CN104081537A - 使用不连续激光刻划线的方法及结构 - Google Patents

使用不连续激光刻划线的方法及结构 Download PDF

Info

Publication number
CN104081537A
CN104081537A CN201280066330.XA CN201280066330A CN104081537A CN 104081537 A CN104081537 A CN 104081537A CN 201280066330 A CN201280066330 A CN 201280066330A CN 104081537 A CN104081537 A CN 104081537A
Authority
CN
China
Prior art keywords
conductive layer
semiconductor layer
coupled
laser
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201280066330.XA
Other languages
English (en)
Inventor
马修·瑞考
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ESI Pyrophotonics Lasers Inc
Original Assignee
ESI Pyrophotonics Lasers Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ESI Pyrophotonics Lasers Inc filed Critical ESI Pyrophotonics Lasers Inc
Publication of CN104081537A publication Critical patent/CN104081537A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies not provided for in groups H01L21/0405, H01L21/0445, H01L21/06, H01L21/16 and H01L21/18 with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/42—Bombardment with radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/022441—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells
    • H01L31/022458—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells for emitter wrap-through [EWT] type solar cells, e.g. interdigitated emitter-base back-contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1876—Particular processes or apparatus for batch treatment of the devices
    • H01L31/188—Apparatus specially adapted for automatic interconnection of solar cells in a module
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

一种薄膜光伏打装置包括一基板及一耦接至该基板的第一导电层。该第一导电层包括延伸穿过该第一导电层的一第一部分至该基板的一部分的至少一个第一凹槽。该装置也包括耦接至该第一导电层的一剩余部分及该基板的该部分的至少一个半导体层。该至少一个半导体层包括多个不重叠通孔，各通孔延伸穿过该至少一个半导体层的一部分至该第一导电层的一部分。该装置进一步包括一耦接至该至少一个半导体层的一剩余部分及该第一导电层的各部分的第二导电层。该第二导电层包括延伸穿过该第二导电层的一部分至该至少一个半导体层的一部分的至少一个第二凹槽。

