CN103828063A - 用于聚合物基底上柔性光电装置的多层薄膜后接触系统 - Google Patents

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Abstract

用于光电元件的聚合物基底和后接触结构，并且光电元件包括CIGS光电结构，聚合物基底具有装置侧以及与装置侧相对的背侧，光电元件可位于装置侧。一层电介质在聚合物基底的背侧形成。金属结构在聚合物基底装置侧形成。

Description

用于聚合物基底上柔性光电装置的多层薄膜后接触系统
相关应用的交叉引用
该美国非临时专利申请要求于2011年8月10日在美国专利和商标局提交的第61/522,209号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利的全部内容通过参考并入本文。
技术领域
本发明涉及光电模块以及制造光电模块的方法，并且更具体地，涉及这样的光电模块以及制造光电模块的方法，其中，模块中的机械变形被大幅度减少或消除。
背景技术
一种类型的柔性光电（PV）模块被形成为聚合基底上的薄膜装置。这种装置的示例为铜-铟-镓-硒（CIGS）装置。CIGS装置带来在薄膜沉积过程、装置构图以及最终组装/包装方面的很多挑战。聚合物基底具有十分重要的意义，因为该材料的高温变化足以容纳CIGS处理，同时该材料保持其介电质性能，其介电性能使得能够在无需任何额外的绝缘薄膜的情况下进行单片集成。
柔性CIGS装置的基本挑战在于在CIGS p型吸收层的沉积之前将金属背接触部沉积至聚合物上。该背接触部与CIGS进行欧姆接触，并且允许电流流过该装置并通过互连来收集到附接至电负载的导线。因而，通常为金属层的该背接触部，必须在装置处理之前和之后都保持高导电率。该背接触部还必须能在用于后继薄膜沉积步骤的沉积环境中存在。
发明内容
根据第一方面，提供了用于光电元件的聚合物基底和背接触结构。该结构包括聚合物基底，聚合物基底具有装置侧以及和装置侧相对的背侧，其中，光电元件可位于装置侧。电介质层在聚合物基底的背侧形成。金属结构在聚合物基底的装置侧形成。
根据另一方面，提供了光电元件。该光电元件包括CIGS光电结构以及具有装置侧以及和装置侧相对的背侧的聚合物基底，其中，CIGS光电结构可位于装置侧。电介质层在聚合物基底的背侧形成。金属结构在聚合物基底的装置侧形成，位于聚合物基底与CIGS光电结构之间。
附图说明
如附图中所示，上述特点和优点以及其他特点和优点将在对优选方面的更具体描述中变得显而易见，在附图中，在所有不同视图中，相同标号指相同部分。附图不一定按比例。为了清晰，附图中的区域和层的厚度可夸大。
图1包括在基于真空的溅射Mo沉积过程中作为氩压力函数的Mo内应力的图。
图2包括根据一些例示性实施方式的、用于聚合物上柔性单片集成CIGS光电装置的背接触部的示意性剖视图，其中，聚合物采用多金属层多作为顶部接触层，并且采用氧化物作为背侧涂层。
图3包括根据一些例示性实施方式的、电介质-聚合物-金属-Mo-CIGS堆结构的图像。
具体实施方式
对于CIGS装置，钼（Mo）一直是用于背接触部的材料的通常选择，无论基底如何。虽然能够采用DC溅射或其它薄膜沉积方法以直接方式来沉积Mo，但是随溅射可能出现的大范围应力状态的可特别使柔性基底上的沉积复杂化，尤其是那些未表现出显著刚度的那些基底，诸如聚合物。不同于膜应力可容易地由基底承担的刚性基底，膜应力可对柔性基底，尤其是由聚合物制成的基底的寿命、表面拓扑结构和物理性能具有显著影响。与CIGS层堆的半导体和金属相比，此类基底虽然表现出允许单片集成的优异介电性能，但是通常也表现出高且不一致的热膨胀系数。因而，存在结合内应力的外源应力，可使这些柔性基底弯曲、起皱、扭曲以及以其他方式减少这些柔性基底的完整性。另外，背接触部的电学和力学性能还影响装置性能和黏附。
