CN104160516B - 具有两个刻蚀步骤p2和p3的用于制造光伏模块的方法及相应的光伏模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产光伏模块的方法，所述光伏模块包括在薄膜结构中的多个太阳能电池，其中，相继地形成下述部分：背面电极(41)、光伏层(46)以及另一个半导体层(43)，所述光伏层通过沉积前驱层(42)并且进行热处理将前驱层转化为半导体材料来获得，所述半导体层用于与所述光伏层(46)形成p‑n结；其特征在于，所述光伏层(42)以局部的方式沉积，以使得背面电极(41)的位于两个相邻电池之间的至少一个区域(410)不存在所述金属前驱，其中，热处理步骤对具有比所述背面电极(41)的其余区域更大的电阻率的所述区域(410)进行改性，从而保证所述两个相邻电池之间的电绝缘。

Description

具有两个刻蚀步骤P2和P3的用于制造光伏模块的方法及相应 的光伏模块
技术领域
本发明涉及光伏太阳能领域，并且尤其涉及薄膜光伏模块。
在本申请的上下文中，“薄膜”指的是厚度小于5μm的层。
背景技术
光伏模块包括串联布置的多个太阳能电池。这是因为在单块太阳能电池的端子处产生的小于1伏特的电压通常对于许多设备而言过低。因而将多个电池串联布置是很有必要的。因此，对于大约100块串联的电池而言，由光伏模块输出的电压为大约100伏特。
对于薄膜光伏模块，这样的串联布置可以通过同一块衬底上进行刻蚀和沉积步骤来获得。因而实现单片互连。这对于单片晶体硅的常规技术而言具有显著的优势。这是因为生产晶体硅模块需要昂贵且困难的电线连接和焊接操作。全部这些操作对于薄膜技术而言都是不必要的。用于薄膜太阳能电池的单片互连工艺需要三个刻蚀步骤(通常表示为P1、P2和P3)。
第一步骤(P1)保证两个相邻电池在太阳能电池的背面电极处的电绝缘。
第二步骤(P2)允许将给定电池的正面电极连接到相邻电池的背面电极上。
第三步骤(P3)在于使两个相邻电池在正面电极处电绝缘。
多种技术被用于实现此单片互连工艺。
最常规的技术是机械刻蚀或者激光烧蚀。
因此，参照文件US 4502225，该文件对包括用于半导体器件的刻蚀尖端的设备进行了说明。
Hermann等人的文章《Selective ablation of thin films with short andultrashot laser pulses》，Appl.Surf.Sci.252(2006)4814或者Bartolme等人的文章《Laser application in thin-film photovoltaics》，Appl Phys B 100(2010)427-436尤其对激光在薄膜太阳能电池中的使用进行了说明。
这些刻蚀技术的优势是能够被用于将很多种材料(例如，CdTe、a-Si、通式为Cu2ZnSn(S,Se)4的CZTS或者通式为Cu(In,Ga)(Se,S)2的CIGS)沉积为薄膜。
然而，这些刻蚀技术都有其自身的缺陷。
因此，由于各个层上存在有机械应力，机械刻蚀导致材料损伤并进而在刻蚀线附近的各个层的表面上形成碎屑，这将会导致短路问题以及刻蚀尖端的磨损。而且，通常情况下，机械刻蚀的质量对诸如形态或者薄层的特性之类的许多参数以及刻蚀尖端的工作参数都非常敏感。
另外，激光烧蚀很难实施。特别地，可以观察到的是，去除的材料可能被熔化并且部分地回填到由激光烧蚀制成的凹槽中。因此，该技术无法获得产生良好质量的电接触所需要的洁净表面。
同样可以使用化学刻蚀方法。然而，这些化学方法的实现比常规的机械刻蚀或者激光烧蚀方法更加复杂和昂贵。
附图说明
为了更好地实现本发明的内容，参照图1a至1f对用于薄膜光伏模块的常规单片互连工艺进行说明。全部这些附图都是截面图并且表现了用于实现此工艺的各个步骤。
附图2a至2g示出了实现根据本发明的工艺的各个步骤。
具体实施方式
图1a示出了衬底1，衬底1可以由各种不论是柔韧的还是坚硬的材料制成，尤其是由玻璃又或者塑料或金属(例如，钢、铝或钛)等材料制成。
通常，该衬底由厚度为几毫米的钠钙玻璃制成，并且所述厚度通常介于1至3mm之间。
钼(Mo)层11被沉积在该衬底1上，所述钼层11的厚度通常介于100nm至2μm之间并且优选地为大约1μm。
该钼层被用于形成构成光伏模块的各个电池的背面电极。