Description

使用不连续激光刻划线的方法及结构
背景技术
铜铟镓二硒化物(GIGS)已成为用于生产薄膜光伏打(PV)面板的流行材料。CIGS目前保持薄膜单结电池效率的世界纪录，即20.1％效率。任何新材料皆会带来新挑战，且CIGS也不例外。尽管激光刻划已长久成为选择用于形成非晶硅(a-Si)及碲化镉(CdTe)单片互连的制程，通常称为P1、P2及P3刻划制程，但CIGS已呈现出与P2及P3步骤的激光处理相关的困难。导致激光处理区域中的薄膜的导电性增加的热效应对PV电池电效能不利。即便皮秒激光处理结果也无法完全免除此不利热效应，如通过边缘及残余物熔融所证实。已显示狭窄制程窗存在于可实际上在无热效应下刻划CIGS薄膜的低奈秒方案中。即使利用可程序光纤激光器的脉冲裁适能力，CMS中的P2及P3刻划线也常无法产生令人满意的结果。
因此，此项技术中需要与CIGS及其他PV材料的激光刻划相关的改良的方法及系统。
发明内容
本发明大体上是关于激光处理系统。更详细的说，本发明是关于用于制作薄膜PV模块的方法及系统。仅举例而言，本发明已应用于用于激光刻划P2及P3刻划线的方法及系统，其使用用于P2刻划线的不重叠通孔及在半导体层与顶部导体层之间的界面处终止的P3刻划线。该等方法及系统可应用于多种其他激光处理应用，包括用于其他电子、光学及光电装置的刻划制程。
根据本发明的一实施例，提供一种形成一薄膜光伏打模块的方法。该方法包括提供具有一第一表面及一与该第一表面相对的第二表面的基板。基板具有一耦接至该第一表面的第一导电层。该方法也包括移除该第一导电层的一部分，以暴露第一表面的一部分，及形成耦接至第一导电层的剩余部分及第一表面的该部分的至少一个半导体层。该方法进一步包括使用激光能量移除该至少一个半导体层的一第一部分，以形成多个延伸穿过至少一个半导体层的该经移除的第一部分至第一导电层的不重叠通孔，从而形成一耦接至至少一个半导体层的一剩余部分及第一导电层的通过该多个通孔暴露的部分的第二导电层，及使用激光能量移除该第二导电层的一部分以暴露至少一个半导体层的一第二部分。
根据本发明的另一实施例，提供一种在布置于一基板上的一薄膜结构中刻划一图案的激光基处理方法。该薄膜结构包括一耦接至该基板的第一导电层、耦接至该第一导电层的至少一个半导体层及一耦接至该至少一个半导体层的第二导电层。该方法包括引导一系列激光脉冲来撞击薄膜结构。该系列激光脉冲的特征在于一光子能量大于与至少一个半导体层的至少一个层相关联的一带隙能量。该方法也包括使用该系列激光脉冲的能量移除该第二导电层的一部分以形成自第二导电层的一第一表面延伸至至少一个半导体层的至少一个连续凹槽。
根据本发明的一替代性实施例，提供一种薄膜光伏打装置。该薄膜光伏打装置包括一基板，该基板具有一第一表面及一与该第一表面相对的第二表面；及一第一导电层，该第一导电层经耦接至基板的该第一表面。第一导电层包括延伸穿过第一导电层的一第一部分至基板的第一表面的一部分的至少一个第一凹槽。薄膜光伏打装置也包括至少一个半导体层，该至少一个半导体层经耦接至第一导电层的一剩余部分及基板的第一表面的该部分。至少一个半导体层包括多个不重叠通孔，各通孔延伸穿过至少一个半导体层的一部分至第一导电层的一部分。薄膜光伏打装置进一步包括一耦接至至少一个半导体层的一剩余部分及第一导电层的各部分的第二导电层。该第二导电层包括延伸穿过第二导电层的一部分至至少一个半导体层的一部分的至少一个第二凹槽。
通过本发明达成优于现有技术的众多益处。举例而言，本发明的实施例提供在薄膜PV模块中形成不连续P2刻划线的激光基方法，该等方法达成一或多个以下益处：(1)大体上彻底移除半导体材料，伴有各不重叠通孔中的残余物最少，及(2)对各通孔的壁及对半导体层中的邻近区域的热损伤降低或最小。本发明的实施例也提供在薄膜PV模块中形成连续P3刻划线的激光基方法，该等方法达成一或多个以下益处：(1)大体上彻底移除背面导电材料，伴有经刻划凹槽中的残余物最少，(2)保存在经刻划凹槽的底部处的天然半导体表面，及(3)与机械刻划线的抗性可比的改良或优化的刻划线抗性。
结合下文及附图更详细地描述本发明的此等及其他实施例以及本发明的许多优势及特征。
附图说明
图1A-1C为说明P2或P3激光刻划制程的简化示意性截面图；
图1D为说明根据本发明的一实施例的使用不同通孔间距制作的一系列通孔的影像；
图2A为说明根据本发明的一实施例的一薄膜PV装置的简化示意性截面图；
图2B为说明根据本发明的一实施例的一薄膜PV装置的简化平面图；
图3为根据本发明的一实施例的一光伏打(PV)模块的简化示意性截面图；
图4A为根据本发明的一实施例的一系列圆形通孔的影像；
图4B为根据本发明的一实施例的一系列狭长通孔的影像；
图5为根据本发明的一实施例的一P3刻划线的影像；
图6为说明根据本发明的一实施例的一种形成一薄膜PV装置的方法的简化流程图；
图7为说明根据本发明的一实施例的一种P3激光刻划制程的方法的简化流程图；
图8为说明根据本发明的一实施例的一适于P2及P3激光刻划制程的激光器的简化示意图；且
图9为根据本发明的一实施例的一激光处理系统的简化示意图。
具体实施方式
本发明的实施例是关于激光处理系统。更详细的说，本发明是关于用于制作薄膜PV模块的方法及系统。仅举例而言，本发明已应用于用于P2及P3激光刻划制程的方法及系统，其使用用于P2刻划线的不重叠通孔及在半导体/导体界面处终止的连续P3刻划线。该等方法及系统可应用于多种其他激光处理应用，包括用于其他电子、光学及光电装置的刻划制程。