图1包括在基于真空的溅射Mo沉积过程中作为氩压力函数的Mo内应力的图。因而，在背接触部沉积步骤中期待内应力和外源应力的谨慎平衡以提供可行的柔性光电装置。沉积的方法、沉积压力、速度、幅片前进处理气体、幅片前进速度以及通过数量是进行平衡以为装置提供最佳后解除层的所有变量。
根据本公开，在背接触部中使用两种或更多种不同金属的多层方法被用来代替沉积于高温聚合物基底两侧上的现有Mo膜。根据本公开，聚合物基底可以是例如聚酰亚胺、聚苯并双恶唑（PBO）、绝缘金属箔或其他这种用于柔性的、单片集成的CIGS模块的材料，其中，CIGS模块采用高温CIGS沉积过程，诸如多源蒸发。与在聚合物的两侧上都采用Mo膜以平衡该过程应力并伴随后继的CIGS、CdS和TCO沉积的现有过程不同，根据一些例示性实施方式，采用在聚合物基底的背侧上的电介质膜、施加至聚合物的前侧的具有初高导电率且低模量、低成本的金属薄膜层（例如，铝（Al））以及随后在铝膜层之上Mo薄盖来形成应力平衡的背接触部。Mo可在添加或不添加氧气的情况下设置在Al上。
图2包括根据一些例示性实施方式的、用于聚合物上柔性单片集成CIGS光电装置的背接触部的示意性剖视图，其中，聚合物采用金属多层作为顶部接触层，并且采用氧化物作为背侧涂层。参照图2，聚合物基底14可进行准备以通过等离子体清洗、退火或其他最适合基底和光电（PV）装置的给定组合的过程来接收所设置的材料。等离子体处理涉及一种或多种气体。每种气体的量和百分比可变化以优化对于正在沉积的具体材料处理。等离子体的功率密度以及处理的持续时间也可以改变以优化处理。在离子体处理之前、之后或处理过程中的退火或加热基底可进一步优化处理。根据一些例示性实施方式，装置10包括在聚合物基底14的背侧形成的电介质膜12，该电介质膜12可以是例如氧化物（诸如SiO2、A12O3）、氮化物、氮氧化物（诸如铝或硅的氮氧化物），并且在本特定例示性实施例中，电介质膜12为A12O3。其它电介质涂层可能性包括高温硅、硅树脂以及可以不具有作为独立基底的结构性能，但是具有高温和高辐射率性能以及能够向聚合物基底添加压缩应力的其它聚酰亚胺。在形成电介质膜12之前，可在聚合物基底14的背侧上形成可选的黏附层13。黏附层13能够包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一个。可选的黏附层13可制作得非常薄，即，足够薄以具有非常低的导电性并对背侧发射率具有很小的影响至无影响。可选的黏附层13在后继的电介质膜12的氧化沉积过程中可氧化一些，形成例如氧化钼、氧化铬、氧化钛等。聚合物基底14可以是例如聚酰亚胺、聚苯并双恶唑（PBO）、绝缘金属箔或其他这种材料。另一可选的黏附层15可在聚合物基底14之上形成以帮助后继金属膜层16的黏附。黏附层15能够包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一个。金属膜16在聚合物基底14的前侧或黏附层15（如果存在）的前侧形成。金属膜16可以是由例如铝、铜、黄铜、青铜或其他这种材料制成的具有高导电率、低模量以及低成本的金属膜。Mo的薄盖层18在金属膜16之上形成。Mo盖层18可以在添加或不添加氧的情况下形成。CIGS层20在Mo盖层18之上形成，Mo盖层18使对CIGS层20的适当的化学、机械和电接口成为可能。由例如CdS形成的缓冲层22可在CIGS层20之上形成，并且透明导电氧化物（TCO）层24可在缓冲层22之上形成。
