CN104835861B - 太阳能电池前接触层及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了太阳能电池前接触层及其制造方法。一种太阳能电池板，包括：背接触层、背接触层上方的吸收层、吸收层上方的缓冲层、以及缓冲层上方包括透明导电材料的前接触层。前接触层具有多个外边缘和包括沿着外边缘的晶种层材料的晶种层。

Description

太阳能电池前接触层及其制造方法
技术领域
本发明通常涉及光伏太阳能电池，更具体地，涉及薄膜太阳能电池及其形成方法。
背景技术
薄膜光伏(PV)太阳能电池是一种类型的能源器件，其利用具有光的形式的可再生能源，光被转换为可以用于许多应用的有用的电能。薄膜太阳能电池是通过在衬底上沉积半导体和其他材料的多个薄层和薄膜所形成的多层半导体结构。这些太阳能电池可以被制成以由多个单独电互连电池所组成的一些形式的轻质柔性板。轻质和柔性的属性提供了薄膜太阳能电池作为便携式电子设备、航空宇宙、以及住宅和商业建筑中所使用的电源的广泛的潜在适用性，在住宅和商业建筑中，它们可以结合为诸如屋顶板、立面和天窗的多种建筑部件。
薄膜太阳能电池半导体封装件通常包括在衬底上形成的底部接触层或电极、吸收层、以及在底部接触将之上形成的顶部接触层或电极。前接触层例如由光透明导电氧化物(“TCO”)材料制成。TCO材料易于由包括水、氧气以及二氧化碳的环境因素所导致的侵蚀和退化。这样的TCO退化可能引起高串联电阻(Rs)，并且导致降低用于太阳能电池的太阳能转换效率。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种太阳能电池板，包括：背接触层；吸收层，位于所述背接触层上方；缓冲层，位于所述吸收层上方，以及前接触层，包括所述缓冲层上方的透明导电材料，所述前接触层具有多个外边缘和包括沿着所述外边缘的晶种层材料的晶种层。
在该太阳能电池中，所述透明导电材料和所述晶种层材料具有相同的化学成分；以及所述透明导电材料和所述晶种层材料具有不同的微结构。
在该太阳能电池中，所述晶种层材料具有比所述透明导电材料更小的晶粒尺寸。
在该太阳能电池中，所述晶种层的厚度小于所述透明导电材料的厚度。
在该太阳能电池中，所述透明导电材料具有第一厚度，所述晶种层具有第二厚度，并且所述第一厚度与所述第二厚度的比率在2:1至30:1的范围内。
在该太阳能电池中，所述透明导电材料具有第一宽度，所述晶种层材料在所述外边缘处具有第二宽度，并且所述第一宽度与所述第二宽度的比率在6:1到17:1的范围内。
在该太阳能电池中，所述晶种层材料的晶体取向不同于所述透明导电材料的晶体取向。
在该太阳能电池中，所述前接触层还包括所述晶种层上方的所述透明导电材料的边缘层。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造太阳能电池板的方法，包括：形成背接触层；在所述背接触层上方形成吸收层；在所述吸收层上方形成缓冲层，以及在所述缓冲层上方形成包括透明导电材料的前接触层，所述前接触层具有多个外边缘和包括沿着所述外边缘的晶种层材料的晶种层。
在该方法中，形成步骤包括：在所述缓冲层上同时施加所述透明导电材料和所述晶种层材料。
在该方法中，所述背接触层形成在衬底之上，并且形成所述前接触层的步骤包括：在不对所述太阳能电池板的所述外边缘直接施加热的情况下，加热所述衬底的中心部分。
在该方法中，形成所述前接触层的步骤包括：将衬底的中心部分加热至约150℃至约200℃的范围内，而所述外边缘在约100℃至约140℃的温度范围内。
在该方法中，形成所述前接触层的步骤包括：使用宽度尺寸小于太阳能电池衬底的加热板来加热衬底的中心部分。
在该方法中，所述背接触层形成在所述衬底之上，并且形成所述前接触层的步骤还包括：在使用宽度尺寸小于所述衬底的加热板之后，加热所述衬底的所述中心部分和所述衬底的边缘。