图1A-1C为说明如用于制作薄膜PV装置或其他类型的装置的P2或P3激光刻划制程的简化示意性截面图。如图1A中所示，在典型薄膜PV模块中，在基板102上形成第一导电层104。接着在第一导电层104上形成半导体层106。接下来，在半导体层106上形成第二导电层108。第一导电层104、半导体层106及第二导电层108的各个可通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溅射或如此项技术中熟知的其他薄膜沉积技术形成。基板102可包含硅、二氧化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(GaAs)、硅与锗的合金、磷化铟(InP)、玻璃、塑料、其组合或其类似物。第一导电层104及第二导电层108的各个可包含金属，诸如Mo、Ti、Ni、Al、Au、Cr、Ag、其组合或其类似物。第一导电层104亦可包含透明导电氧化物(TCO)，诸如ZnO、SnO2、ITO、ATO、AZO、CIO、CZO、GZO、FTO、其组合或其类似物。半导体层106可包含非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物、铜铟镓二硒化物(CIGS)、其组合或其类似物。根据各种实施例，半导体层104可包含单层半导体材料以形成单结PV装置，或包含多层不同半导体材料以形成多结PV装置。
为形成单片串行连接的薄膜PV模块，第一导电层104经刻划(P1，图1中未示)以将第一导电层104分成多个电池。半导体层106经刻划(P2)以在一个电池中的第二导电层108与邻近电池中的第一导电层104之间提供电通道。在形成第二导电层之后进行最终刻划(P3)以分离电池。P1-P3的各个可通过机械刻划或激光刻划进行。机械刻划的缺点在于其倾向于产生芯片外突且与相对较高维护成本相关联，因为刻划针需要定期清洁及更换。因此，激光刻划已成为用于一些材料的较佳刻划方法。在传统上，诸如Nd:YAG激光的Q开关脉冲激光源已用于激光刻划。然而，Q开关激光的典型缓慢上升时间及下降时间特征会导致对PV电池电效能不利的热效应。
相反，如揭示内容据此以引用的方式并入本文中的美国专利第7,998,838号中所述，由光纤激光器产生的具有经裁适脉冲形状的一系列激光脉冲可在CIGS薄膜PV模块中产生优越的P2及P3刻划线，伴有凹槽中的残余物最少或无残余物，对凹槽的壁或邻近区域的损伤最小或无损伤，对下伏导电层的损伤最小或无损伤。在不限制本发明的实施例的情况下应了解此等优越刻划结果是通过脆性断裂制程达成。在此制程中，激光脉冲的能量在第一导电层104与半导体层106之间的界面处被吸收，从而导致热量在界面处积聚。热量又导致CIGS中的硒蒸发。硒蒸气压接着将上伏CIGS材料以或多或少的固体片段形式推开。
然而，即使使用经裁适脉冲形状的此等激光刻划制程也可能无法在CIGS中产生令人满意的连续P2及P3刻划线。此失效可理解为由于先前激光脉冲产生的CIGS层剥离。如图1B中所示，当第一激光脉冲116在CIGS层中产生第一通孔110时，其也提起CIGS层的邻近于第一通孔110的部分。如图1C中所示，第二激光脉冲112指向CIGS层已经提起的区域。因此，相较于无剥离的情况，硒蒸气扩大至较大体积。因此，降低硒蒸气压以使其不足以吹走上伏层。所以，CIGS层的区域114熔融，而非如脆性断裂制程中般被吹走成固体片段。
图1D为说明根据本发明的一实施例的使用不同通孔间距制作的一系列通孔的影像。各不连续P2刻划线120-170包含在CIGS层中形成的一系列通孔。各通孔是通过单一激光脉冲形成。自左至右，各刻划线中的邻近通孔之间的间距减小。如在刻划线120、130及140中可见，当邻近通孔之间的间距相对较大时，形成具有清晰边缘的通孔。然而，如刻划线150、160及170中所说明，随着邻近通孔之间的间距减小至邻近通孔几乎重叠的点，通孔开始破裂且通孔的边缘变得界定不清。
图2A为一薄膜PV装置200的简化示意性截面图，且图2B为根据本发明的一实施例的薄膜PV装置200的简化平面图。PV装置200包含基板202，该基板202具有第一表面216及与第一表面216相对的第二表面218。PV装置200进一步包含第一导电层204，该第一导电层204经耦接至基板202的第一表面216。通过P1激光刻划在第一导电层204中形成至少一个第一连续刻划线210。第一刻划线210延伸穿过第一导电层204的第一部分至基板204的第一表面216的一部分。PV装置200进一步包含至少一个半导体层206，该至少一个半导体层206经耦接至第一导电层204的剩余部分及基板202的第一表面216的由至少一个第一刻划线210暴露的部分。通过P2激光刻划在至少一个半导体层206中形成多个不重叠通孔212。各通孔212延伸穿过至少一个半导体层206的个别第一部分至第一导电层204的个别第二部分。PV装置200进一步包含第二导电层208，该第二导电层208经耦接至至少一个半导体层206的剩余部分及第一导电层204的由多个通孔212暴露的第二部分。通过P3激光刻划在第二导电层208中形成至少一个第二连续刻划线214。至少一个第二连续刻划线214延伸穿过第二导电层208的一部分至至少一个半导体层206的第二部分。
根据本发明的一实施例，至少一个第一连续刻划线210沿较佳平行于PV装置200的边缘的第一路径布置；多个不重叠通孔212沿大体上平行于第一路径的至少一个第二路径布置；且至少一个第二连续刻划线214也沿大体上平行于第一路径的第三路径布置。
薄膜PV装置200具有两个重要特征。首先，替代具有连续P2刻划线，PV装置200具有呈多个不重叠通孔212形式的不连续P2刻划线。在一些实施例中，各通孔212是通过单一激光脉冲形成。其次，薄膜PV装置200具有连续P3刻划线，该连续P3刻划线在半导体层206与第二导电层208之间的界面处终止，而不是如在习知CIGS薄膜PV模块中般在半导体层206与第一导电层204之间的界面处终止。