图3包括发明构思的、具有多种（4）厚度的A12O3背侧电介质层12的电介质-聚合物-金属-Mo-CIGS堆结构的图像。电介质层12的4个例示性厚度为0.0nm（无背侧电介质层或涂层）、210nm、350nm和640nm。如图3所示，根据发明构思实现了应力平衡。背侧电介质片12、作为电背接触部的顶侧金属接触层16的组合以及后继沉积均平衡其各自的应力，以实现更适合大批量生产过程的平坦材料。
参照图3，与类似的、仅有Mo的后接触膜相比较，根据发明构思的、电介质-聚合物-金属-Mo-CIGS的堆具有很小的压缩应力。这是因为金属膜16的存在。在背侧上添加的电介质膜12的情况下，基底开始变平，并且在例如640nm的厚度，所有压力均平衡。根据一些例示性实施方式，沉积能够保持充足导电性同时能承受CIGS沉积过程（其中，膜在富含硒（Se）的环境下经历高温（超过400℃））的膜是柔性单片集成的CIGS装置的扩大的重大进步。
Mo呈现的挑战在于，该材料不仅会表现出由于过程参数的变化而造成的明显不同的内应力，而且表现出与Mo和与用高温处理联合的、下方基底之间的热膨胀系数（CTE）的不匹配，基底的刚度以及最终地后继膜的机械性能都能够导致所得到的多层构造中的大应力。如图1所示，Mo可在性质上从拉伸至压缩的范围内的各种内应力状态下进行沉积。采用沉积Mo膜，Mo中拉伸和压缩内应力之间的过渡在大约6mTorr发生，其中压缩应力状态在约1.2Pa呈现出最高值。然而，无论聚合物上Mo的沉积应力状态如何，压缩应力状态都是高温（例如CIGS沉积温度）暴露后聚合物上Mo的结果。尤其是，如果以弯曲或以其他方式挠曲涂覆基底的方式增加外源应力，那么这些应力可导致薄膜或甚至基底的破裂。考虑到后续沉积步骤，高度压缩Mo背接触部的应力平衡通过将压缩膜沉积至基底背侧来实现。为了实现平坦的材料，对应力状态进行平衡，并且因为顶部表面具有多个金属层、半导体层和氧化物层，所以需要在基底的底部侧施加相应的Mo层以平衡顶部侧上的多个层，虽然在大多数情况下，在背侧上采用的Mo膜类型（用于应力平衡）与前部上的Mo膜（用于背侧电导体）相比沉积方式和厚度不同。减少褶皱是执行通过构图单元的板批处理以防止对打印操作的近移动喷墨头的损害的主要原因之一。然而，当应力水平高时平衡前后应力更加困难得多。
表1示出了将金属（具体为Mo）沉积至高温聚合物基底中的挑战。Mo和Al二者都具有比聚合物高一个数量级的模量，而热膨胀在Al和聚合物之间可比Mo更匹配。更重要的是，Al的屈服应力远低于Mo，并且在聚合物的5％伸长率处的应力比Mo更靠近Al。最后，Mo的极限应力是聚合物的极限应力的近两倍。
表1-与典型高温聚合物基底相比较的铝和钼的机械性能
Figure BDA0000483145330000061
根据一些例示性实施方式，减少了聚合物中的整体应力状态，并且因此，提供了更平坦、无褶皱的基底。如表2所示，根据发明构思，因为Mo用于对CIGS的适当接口，但是它是基底中高应力的主要原因，所以其使用已降低至掩蔽下方初金属膜的逸出功所需的最小量。在一些例示性实施方式中，虽然可使用采用铜（Cu）和其他高导电性材料（例如黄铜或青铜）的配方，但是选择的初金属膜为铝（Al）。CIGS装置依赖其金属背接触部的适当逸出功以适当地运行。虽然可以使用金属箔（无绝缘层），随后采用Mo沉积以掩蔽金属箔片基底的逸出功，但是非聚合物基底的固有刚度使得能够在Mo应力未压垮基底的情况下采用更厚的Mo膜厚度。采用根据发明构思的实施方式的聚合过程以及其较低的力学性能，下方初薄膜背接触部材料（Al、Mo等）的逸出功的、通过Mo的期待掩蔽效应用Mo中的高应力来小心地平衡，其中Mo中的应力可随Mo厚度变大而增大。此外，采用无绝缘层的金属箔妨碍单片集成光电装置的直接能力，并且同样地，将装置构造限制为离散单个单元。
表2与典型聚合物基底相比较的铝和钼的电性能（20℃）
材料 ρ[Ωm] σ[S/m] 逸出功（eV）
铝 2.82×10-8 3.5×107 4.08