在该方法中，所述背接触层形成在衬底之上，并且形成所述前接触层的步骤包括：在所述衬底位于第一加热板上的同时，升高宽度尺寸小于所述衬底的所述第一加热板；在加热所述衬底的中心部分的同时，在所述缓冲层上方施加所述透明导电材料；降低所述第一加热板，直到所述第一加热板的顶面与所述衬底的边缘下面的第二加热板的顶面齐平；以及在同时用所述第一加热板加热所述衬底的中心并且用所述第二加热板加热所述衬底的边缘的同时，施加附加的透明导电材料。
根据本发明的又一方面，提供了一种装置，包括：室，具有用于供应工艺气体的一个或多个开口，所述工艺气体用于在具有中心和多个边缘的太阳能电池板衬底的上方形成透明导电层；第一加热板，位于所述室内，所述第一加热板的宽度小于所述太阳能电池板衬底的宽度并且所述第一加热板位于所述太阳能电池板衬底的中心下面；以及第二加热板，邻近所述第一加热板，被定位在所述边缘下面，使得所述第一加热板和所述第二加热板一起位于所述太阳能电池板衬底的所述中心和所述边缘下面，其中，所述装置可以以直接加热所述太阳能电池板衬底的中心而不直接加热所述边缘的第一模式操作，并且所述装置可以以直接加热所述太阳能电池板衬底的中心和边缘的第二模式操作。
该装置还包括：致动器，被配置成使由所述第一加热板和所述第二加热板所组成的组中的一个加热板相对于由所述第一加热板和所述第二加热板所组成的组中的另一个加热板升高或降低。
该装置还包括：控制器，被配置成控制所述致动器：在所述衬底位于所述第一加热板上的同时，升高所述第一加热板；以及降低所述第一加热板，直到所述第一加热板的顶面与所述第二加热板的顶面齐平。
该装置还包括：控制器，被配置成控制所述致动器：在所述衬底位于所述第一加热板上的同时，升高所述第一加热板；在供应用于形成所述透明导电材料的所述工艺气体的同时，加热所述第一加热板；降低所述第一加热板，直到所述第一加热板的顶面与所述第二加热板的顶面齐平；以及在供应用于形成所述透明导电材料的所述工艺气体的同时，同时用所述第一加热板加热所述衬底的中心，并且用所述第二加热板加热所述衬底的边缘。
在该装置中，所述第一加热板具有第一宽度，所述第二加热板具有从其内边缘延伸到其外边缘的第二宽度，并且所述第一宽度与所述第二宽度的比率在6:1到17:1的范围内。
附图说明
当结合附图进行阅读时，通过以下详细描述可以更好理解本发明的方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了论述清楚起见，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是根据一些实施例的太阳能电池板的截面图。
图2是根据一些实施例的图1的太阳能电池板的平面图。
图3是根据一些实施例制造图1的太阳能电池板的装置的示意图。
图4是根据一些实施例的其上具有图1的太阳能电池板的图3所示的加热板的截面图。
图5是根据一些实施例的图4的太阳能电池板的温度与时间的曲线图。
图6是根据一些实施例使用图3的装置制造图1的太阳能电池板的方法的流程图。
图7是根据一些实施例的太阳能电池板的截面图。
图8是根据一些实施例的用于制造图7的太阳能电池板的装置的示意图，其中，加热板位于第一位置处。
图9示出根据一些实施例加热板位于第二位置处的图8的装置。
图10是根据一些实施例的图7的太阳能电池板的温度与时间的曲线图。
图11是根据一些实施例使用图8和图9的装置制造图7的太阳能电池板的方法的流程图。
图12A和图12B是根据一些实施例的图1或图7的太阳能电池板的晶种层微结构的平面图和截面图。
图12C和图12D是根据一些实施例的图1或图7的太阳能电池板的晶种层微结构的平面图和截面图。
图13是图12A至图12D所示的晶种层材料和块状TCO材料的X射线衍射(XRD)分析的曲线图。
具体实施方式