根据本发明的一实施例，半导体层206包含CIGS。如上所论述，即使当使用具有经裁适脉冲形状的激光脉冲时，激光刻划CIGS也由于CIGS层206自下伏导电层204剥离而通常呈现与产生令人满意的连续P2或P3刻划线相关的问题。另一方面，明确界定的不重叠通孔212可在CIGS层206中形成，如图1D所说明。根据一实施例，激光脉冲的特征在于波长为约1064nm，其对应于近似等于CIGS的带隙能量的光子能量。因此，激光脉冲中的大量光到达CIGS层206与第一导电层204之间的界面。如上所论述，在此界面处的激光脉冲能量的吸收导致上伏CIGS层的脆性断裂，从而产生明确界定的通孔212。根据一实施例，各激光脉冲的特征在于大体上矩形时间脉冲波形，脉冲宽度在约2ns至约5ns的范围内。根据一实施例，各激光脉冲含有在约10μJ至约20μJ的范围内的能量。在其他实施例中，利用其他时间脉冲波形及能量范围。在一些实施例中，利用波长在1064nm的光(光子能量1.165eV)来执行本文所述的方法(特定来说P3制程)。在其他实施例中，利用其他波长，包括在532nm下的双重1064nm光(光子能量2.33eV)。如本文所述，尤其关注与P2制程有关的光子波长，在P2制程中波长较佳足够长以使半导体透明。一般熟习此项技术的将认识到许多变化、修改及替代物。
图3为根据本发明的一实施例与图2A及图2B中所示的PV装置类似的一薄膜PV模块300的简化示意性截面图。薄膜PV模块300包含由多个连续P3刻划线214分离开的多个PV电池340a及340b。在半导体层206中形成的不重叠通孔212提供电流350自一个电池340a的第二导电层206流向邻近电池340b的第一导电层204的路径。因此，多个PV电池340以串联方式彼此互连。此特定电结构并非为本发明的实施例所需且作为一种连接薄膜PV模块的电池的方法的一实例提供。
图4A为根据本发明的一实施例的通过P2激光刻划形成的一系列圆形通孔402的影像。各通孔的截面面积由激光脉冲的光斑面积界定。根据一实施例，各激光具有直径在约50μm至约75μm的范围内的圆形光斑面积。在其他实施例中，利用其他几何形状，诸如正方形、矩形或其类似形状，如以下更充分描述。根据一实施例，邻近通孔之间的间距406大于各通孔的半径且小于各通孔的直径。
根据本发明的其他实施例，不连续P2刻划线可包含非圆形通孔。图4B为根据本发明的另一实施例通过P2激光刻划形成的一系列狭长通孔404的影像。各通孔404沿P2刻划线的路径伸长。各通孔404可通过一或多个激光脉冲形成。
因为P3刻划线214使PV模块中的多个PV电池彼此分离开，所以在图3中说明的实施例中，P3刻划线为连续的。在一习知PV模块中，相同类型的激光处理方法常用于P2刻划与P3刻划两个。然而，归因于如上所论述的CIGS层206自下伏第一导电层204的剥离，此等P3激光刻划制程可能无法在CIGS中产生令人满意的刻划线。因此，根据本发明的一实施例，不同类型的激光刻划制程用于P3，该制程形成在半导体层206与第二导电层208之间的界面处终止的连续P3刻划线214。因为半导体层206具有相对较高的薄片电阻，所以此等P3刻划线214可有效分离PV电池且分路电流损失降低或最小化。
根据本发明的一实施例，各连续P3刻划线214是通过一系列特征在于波长为约532nm的激光脉冲形成。因为此波长对应于高于CIGS的带隙能量的光子能量，所以激光光将不会穿透显著深度进入CIGS层206中，从而在CIGS层206中导致损伤性热效应。图5为根据本发明的一实施例在TCO层(侧面周边深色区域)中形成的P3刻划线520(中心浅色区域)的影像。根据图5中说明的装置的轮廓测定结果，通过532nm激光脉冲形成的P3刻划线不会穿透至CIGS层206中且天然CIGS表面形态得以保存。P3刻划线的宽度由激光光斑尺寸决定。根据一实施例，激光束斑点的直径在约25μm至约30μm的范围内。参考图5，用于形成所说明的P3刻划线的条件包括具有大体上矩形时间脉冲波形的激光脉冲，其中脉冲宽度为约2ns，脉冲重复率为40kHz，且脉冲能量为近似1.5μJ。在其他实施例中，激光束光斑尺寸在直径约10μm至约100μm的范围内，脉冲宽度在约1ns至约25ns的范围内，脉冲重复率在约10kHz至约80kHz的范围内，且脉冲能量在约0.4至约24μJ的范围内。
图6为说明根据本发明的一实施例的一种形成一薄膜PV模块的方法的简化流程图。方法600包括提供具有第一表面及与第一表面相对的第二表面的基板(610)。基板具有耦接至第一表面的第一导电层。在一些实施例中，基板可包含硅、二氧化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(GaAs)、硅与锗的合金、磷化铟(InP)、玻璃、塑料、其组合或其类似物。在一些实施例中，第一表面及第二表面大体上彼此平行，但此不为本发明所需。第一导电层可包括一或多种金属，诸如Mo、Ti、Ni、Al、Au、Cr、Ag、其组合、其组合或其类似物。另外，第一导电层也可包括TCO，诸如ZnO、SnO2、ITO、ATO、AZO、CIO、CZO、GZO、FTO、其组合或其类似物。
该方法也包括移除第一导电层的一部分以暴露第一表面的一部分(612)及形成耦接至第一导电层的剩余部分及第一表面的该部分的至少一个半导体层(614)。半导体层106可包含非晶硅(a-Si)、微晶硅(μc-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物、铜铟镓二硒化物(CIGS)、其组合或其类似物。根据各种实施例，半导体层104可包含单层半导体材料以形成单结PV装置，或包含多层不同半导体材料以形成多结PV装置。
该方法也包括使用激光能量移除至少一个半导体层的一部分以形成多个延伸穿过至少一个半导体层的该经移除部分至第一导电层的不重叠通孔(616)。根据一实施例，形成多个不重叠通孔的各个包含使用单一激光脉冲去除至少一个半导体层的一部分。在其他实施例中，利用多个激光脉冲来形成不重叠通孔的各个。