钼 5.34×10-8 1.8×107 4.60
Upilex PI ～10+17 ～10-17 N
一些例示性实施方式的AlMo堆提供了优于常规的单层或多层Mo背接触部的几个优点。
1）膜可制成具有由Al膜16指示的大部分应力状态，其中，Al膜16远厚于Mo盖18。因此，减少了前侧金属化层中的整体应力状态。
2）如表2中所示，AlMo堆实现了远大于基准Mo膜的平面电导率，改进超过了一个数量级。这导致承载比现有装置大的电流的能力，并且使得用于整体集成模块的更大的单元节距（宽度）成为可能。更大的单元等同于更少的互连，而更少的互连降低了互连相关的损失。采用样品的测量示出薄层电阻一个数量级的减小，从基准2Ω/平方下降至0.2Ω/平方。该改进允许单元宽度（节距）增大至几乎为基准条件中所显示的两倍，由此还以因数2减少了互连。
3）虽然对于一些应用，膜具有足够的导电率，但是它制约了具有高电流密度（>30mA/cm）的CIGS的性能。通过仅采用薄Mo盖18，并且依靠Al的导电率以提供大部分的导电性，实施方式的堆叠材料提供了非常小的薄层电阻。表2还比较了Cu、Al和Mo的电性能。Mo的电导率约为铝的一半并小于铜的导电率的1/3。然而，因为Al的逸出功明显低于Mo的逸出功，并且Al可容易地扩散至CIGS中，所以保持Mo盖以掩蔽CIGS使免遭Al的较低逸出功。同样，当采用Cu、黄铜或青铜作为金属层16时，Cu会在沉积期间扩散至CIGS中。因而，通过使用Mo盖时，最佳地保持了电性能，同时，提供适当的逸出功接口以确保成功的光电效应。
4）作为对电导体构成的附加好处，薄Mo盖18提供了通过P2激光刻划（例如，经由刻划）进入导电率更高的Al的、具有低得多的电阻通路。因而，虽然在过程记录（POR）下的基准P2互连电阻标称为500mΩ-cm与1000mΩ-cm之间，但是对于该新互连，P2电阻下降至2mΩ-cm。对于指定的模块，仅此一点就将通过减少模块损失而导致输出功率约5％的提高。
根据例示性实施方式，因为足够厚以在聚合物上提供充足导电率的Mo对光电堆中的应力状态不利，因而将装置背接触部中的Mo含量降至最低允许采用除Mo之外的另一材料作为背侧膜。根据本公开，通过消除对背侧膜上Mo的依赖，并且通过将背接触部中的Mo降至最低，实现了优于现有技术的显著优点。
a）Mo用作对CIGS的接口，并且因此掩蔽Al逸出功，从而允许该装置以最佳方式工作。在可用时，可根据需要为新的基底采用其它金属元素或合金。
b）后接触膜中整体降低的应力状态为背侧膜提供了多个选项。在一种情况下，可采用低廉的氧化铝（Al2O3）膜，氧化铝膜是良好的绝缘体，并且为聚合物提供一定程度的防潮保护。然而，也可以采用其他氧化膜以提高结合强度来封装，并且还可以为了更好的防潮保护替代氮氧化物。
c）凭借降低聚合物基底两侧上的膜中的应力状态，聚合物所经历的产生的应力也被降低了。尤其是对于在卷到卷沉积中使用的高温聚合物，减小的压力状态将导致幅片的褶皱和波状起伏减少，尤其在高温偏移（诸如在CIGS沉积中经历的高温偏移）之后。
d）由于开发了新的柔性的、非导电性基底（诸如聚对苯撑苯并二恶唑（PBO）），并且该基底被引入柔性CIGS市场，所以减少由背接触部施加的应力的经历可导致可完全消除对背侧膜的需要的构造。
e）因为实现期待的Mo应力状态很重要，所以用标准Mo膜来限制沉积速率，标准Mo膜通常需要多次较薄的通过来实现所期待的电性能和应力性能。使用记录过程（POR）的最先进的膜在基底的前侧上为390nm，在基底的背侧上为620nm，总计刚超过1微米（1,010nm）。根据例示性实施方式，采用新构造的标称Mo厚度为约100-200纳米，或为装置中Mo量减少80%至90%。使用例示性实施方式的背接触部大大降低了对多层沉积的需要，而且，因为膜明显更薄，所以应导致提高背接触部腔室的5倍生产量，因为Al更容易以高幅片前进速度沉积。