以下公开提供用于实现本发明的不同特征的多个不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例而并不旨在进行限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间形成附加部件，使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个实例中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在...之下”、“在...下方”、“下部”、“之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个元件或部件的关系。除了图中示出的定向之外，空间相对术语旨在包括在使用或操作中的器件的不同定向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他定向)，并且在此使用的空间相对术语可以同样地作相应的解释。
图1是根据一些实施例的太阳能电池板100的截面图。图2是根据一些实施例的图1的太阳能电池板的平面图。太阳能电池板100包括太阳能电池板衬底110、衬底上的背接触层120、背接触层120上方的吸收层130、吸收层130上方的缓冲层140、以及在缓冲层140上方的包括块状透明导电材料151(诸如透明导电氧化物或TCO)的前接触层150。前接触层150还包括沿着太阳能电池板100的多个外边缘153的包括晶种层材料的晶种层152。根据一些实施例，在单个室内，在单个工艺过程中同时形成块状TCO层151和晶种TCO层152。虽然可以在缓冲层140的整个顶面上方形成晶种层，但是可以通过在衬底的边缘部分153上形成晶种层152来实现良好耐剥离性和良好串联电阻。
衬底110可以包括诸如玻璃的任何合适的太阳能电池衬底材料。在一些实施例中，衬底110包括诸如钠钙玻璃的玻璃衬底、或柔性金属箔或聚合物(例如，聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯萘(PEN)、聚合碳氢化合物、纤维素类聚合物、聚碳酸酯、聚醚等)。其他实施例还包括其他衬底材料。
背接触层120包括诸如金属的任何合适的背接触材料。在一些实施例中，背接触层120可以包括钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)或铜(Cu)。其他实施例还包括其他背接触材料。在一些实施例中，背接触层120的厚度为约50nm至约2μm。在一些实施例中，通过溅射形成背接触层。
吸收层130包括诸如p型半导体的任何合适吸收材料。在一些实施例中，吸收层130可以包括黄铜矿基材料，包括例如Cu(In,Ga)Se2(CIGS)、碲化镉(CdTe)、CulnSe2(CIS)、CuGaSe2(CGS)、Cu(In,Ga)Se2(CIGS)、Cu(In,Ga)(Se,S)2(CIGSS)、CdTe或非晶硅。其他实施例还包括其他吸收材料。在一些实施例中，吸收层130的厚度为约0.3μm到约3μm。可以使用各种不同工艺来施加吸收层130。例如，可以通过溅射来施加CIGS前体。在其他实施例中，通过蒸发来施加一个或多个CIGS前体。
缓冲层140可以包括诸如n型半导体的任何合适缓冲材料。在一些实施例中，缓冲层140可以包括硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硫化铟(III)(In2S3)、硒化铟(In2Se3)或Zn1-xMgxO(例如，ZnO)。其他实施例还包括其他缓冲材料。在一些实施例中，缓冲层140的厚度为约1nm至约500nm。在一些实施例中，通过诸如化学浴沉积(CBD)的湿工艺来施加缓冲层140。