该方法另外包括形成耦接至至少一个半导体层的剩余部分及第一导电层的由多个通孔暴露的部分的第二导电层(618)。根据一实施例，第二导电层包含TCO，诸如ZnO、SnO2、ITO、ATO、AZO、CIO、CZO、GZO、FTO、其组合或其类似物。该方法包括使用激光能量移除第二导电层的一部分以暴露至少一个半导体层的第二部分(620)。
根据一实施例，多个不重叠通孔沿第一路径布置；且至少一个半导体层的第二部分沿大体上平行于第一路径的第二路径布置。多个不重叠通孔的各个特征可在于预定截面面积及邻近通孔之间的间距大于截面面积的第一尺寸且小于截面面积的第二尺寸。举例而言，预定截面面积可为圆形且截面面积的第一尺寸可为圆形的半径且截面面积的第二尺寸可为圆形的直径。在其他实施例中，多个不重叠通孔的特征在于如图4B中所说明的伸长的预定截面面积。
应了解图6中说明的特定步骤提供根据本发明的一实施例的一种形成薄膜PV模块的特定方法。根据替代性实施例，也可执行其他步骤顺序。举例而言，本发明的替代性实施例可以不同顺序执行以上概述的步骤。此外，图6中说明的个别步骤可包括可视个别步骤的情况而定以各种顺序执行多个子步骤。此外，视特定应用而定，可添加或移除其他步骤。一般熟习此项技术的将认识到许多变化、修改及替代物。
图7为说明根据本发明的一实施例的一种在布置于一基板上的一薄膜结构中刻划一图案的方法的简化流程图。薄膜结构包含耦接至基板的第一导电层、耦接至第一导电层的至少一个半导体层及耦接至至少一个半导体层的第二导电层。方法700包括引导一系列激光脉冲来撞击薄膜结构(710)。该系列激光脉冲的特征在于光子能量大于与至少一个半导体层的至少一个层相关联的带隙能量。该方法也包括使用该系列激光脉冲的能量移除第二导电层的一部分以形成自第二导电层的第一表面延伸至至少一个半导体层的至少一个连续凹槽(712)。在一实施例中，至少一个连续凹槽大体上未延伸至至少一个半导体层中。
根据一实施例，引导该系列激光脉冲来撞击薄膜结构包含照射第二导电层的第一表面。举例而言，至少一个半导体层可包括铜铟镓二硒化物或铜铟二硒化物且光子能量可为约1.165eV。
第二导电层可包括若干材料之一，例如TCO，诸如ZnO、SnO2、ITO、ATO、AZO、CIO、CZO、GZO、FTO、其组合或其类似物。
应了解图7中说明的特定步骤提供根据本发明的一实施例的一种在一薄膜结构中刻划一图案的特定方法。根据替代性实施例，也可执行其他步骤顺序。举例而言，本发明的替代性实施例可以不同顺序执行以上概述的步骤。此外，图7中说明的个别步骤可包括可视个别步骤的情况而定以各种顺序执行多个子步骤。此外，视特定应用而定，可添加或移除其他步骤。一般熟习此项技术的将认识到许多变化、修改及替代物。
参考图8，在本发明的一实施例中，提供产生具有预定脉冲形状的脉冲串的脉冲激光源800。2008年9月27日颁予的标题为「用于具有经成形的光波形的脉冲激光源的方法及系统(Method and System for Pulsed Laser Source with ShapedOptical Waveforms)」的美国专利第7,428,253号描述可调脉冲激光源的实例且据此以全文引用的方式并入本文中。此外，2008年9月12日申请的标题为「用于发射经成形的光波形的脉冲激光源的方法及系统(Method and system for a PulsedLaser Source Emitting Shaped Optical Waveforms)」的美国专利申请案第12/210,028号也描述可调脉冲激光源的实例且据此以全文引用的方式并入本文中。脉冲激光源800包括适配成产生种子信号的种源810，及具有耦接至该种源的第一埠814，第二埠822及第三端口816的光学循环器820。脉冲激光源800也包括调幅器830，其特征在于耦接至光学循环器的第二埠822的第一侧832，及第二侧834。脉冲激光源800进一步包括第一光学放大器850，其特征在于输入端836及反射端846。输入端耦接至调幅器的第二侧834。
此外，脉冲激光源800包括耦接至光学循环器820的第三端口816的第二光学放大器860。尽管图8说明使用耦接至光学循环器820的第三端口的一个光学放大器860，但此不为本发明的一些实施例所需。在替代性实施例中，视特定应用的情况而定，在光学循环器的下游利用多个光放大器。
图9显示根据本发明的一实施例的一种例示性激光处理系统，其能够使用产生具有预定脉冲形状的一系列脉冲的激光器在薄膜材料工件904中刻划线条。该系统包括激光源900、光学系统902、控制器905及位于工件夹持器903的顶部的工件904。激光源900提供具有诸如波长、脉冲长度、脉冲形状及脉冲重复率的某些特征的激光脉冲。波长、脉冲长度及脉冲形状可根据本发明的实施例加以调整以使用具有预定脉冲形状的一系列脉冲在薄膜材料工件中刻划线条。
光学系统可包括用于将激光束聚焦在工件上的透镜及反射镜，及将光束引导至工件上的各种位置的组件。在一特定实施例中，用于引导光束的组件可为安装在电流计上的反射镜。控制器可用于控制光学系统及用于引导光束的组件的动作。举例而言，当在薄膜工件904中刻划线条时，光学系统902可由控制器控制以沿工件的表面在一线条上扫描光束，以便将各聚焦激光光斑引导至邻近于先前聚焦激光光斑的位置，但伴有重叠。在另一实施例中，光学系统可将激光束聚焦在工件的表面处且工件夹持器可由控制器控制以使工件在一线条上移动，以便使各聚焦激光脉冲以一系列激光脉冲撞击在邻近于先前聚焦激光脉冲的位置上，但伴有一些光斑重叠。
也应了解本文所述的实例及实施例是仅出于说明目的，且根据其各种修改或变化将会由熟习此项技术者意识到且欲包括在本申请案的精神及范围以及随附申请专利范围的范畴内。