图1a示出了在钼层的沉积之后进行的刻蚀步骤。如上所述，该刻蚀通常以机械的方式实现或者由激光烧蚀实现。该刻蚀导致无钼凹槽110的形成。
该凹槽110使得能够对图1f中所示的相邻电池2和3的背面电极11a和11b进行限定。
该刻蚀步骤对应于上述的步骤P1。
凹槽110的宽度通常介于10μm至100μm之间并且优选地为大约50μm。
图1b示出了工艺的另一步骤，在此步骤中产生光伏层，并且所述光伏层例如为晶体CIGS层。该层具有吸收光的功能。
该步骤首先在于将Cu、In、Ga以及Se和/或S类型的元素的金属前驱(metallicprecursors)引入到背面电极11上，这些元素的金属前驱用于生长p型半导体材料CIGS层。
大量适合于薄层的沉积工艺都可以使用。
这些工艺可以是诸如蒸发或者溅射之类的真空工艺，或者诸如电沉积、丝网印刷、刮片涂覆、喷墨印刷或者狭缝涂布之类的在大气压下实现的工艺。
因此，Cu、In和Ga的前驱可以通过溅射进行沉积。Se和/或S层随后由真空方法或者在大气压下实现的方法沉积在叠层之上。
通常来说，S或者Se的大量供给始终是必需的。硫族元素S或者Se以元素气体形式、以气体(H2S或H2Se)形式或者以蒸发的S或Se层的形式引入并被沉积在金属前驱层的表面上。
应当注意的是，气体H2S和H2Se有剧毒，这使得其在工业范围中的使用变得尤为复杂。
该金属前驱层的厚度通常介于300nm至1μm之间。
化学组分向晶体CIGS层12的转化由高温热处理来实现，已知该高温热处理是使用介于1℃/s(摄氏度每秒)至10℃/s之间的温度增长斜率的硒化/硫化热处理。
特别地，参照文件US5578503，该文件公开了一种用于获得CuXY2型半导体的工艺，其中，X为In和/或Ga并且Y为Se或S。
温度通常介于400℃与600℃之间。
该化学组分层可以被一覆盖层所覆盖，该覆盖层优选地由石墨制成。该覆盖层使得能够在热处理期间维持较高的Se和/或S的分压，从而导致Se和/或S到金属前驱的扩散增加。
图1c示出了实现该工艺的另一步骤，其中，n型半导体层13被沉积到CIGS层上以形成p-n结。
该层可以通过化学浴沉积法、溅射或者蒸发来沉积。
例如，该层可以由CdS组成并且通过化学浴沉积法来沉积，层13具有几十纳米的厚度。
诸如ZnS或ZnOS之类的其它材料也可以使用，并且厚度介于例如5nm至30nm之间。
图1c还示出工艺的另一可选步骤。该步骤在于沉积本征ZnO层14，其作用将在之后进行说明。
该层14在太阳光谱内高度透明并且具有很强的电阻性。层14通常通过溅射来沉积并且具有几十纳米的厚度。
应当注意的是，在层14的沉积过程中，层13防止ZnO与CIGS之间的反应从而对层12进行保护。
图1d示出了实现工艺的一个步骤，其中，另一刻蚀以机械的方式完成或者由激光烧蚀完成。
对应于上述步骤P2的这一刻蚀在于去除之前沉积在钼层11上的全部的层。因而，该刻蚀使得能够产生一个开口(参照图1d中的111)。这使得能够在两个相邻电池之间产生电互连部分(P2)。
开口111的宽度通常介于50μm至150μm之间并且优选地为大约100μm。
此外，开口110与111之间的距离通常介于50μm至150μm之间并且优选地为大约100μm。
图1e所示还为实现工艺的另一步骤，其中，透明导电氧化层15被沉积。
该层可以通过溅射来沉积并且具有几百纳米的厚度。
特别地，该层可以是掺杂Al的ZnO并具有大约500nm的厚度。
该掺杂Al的ZnO层被用于形成透明导电电极以作为电池2的正面电极(参照15a)并且作为电池3的正面电极(参照15b)。
通常认为n型掺杂半导体层13可以具有间断点。于是ZnO层14起到保证透明导电层15与CIGS层12之间电绝缘的作用。
诸如掺杂锡的氧化铟(ITO)、银纳米线和碳纳米管之类的材料也可以被用于生产该透明导电电极。类似地，也可以使用其它沉积技术。
当然，开口110与111之间的距离必须足够大以防止电池2的正面电极15a与电池3的背面电极11b之间出现过大的互连电阻。
图1f示出了工艺的最后步骤，其中，在叠层中完成另一刻蚀以使电池2与电池3最终隔离。
该刻蚀步骤对应于上述步骤P3。该步骤可以机械的方式实现或者通过激光烧蚀来实现并且在于去除沉积在背面电极11b上的全部的层。
所获得的开口112能够使得两个电池2和3在其正面电极15a和15b处电绝缘。
开口112通常具有介于10μm至200μm之间并且优选地为大约100μm的宽度。