f）Mo膜是CIGS装置中相对昂贵的膜，并且约为Al成本的35倍。如上所述，Mo的减少以及用普通元素的替代（Al、Al2O3）大幅降低了背接触部的成本。甚至在用A12O3代替背侧Mo也应具有显著效果。
如上所述，Al-Mo背接触部已显示出大幅降低了薄层电阻和P2互连电阻。组合的，这些效果将说明率的百分点，当模块设计被优化以充分利用这些效果时。即使采用相同的模块设计，由于P2电阻降低，模块功率应增大5%。
根据例示性实施方式，如本文中的详细描述，除应力控制之外，消除金属背侧膜并用电介质层替代提供了该装置中的热控制。真空中基底的加热包括导电加热（直接接触到基板）和/或辐射加热（能量从一个源辐射至另一源）。辐射加热是将热能传递至基底最常见的方式，但是输送能量的程度取决于基底的吸收率（吸收能量的能力）和发射率（将热量辐射至环境中的能力）。金属通常具有低于例如氧化膜的发射率；因而，金属表面不像氧化物那样容易地放出其热量。因而，在两侧上都涂有金属的聚合物能够将热量限制在夹在中间的聚合物基底中。在真空中，涂有高发射率涂层（诸如氧化物或氮化物）的表面能够为该表面和基底提供辐射冷却。较凉的背侧涂层和基底有助于阻止基底在高的装置侧温度过程中降解和脆化，并且因此使得能够带来更高品质的太阳能吸收层的装置侧温度更高。
本文中已经描述了例示性实施方式。例如，已经在具体例示性聚合物基底以及具体例示性涂层或层方面描述了例示性实施方式。应理解的是，例示性实施方式应力平衡以提供改进的光电装置中的背接触部。因此，本公开适用于其它基底材料以及其他背侧涂层或层。实际上，本公开可适用于使用替代基底且背侧涂层完全消除的结构。
特征组合
本公开的各种特征已经在上文中进行了详细描述。除非描述具体排除功能组合，本公开涵盖本文中所描述的任何特征以及任何数量的特征的组合。以下示例示出根据本公开在本文中设想和公开的一些特征组合。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，光电元件可包括CIGS结构。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，电介质可包括SiO2、A12O3和硅树脂中的至少一种。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，薄黏附层可被设置在聚合物基底的背侧与电介质层之间。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，黏附层可包括Mo、Cr和Ti中的至少一种。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，金属结构可包括第一金属层，第一金属层包括铝、黄铜、青铜和铜中的至少一种。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，金属结构可以还包括在第一金属层之上形成的Mo层。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，金属结构可以还包括设置在聚合物基底的装置侧与第一金属层之间的薄黏附层。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，薄黏附层可包括钼、铝、钛和铬中的至少一种。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，金属结构可以还包括与聚合物层的装置侧相接触的薄黏附层。
在本文中详细描述和/或要求保护的任何实施方式中，薄黏附层可包括钼、铝、铬、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