Claims (20)

1.一种形成一薄膜光伏打模块的方法，该方法包含：
提供具有一第一表面及一与该第一表面相对的第二表面的基板，其中该基板具有一耦接至该第一表面的第一导电层；
移除该第一导电层的一部分，以暴露该第一表面的一部分；
形成耦接至该第一导电层的剩余部分及该第一表面的该部分的至少一个半导体层；
使用激光能量移除该至少一个半导体层的一第一部分，以形成多个延伸穿过该至少一个半导体层的该经移除的第一部分至该第一导电层的不重叠通孔；
形成一耦接至该至少一个半导体层的一剩余部分及该第一导电层的通过该多个通孔暴露的部分的第二导电层；及
使用激光能量移除该第二导电层的一部分，以暴露该至少一个半导体层的一第二部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中形成该多个不重叠通孔的各个包含使用一单一激光脉冲去除该至少一个半导体层的一个别部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
该多个不重叠通孔沿一第一路径布置；且该至少一个半导体层的该第二部分沿一大体上平行于该第一路径的第二路径布置。
4.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个半导体层包含铜铟镓二硒化物。
5.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个半导体层包含非晶硅、碲化镉或铜铟二硒化物中的至少一个。
6.如权利要求1所述的方法，其中该多个不重叠通孔的各个特征在于一预定截面面积，且邻近通孔之间的一间距大于该截面面积的一第一尺寸且小于该截面面积的一第二尺寸。
7.如权利要求6所述的方法，其中：
该预定截面面积包含一圆形；
该截面面积的该第一尺寸为该圆形的一半径；且
该截面面积的该第二尺寸为该圆形的一直径。
8.如权利要求3所述的方法，其中该多个不重叠通孔的各个特征在于在该第二路径的一方向上伸长的一预定截面面积。
9.一种在布置于一基板上的一薄膜结构中刻划一图案的激光基处理方法，该薄膜结构包含一耦接至该基板的第一导电层、耦接至该第一导电层的至少一个半导体层，及一耦接至该至少一个半导体层的第二导电层，该方法包含：
引导一系列激光脉冲来撞击该薄膜结构，其中该系列激光脉冲的特征在于一光子能量大于与该至少一个半导体层的至少一个层相关联的一带隙能量；及
使用该系列激光脉冲的能量移除该第二导电层的一部分，以形成自该第二导电层的一第一表面延伸至该至少一个半导体层的至少一个连续凹槽。
10.如权利要求9所述的方法，其中引导该系列激光脉冲来撞击该薄膜结构包含照射该第二导电层的该第一表面。
11.如权利要求9所述的方法，其中该至少一个半导体层包含铜铟镓二硒化物或铜铟二硒化物。
12.如权利要求11所述的方法，其中该光子能量为约2.23eV。
13.如权利要求9所述的方法，其中该第二导电层包含透明导电氧化物。
14.如权利要求9所述的方法，其中该至少一个连续凹槽大体上未延伸至该至少一个半导体层中。
15.一种薄膜光伏打装置，其包含：
一基板，其具有一第一表面及一与该第一表面相对的第二表面；
一第一导电层，该第一导电层经耦接至该基板的该第一表面，其中该第一导电层包括延伸穿过该第一导电层的一第一部分至该基板的该第一表面的一部分的至少一个第一凹槽；
至少一个半导体层，该至少一个半导体层经耦接至该第一导电层的一剩余部分及该基板的该第一表面的该部分，其中该至少一个半导体层包括多个不重叠通孔，各通孔延伸穿过该至少一个半导体层的一部分至该第一导电层的一部分；及
一第二导电层，该第二导电层经耦接至该至少一个半导体层的一剩余部分及该第一导电层的各部分，其中该第二导电层包括延伸穿过该第二导电层的一部分至该至少一个半导体层的一部分的至少一个第二凹槽。
16.如权利要求15所述的薄膜光伏打装置，其中：
该至少一个第一凹槽沿一第一路径布置；
该多个不重叠通孔沿大体上平行于该第一路径的至少一个第二路径布置；且
该至少一个第二凹槽沿大体上平行于该第一路径的一第三路径布置。
17.如权利要求15所述的薄膜光伏打装置，其中该至少一个半导体层包含铜铟镓二硒化物。
18.如权利要求15所述的薄膜光伏打装置，其中该至少一个半导体层包含铜铟二硒化物。
19.如权利要求17所述的薄膜光伏打装置，其中该第一导电层包含透明导电氧化物。
20.如权利要求15所述的薄膜光伏打装置，其中该第二导电层包含透明导电氧化物。
CN201280066330.XA 2012-01-04 2012-12-04 使用不连续激光刻划线的方法及结构 Pending CN104081537A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/343,546 2012-01-04
US13/343,546 US8841157B2 (en) 2012-01-04 2012-01-04 Method and structure for using discontinuous laser scribe lines
PCT/US2012/067718 WO2013103460A1 (en) 2012-01-04 2012-12-04 Method and structure for using discontinuous laser scribe lines