图1f还示出了两个相邻的电池2和3之间的电荷通道。
因此，第一电池2的正面电极15a使得能够在正面上聚集该电池2产生的电荷，并且将这些电荷输送到相邻电池3的背面电极11b处。
考虑到常规刻蚀技术所表现出来的缺陷，现有技术中已经提供了解决方案。
然而，这些解决方案主要与步骤P2有关。
该解决方案的目标是局部地增加CIGS材料的导电性以将电荷从给定电池的正面电极引导到相邻电池的背面电极处。
这对于有可能局部地赋予CIGS以金属行为的激光处理而言是个问题。特别地，对Westin等人的文章《Laser patterning of P2interconnection via thin-film CIGS PVmodules》，Solar Energy Material and Solar Cells 92(2008)1230进行参考。局部沉积的金属前驱也可以通过扩散到CIGS层中来承担此角色。就此而言，可以具体参考文件US2010/0000589。
另一方面，迄今为止除机械、激光或可选的化学刻蚀之外不存在其它用于进行P1刻蚀的工艺。
因而，本发明的目的在于通过提出另一工艺来克服该类型刻蚀的缺陷，该工艺能够使得相邻的电池在其背面电极处电绝缘。
因此，本发明涉及一种用于生产光伏模块的工艺，该光伏模块包括位于薄膜结构中的多个太阳能电池，其中在该结构中相继产生的是：背面电极、光伏层以及另一个半导体层，该光伏层通过起始于以层沉积的金属前驱的热处理来获得，该半导体层用于与光伏层形成p-n结，该工艺还在于在该结构的各个层中进行刻蚀。
根据本发明，前驱层以局部的方式沉积从而使背面电极的位于两个相邻电池之间的至少一个区域没有该前驱层，热处理对具有比背面电极的其余区域更大的电阻率的该区域进行改性，从而保证两个相邻电池的背面电极之间电绝缘。
优选地，前驱包括诸如Cu、In和Ga类型或Cu、Zn和Sn类型的金属前驱。
此外，热处理优选地在介于400℃至600℃之间并且优选地为大约550℃的温度下进行。
背面电极的位于两个相邻电池之间并且具有较高电阻率的区域可以具有条带状。该条带通常具有100μm的宽度。
最后，前驱层的沉积优选地通过丝网印刷或者狭缝涂布来实现。
本发明还涉及一种光伏模块，该光伏模块包括串联到公共衬底的多个太阳能电池，每块电池包括正面电极以及背面电极，正面电极是透光的，背面电极通过光伏层以及另一个半导体层与正面电极间隔开，从而使得能够形成p-n结。
根据本发明，两个相邻电池的背面电极通过背面电极的一个区域电绝缘，该区域位于两个电池之间并且具有大于背面电极的其余区域的电阻率。
优选地，光伏层包括间断点，该间断点位于两个相邻电池之间的背面电极区域中并且具有大于背面电极的其余部分的电阻率。
此外，光伏层优选地由CIGS或CZTS制成。
背面电极优选地由钼制成。
最后，背面电极的位于两个相邻电池之间并且具有较高电阻率的区域具有介于50μm至150μm之间并且尤其为大约100μm的宽度。
根据以下说明书并且参照附图2a至2g，可以更充分地理解本发明，并且其它目标、特征以及优点也变得显而易见。全部附图都是截面图并且表示了实现根据本发明的工艺的各个步骤。
图2a示出了衬底4，衬底4可以由多种材料制成，并且常规地由玻璃、塑料或者金属制成。通常，该衬底由钠钙玻璃制成，所述钠钙玻璃的厚度为几微米并且例如为3微米。
钼层41被沉积在该衬底4上，钼层41的厚度通常介于100nm至2μm之间并且例如为500nm。
特别地，钼层的沉积通过溅射来完成。
金属层用于通过根据本发明的工艺来形成光伏模块的各个电池的背面电极。
与常规单片互连工艺不同，在层41中不执行刻蚀步骤。换言之，在本发明的内容中不存在步骤P1。
图2b示出了工艺的步骤，其中，提供导致光伏层形成的前驱以构成层42。
所述前驱可以是Cu、In、Ga以及可选地Se和S之中至少一种元素的金属前驱。光伏层由CIGS类型的材料制成。优选地，可以是以下比例：
0.75≤Cu/(In+Ga)≤0.95；0.55≤In/(In+Ga)≤0.85以及0.15≤Ga/(In+Ga)≤0.45。
金属前驱还可以是Cu、Zn和Sn类型的。
金属前驱优选地按照以下比例进行沉积：
0.75≤Cu/(Zn+Sn)≤0.95以及1.05≤Zn/Sn≤1.35。
