所述其它各种材料最好由以直线或条带形式淀积在所述第一电极层上的TiO2糊料组成。
8、按照权利要求5的方法，其特征在于，使确定半导体层和第二电极层构造的材料平行于所述电材料，并最好是同时予以淀积。
9、按照权利要求6的方法，其特征在于，最好与构造第一电极层同时，将材料淀积在所述第一电极层上，该材料确定半导体层和第二电极层的构造。
10、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述构造第一电极层是通过局部范围内变换为高电阻率的材料来实现的。
11、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述构造第一电极层是通过火花电蚀来实现的。
12、按照权利要求10的方法，其特征在于，所述构造第一电极层是通过火花电蚀来实现的。
13、按照权利要求5的方法，其特征在于，所述导电材料由一种糊料，例如焙烧温度为400-600℃的可焙干的银糊组成。
14、按照权利要求6的方法，其特征在于，所述确定构造半导体层和第二电极层的材料是一种高电阻率的材料，最好是用超声波手段使其振荡，以便用可控方式破坏半导体层和第二电极层的各上层表面。
15、按照权利要求5的方法，其特征在于，通过腐蚀手段在导电材料和第二电极层之间建立接触。
16、按照权利要求8的方法，其特征在于，所述导电材料和/或所述确定半导体层和第二电极层构造的材料以条带形式配置，并且平行于为第一电极层的电绝缘性能设置的结构部分。
17、按照权利要求8的方法，其特征在于，将导电材料和确定半导体层及第二电极层结构的材料互相紧挨着淀积在第一电极层上，如果必要，还可部分地重叠，并最好是同时淀积。
18、按照权利要求10的方法，其特征在于，所述第一电极层由透明的导电氧化物组成，并通过熔化各平行走向的条带形区域，紧挨着又予冷却而构成。
19、按照权利要求1的方法，其特征在于，构造第一电极层和淀积所要接着淀积的那层的结构材料是用一个工具同时进行的。
20、用于生产被串联连接并布置在一块共用衬底上的各薄膜太阳电池的方法，在该衬底上依次大面积地叠置第一电极层、至少一层半导体材料以及第二电极层，因而构造所述第一电极层要先予淀积其它各层，
所述方法的特征在于，与构造第一电极层同时，在所述第一电极层上，平行于它的结构淀积一条其它的结构材料带，而且可任选地淀积一条导电材料带，所述各条带被其后的各层覆盖，此后，那条其它的结构材料带连同所述叠层的至少一层半导体层以及第二电极层都被除去，以及在最后，为从电路上连接各薄膜太阳电池，从第二电极层到第一电极层，或到任意设置的导电材料条带，建立一条通过其它各层的连接通道。
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