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104081537A true CN104081537A (zh) 2014-10-01

Family

ID=48694170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280066330.XA Pending CN104081537A (zh) 2012-01-04 2012-12-04 使用不连续激光刻划线的方法及结构

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8841157B2 (zh)
JP (1) JP2015506586A (zh)
KR (1) KR20140117472A (zh)
CN (1) CN104081537A (zh)
TW (1) TW201330082A (zh)
WO (1) WO2013103460A1 (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9537031B2 (en) * 2013-06-28 2017-01-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Nozzle assembly and method for fabricating a solar cell
MY179233A (en) * 2014-01-31 2020-11-02 Flisom Ag Method for forming via hole segments in a thin film photovoltaic device
US9257584B2 (en) * 2014-03-14 2016-02-09 Tsmc Solar Ltd. Solar cell interconnects and method of fabricating same
US10790406B2 (en) 2014-04-07 2020-09-29 Solaero Technologies Corp. Parallel interconnection of neighboring space-qualified solar cells via a common back plane
US10263131B2 (en) 2014-04-07 2019-04-16 Solaero Technologies Corp. Parallel interconnection of neighboring solar cells with dual common back planes
KR101688401B1 (ko) 2014-10-31 2016-12-22 한국과학기술연구원 박막 태양전지의 제조 방법 및 모듈 구조
DE102015009004A1 (de) 2015-06-05 2016-12-08 Solaero Technologies Corp. Automatisierte Anordnung und Befestigung von Solarzellen auf Paneelen für Weltraumanwendungen
US9608156B2 (en) 2015-07-09 2017-03-28 SolAcro Technologies Corp. Assembly and mounting of solar cells on space panels
KR20180043113A (ko) 2016-10-19 2018-04-27 한국과학기술연구원 박막 태양전지 모듈 구조 및 이의 제조 방법
USD833383S1 (en) 2016-11-16 2018-11-13 Solaero Technologies Corp. Solar cell with via
USD835571S1 (en) 2016-12-08 2018-12-11 Solaero Technologies Corp. Solar cell with via
USD835030S1 (en) 2016-12-12 2018-12-04 Solaero Technologies Corp. Solar cell with VIA
JP6927834B2 (ja) * 2017-09-29 2021-09-01 積水化学工業株式会社 太陽電池の製造方法及び太陽電池
KR102077768B1 (ko) 2019-12-16 2020-02-17 한국과학기술연구원 박막 태양전지 모듈 구조 및 이의 제조 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5593901A (en) * 1989-09-08 1997-01-14 Amoco/Enron Solar Monolithic series and parallel connected photovoltaic module
CN1918711A (zh) * 2003-12-25 2007-02-21 昭和壳牌石油株式会社 集成薄膜太阳能电池及其制造方法
US20110129958A1 (en) * 2009-11-30 2011-06-02 Esi-Pyrophotonics Lasers, Inc. Method and apparatus for scribing a line in a thin film using a series of laser pulses
US20110132448A1 (en) * 2010-02-08 2011-06-09 Suniva, Inc. Solar cells and methods of fabrication thereof
CN102165604A (zh) * 2008-09-29 2011-08-24 薄膜硅公司 单片集成太阳能电池组件