根据本发明的工艺可以得到太阳能电池，该太阳能电池的光伏层由CZTS类型材料制成(特别地，根据层42是否包括硒、硫或者这两种组分的混合物而由Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnS4或Cu2ZnSn(S,Se)4制成)。
当层42包括硒和硫的混合物时，锗也可以被加入到CZTS的晶格中以形成Cu2Zn(Sn,Ge)(Se,Se)4类型的材料。
金属组分也可以是Cu、Al和In类型。
根据本发明的工艺可以得到太阳能电池，该太阳能电池的光伏层由Cu(In,Al)(S,Se)2类型材料制成。
图2b示出了层42，层42并未连续地沉积在背面电极41上。
相反地，区域420完全没有任何组分，层41在这些区域420处是裸露的。
通常情况下，这些区域420在平面图中呈条带状，用于将光伏模块的两个相邻电池分隔开。这些条带具有介于50μm至150μm之间并且尤其是等于100μm的宽度。因此应当理解的是，在形成由电池网络组成的光伏模块的过程中，这些区域形成对这些电池网络进行补充的网络。
层42基本上包括金属前驱。在此情况下，硫或硒随后以气体形式引入。它们还以沉积在不连续的金属前驱上的连续层的形式被引入。
最后，层42可以包括金属前驱以及硒或硫。
可以进行多种不同的沉积工艺来产生层42。特别地，层42可以通过使用具有对应于区域420的图案的丝网印刷框架来获得，通过该工艺对包括金属前驱以及根据情况所选择的硫或硒的墨水进行沉积。沉积因而以局部的形式实现。
图2c示出了根据本发明的工艺的下一步骤，其中，金属组分被转化为诸如CIGS或CZTS之类的半导体材料层46。
由Se或S的供给所导致的金属前驱向CIGS的转化在常规情况下通过高温热处理来进行。这在使用硒的情况下被称为硒化热处理，而在使用硫的情况下为硫化热处理。
硒或者硫在热处理过程中以气体形式被引入，或者在热处理过程之前于在不连续的金属前驱之上沉积连续层期间或者在沉积金属前驱层期间被引入。在后一种情况下，热处理在惰性环境中进行。
热处理通常在介于400℃至600℃之间并且优选地等于550℃的温度下进行。
热处理时间通常介于30秒至30分钟之间，并且优选地为大约1分钟。
在热处理过程中，根据所使用的热处理方法(提供Se或S蒸汽、H2Se或H2S气体、或者Se或S层的沉积)，背面电极41的没有金属前驱的区域410直接暴露于所提供的硒或硫。
因此，硒与钼层41反应以在区域410中形成MoSe2。MoSe2以紧密六方晶结构的形式生长，该结构的轴c与层41的表面平行。与轴c垂直的平面形成了各个薄层。
在另一实施例中，层42中存在的硫或者单独引入的硫将会扩散并且与下方的钼层进行反应以形成MoS2。
对Mo层的厚度以及用各种形式引进的硒或硫的最小量进行调节，以使得Mo在其整个厚度上被转化为MoSe2或MoS2。
应当注意的是，需要具有大量的Se或S供给以形成CIGS相。该供给是必要而且充分的，以使得Mo在其整个厚度上被转化为MoSe2或MoS2。
硒或硫的最小量按照惯例被称为硒或硫的“等效厚度”，也就是正好对应于MoSe2或MoS2的化学配比的硒或硫的沉积层的厚度，以使得Mo在其整个厚度上被转化为MoSe2或MoS2。
因此，厚度为500nm的Mo层可以被转化为一层大约1.95μm的MoSe2层并且其等效厚度在使用硒的情况下为1.77μm而在使用硫的情况下为1.75μm。
因此，由于硒或硫的引入，背面电极41的并未与金属前驱接触的区域410在热处理过程中被转化。然而，与轴c平行的方向上的MoSe2或MoS2的电阻率远大于钼的电阻率。特别地，电阻率比例大于108。
背面电极41的区域410因而具有比背面电极41的其余区域更高的电阻率。
因此，这使得能够对两个相邻电池(参照图2g的5和6)的背面电极41a和41b进行限定并且使这两个背面电极间电绝缘。
因此背面电极41的具有较高电阻率的区域410的形成使得能够省略刻蚀步骤P1并且因此消除与该刻蚀步骤相关的缺陷。
应当注意的是，热处理还可以伴随有在层41和42的交界面处形成MoSe2层(未在附图中示出)。然而，该层很薄(特别地，小于300nm)。当层41和42之间发生沿着与MoSe2层的轴c垂直的方向的电荷流动的时候，只增加了很小的电阻。在此方向上，MoSe2的电阻率非常小。此外，形成的欧姆接触增强了太阳能电池的电学特性。
图2d至2g示出了根据本发明的工艺的其它步骤，这些步骤与参照附图1c至1f进行说明的步骤类似。