虽然本公开参照了例示性实施方式，但是本领域技术人员应理解的是，在未脱离本公开的精神和范围的情况下可在其中进行各种形式和细节的变化。

Claims (22)

1.用于光电元件的聚合物基底和背接触结构，包括：
聚合物基底，具有装置侧以及与所述装置侧相对的背侧，其中，所述光电元件可位于所述装置侧；
电介质层，在所述聚合物基底的所述背侧形成；以及
金属结构，在所述聚合物基底的所述装置侧形成。
2.如权利要求1所述的结构，其中，所述光电元件包括CIGS结构。
3.如权利要求1所述的结构，其中，所述电介质包括SiO2、Al2O3和硅树脂中的至少一种。
4.如权利要求3所述的结构，还包括设置在所述聚合物基底的所述背侧与所述电介质层之间的薄黏附层。
5.如权利要求4所述的结构，其中，所述黏附层包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
6.如权利要求1所述的结构，其中，所述金属结构包括第一金属层，所述第一金属层包括铝、黄铜、青铜和铜中的至少一种。
7.如权利要求6所述的结构，其中，所述金属结构还包括在所述第一金属层之上形成的钼层。
8.如权利要求6所述的结构，其中，所述金属结构还包括设置在所述聚合物基底的所述装置侧与所述第一金属层之间的薄黏附层。
9.如权利要求8所述的结构，其中，所述薄黏附层包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
10.如权利要求1所述的结构，其中，所述金属结构还包括与所述聚合物层的所述装置侧相接触的薄黏附层。
11.如权利要求10所述的结构，其中，所述薄黏附层包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
12.一种光电元件，其包括：
CIGS光电结构；
聚合物基底，具有装置侧以及与所述装置侧相对的背侧，其中，所述CIGS光电结构可位于所述装置侧；
电介质层，在所述聚合物基底的所述背侧形成；以及
金属结构，在所述聚合物基底的所述装置侧形成，位于所述聚合物基底与所述CIGS光电结构之间。
13.如权利要求12所述的光电元件，其中，所述电介质包括SiO2、Al2O3和硅树脂中的至少一种。
14.如权利要求12所述的光电元件，其中，所述电介质包括由铝和硅中的一个形成的氮氧化物。
15.如权利要求12所述的光电元件，还包括设置在所述聚合物基底的所述背侧与所述电介质层之间的薄黏附层。
16.如权利要求15所述的光电元件，其中，所述薄黏附层包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
17.如权利要求12所述的光电元件，其中，所述金属结构包括第一金属层，所述第一金属层包括铝、黄铜、青铜和铜中的至少一种。
18.如权利要求17所述的光电元件，其中，所述金属结构还包括在所述第一金属层之上形成的钼层。
19.如权利要求17所述的光电元件，其中，所述金属结构还包括设置在所述聚合物基底的所述装置侧与所述第一金属层之间的薄黏附层。
20.如权利要求19所述的光电元件，其中，所述薄黏附层包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
21.如权利要求12所述的光电元件，其中，所述金属结构还包括与所述聚合物层的所述装置侧相接触的薄黏附层。
22.如权利要求21所述的光电元件，其中，所述薄黏附层包括钼、铝、铬、钛、氮化钛（TiN）、金属氧化物和金属氮化物中的至少一种。
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