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPN703895A0 (en) 1995-12-07 1996-01-04 Unisearch Limited Solar cell contacting machine
US7259321B2 (en) * 2002-01-07 2007-08-21 Bp Corporation North America Inc. Method of manufacturing thin film photovoltaic modules
US7679005B2 (en) * 2005-03-23 2010-03-16 Endicott Interconnect Technologies, Inc. Circuitized substrate with shielded signal lines and plated-thru-holes and method of making same, and electrical assembly and information handling system utilizing same
US7428253B2 (en) 2006-09-29 2008-09-23 Pyrophotonics Lasers Inc. Method and system for a pulsed laser source emitting shaped optical waveforms
US7742511B2 (en) 2006-09-29 2010-06-22 Pyrophotonics Lasers Inc. Method and system for a pulsed laser source emitting shaped optical waveforms
US7829356B2 (en) * 2008-09-17 2010-11-09 Applied Materials, Inc. Thin film scribe process

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5593901A (en) * 1989-09-08 1997-01-14 Amoco/Enron Solar Monolithic series and parallel connected photovoltaic module
CN1918711A (zh) * 2003-12-25 2007-02-21 昭和壳牌石油株式会社 集成薄膜太阳能电池及其制造方法
CN102165604A (zh) * 2008-09-29 2011-08-24 薄膜硅公司 单片集成太阳能电池组件
US20110129958A1 (en) * 2009-11-30 2011-06-02 Esi-Pyrophotonics Lasers, Inc. Method and apparatus for scribing a line in a thin film using a series of laser pulses
US20110132448A1 (en) * 2010-02-08 2011-06-09 Suniva, Inc. Solar cells and methods of fabrication thereof

Also Published As

Publication number Publication date
US8841157B2 (en) 2014-09-23
TW201330082A (zh) 2013-07-16
US20130168797A1 (en) 2013-07-04
JP2015506586A (ja) 2015-03-02
KR20140117472A (ko) 2014-10-07
WO2013103460A1 (en) 2013-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104081537A (zh) 使用不连续激光刻划线的方法及结构
US8048706B1 (en) Ablative scribing of solar cell structures
CN102596482B (zh) 使用具有有益的脉冲波形的激光脉冲群在薄膜材料中划线的方法及装置
CN104051581B (zh) 太阳能电池激光划线方法
US20120094425A1 (en) Ablative scribing of solar cell structures
Trusheim et al. Investigation of the influence of pulse duration in laser processes for solar cells
JP6202308B2 (ja) 化合物薄膜太陽電池の製造方法
KR20120096052A (ko) 레이어 스택의 층의 적어도 일부 영역을 제거하는 방법
CN106258012B (zh) 用于光伏器件中的薄膜通孔段的方法
CN102339899A (zh) 用于薄膜太阳能模块的多程激光边缘去除工艺
Huber et al. Selective structuring of thin-film solar cells by ultrafast laser ablation
Heise et al. Ultrafast lasers improve the efficiency of CIS thin film solar cells
US8890025B2 (en) Method and apparatus to scribe thin film layers of cadmium telluride solar cells
Tseng et al. Investigation of the ablation of fluorine-doped tin oxide thin films by square top-hat ultraviolet laser beams
CN103094408B (zh) 太阳能电池及其制造方法以及太阳能电池图案
Markauskas et al. Damage-free patterning of thermally sensitive CIGS thin-film solar cells: Can nanosecond pulses outperform ultrashort laser pulses?
Witte et al. Investigation of a reliable all-laser scribing process in thin film Cu (In, Ga)(S, Se) 2 manufacturing
WO2013026463A1 (en) Laser scribing process
Moser et al. Nanosecond laser lift-off of a Copper-Indium-Diselenide thin film at a wavelength of 1342 nm
Schneller et al. Study of the laser scribing of molybdenum thin films fabricated using different deposition techniques
Schultz et al. P1, P2 and P3 structuring of CIGSE solar cells with a single laser wavelength
Steiger et al. Optimization of the structuring processes of CI (G) S thin-film solar cells with an ultrafast picosecond laser and a special beam shaping optics
Turan et al. Impact of scribe width reduction on the back-contact insulation process for the series connection of thin-film silicon solar cells
Schoonderbeek et al. Laser structuring of thin films for organic solar cells
Račiukaitis et al. Selective Ablation of Thin Films with Picosecond‐Pulsed Lasers for Solar Cells

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20141001