因此，图2d示出了将n型半导体层43沉积到层46上以形成p-n结的实施步骤。如参照图1c所指示的那样，所使用的材料可以是CdS、ZnS或ZnOS。
图2d示出了工艺的另一步骤，该步骤为可选的并且在于将透明材料层44沉积在层43上。如参照图1c所指示的那样，所使用的材料可以是ZnO。
图2e示出了对应于上述步骤P2的刻蚀步骤。
该步骤在于：在与具有较高电阻率的区域410相隔一定距离处去除之前沉积在背面电极41b上的全部层。
因而，该刻蚀能够产生开口(参照图2e中的411)以及两个相邻电池(参照图2g中的5和6)之间的电互连部分。
优选地，区域410和开口411之间的最小距离介于50μm至150μm之间并且尤其为大约100μm。
图2f示出了另一实施步骤，其中透明导电氧化物层45被沉积在层44上或者当层44被省略时被直接沉积在层43上。
特别地，透明导电氧化层45可以是掺杂Al的ZnO。
最后，图2g示出了工艺的最后步骤，其中，在叠层上进行另一刻蚀。
该刻蚀步骤对应于步骤P3。
与开口411相比，所获得的开口412更加远离区域410。这使得两个电池5和6在其正面电极45a和45b处电绝缘。
可以看出，两个电池5和6通过区域410以及开口411和412而被间隔开。此间隔空间为互连区域。
通常情况下，用于实施附图1c至1f中所示的步骤的指令对附图2d至2g中所示的步骤同样有效。
图2g还示出了两个相邻的电池5和6之间的电荷通道。
因此，第一电池5的正面电极45a使得能够在正面上聚集该电池5中产生的电荷，并且将这些电荷输送到相邻电池6的背面电极41b处。
上述工艺的优点是消除了单片互连工艺所常用的刻蚀步骤中的一个步骤(在此为步骤P1)，并由此避免了与此步骤有关的缺陷。
在权利要求书中的技术特征之后所跟的附图标记的唯一作用是帮助理解技术特征，并且不对权利要求的范围进行限制。

Claims (9)

1.一种用于生产光伏模块的工艺，所述光伏模块包括在薄膜结构中的多个太阳能电池，其中，在所述薄膜结构中相继产生：背面电极(41)、光伏层(46)以及另一个半导体层(43)，所述光伏层(46)通过起始于以前驱层(42)沉积的金属前驱的热处理而从包括Se和S中至少一个元素以及所述金属前驱的组分来获得，所述另一个半导体层(43)用于与所述光伏层形成p-n结，其特征在于，所述背面电极(41)由钼制成并且所述前驱层(42)以局部方式沉积，以使得所述背面电极(41)的位于两个相邻电池之间的至少一个区域(410)不存在金属前驱，所述区域(410)具有比所述背面电极(41)的其余区域更大的电阻率，所述热处理对所述区域(410)加以改性从而保证所述两个相邻电池之间的电绝缘，其中，所述背面电极在所述区域(410)中的钼分别与Se或S反应形成MoSe2或MoS2。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述金属前驱为Cu、Ga和In类型或Cu、Zn和Sn类型。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述热处理在介于400℃至600℃之间的温度下进行。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述热处理在550℃的温度下进行。
5.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述背面电极(41)的具有较高电阻率的所述区域(410)呈条带状。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述条带具有介于50μm至150μm之间的宽度。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述条带具有等于100μm的宽度。
8.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述背面电极(41)的具有较高电阻率的所述区域(410)呈条带状。
9.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述背面电极(41)的具有较高电阻率的所述区域(410)呈条带状。
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