在一些实施例中，前接触层150包括退火的透明导电氧化物(TCO)层151。在一些实施例中，TCO层151被重掺杂。例如，TCO层151的电荷载流子密度可以为约1x1017cm-3至约1x1018cm-3。用于退火的TCO层的TCO材料可以包括诸如金属氧化物和金属氧化物前体的任何合适的前接触材料。在一些实施例中，TCO材料可以包括氧化锌(ZnO)、氧化镉(CdO)、氧化铟(In2O3)、二氧化锡(SnO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化铟镓(GaInO3)、(CdSb2O3)、或氧化铟(ITO)。TCO材料也可以掺杂有合适的掺杂剂。在一些实施例中，ZnO可以掺杂有铝(Al)、镓(Ga)、硼(B)、铟(In)、钇(Y)、钪(Sc)、氟(F)、钒(V)、硅(Si)、锗(Ge)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、镁(Mg)、砷(As)、和氢(H)中的任何元素。在其他实施例中，SnO2可以掺杂有锑(Sb)、F、As、铌(Nb)或钽(Ta)。在其他实施例中，In2O3可以掺杂有锡(Sn)、Mo、Ta、钨(W)、Zr、F、Ge、Nb、Hf、或Mg。在其他实施例中，CdO可以掺杂有In或Sn。在其他实施例中，GaInO3可以掺杂有Sn或Ge。在其他实施例中，CdSb2O3可以掺杂有Y。在其他实施例中，ITO可以掺杂有Sn。其他实施例还包括其他TCO材料和相应的掺杂剂。在一些实施例中，前接触层150的厚度为约5nm至约3μm。在一些实施例中，通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)来形成前接触层151。在其他实施例中，通过溅射形成前接触层151。
在一些实施例中，在缓冲层140上方的围绕较厚块状或主要TCO前接触层151的薄膜TCO晶种层152增加前接触层151与缓冲层140的粘附力。有利地，尤其是当太阳能电池经历热循环时，TCO前接触层151通过围绕前接触层151的TCO晶种层152更耐剥离损坏，从而改进太阳能电池100的性能和可靠性。
在一些实施例中，前接触层151的透明导电材料和晶种层152的晶种层材料使用相同的工艺气体通过CVD来形成。在一些实施例中，前接触层151的透明导电材料和晶种层152的晶种层材料具有彼此相同的化学成分，并且透明导电材料和晶种层材料具有彼此不同的微结构。例如，在一些实施例中，晶种层152的材料具有比前接触层151的TCO材料更小的晶粒尺寸。在一些实施例中，晶种层152的晶向不同于透明导电材料的晶向。
在一些实施例中，晶种层152的厚度162小于前接触层151的透明导电材料的厚度163。例如，在一些实施例中，前接触层151的透明导电材料具有第一厚度，晶种层152具有第二厚度，并且第一厚度与第二厚度的比率在2:1到30:1的范围内。
在一些实施例中，透明导电材料具有第一宽度161，晶种层材料在外边缘处具有第二宽度160，并且第一宽度与第二宽度的比率在约6:1至约17:1的范围内。从而，前接触150的总面积的约80％以上由TCO层151中的主要TCO材料占用，并且总面积的约20％以下由晶种层152占用。在一些实施例中，前接触层150的总面积的约95％至97％由TCO层151中的主要TCO材料占用，并且总面积的约3％至5％由晶种层152占用。晶种层152的材料具有比主要TCO层151的材料更高的电阻率。因为晶种层占用太阳能电池板总面积的相对较小部分，所以足以避免TCO剥离，可以在不损害整个太阳能电池板100的串联电阻(Rs)的情况下，实现晶种层的益处。
在一些实施例中，通过在比用于形成TCO前接触层151更低的温度下所执行的沉积工艺中形成TCO晶种层152，来实现粘附力改进和益处。这制造具有不同的微结构的晶种层152，该微结构具有比主要TCO前接触层151更微小或更小的晶粒尺寸。较小晶粒尺寸与赋予主要TCO层151增加的粘附力特性相关联。因此，本发明的实施例具有沿着太阳能电池板100的外围的TCO晶种层152，其具有与主要TCO前接触层151不同的晶粒尺寸。
图3是根据一些实施例制造图1的太阳能电池板100的装置的示意图。该装置可以是CVD组合设备工具或者具有用于在衬底110上方形成TCO晶种层152和主要顶部电极层151的工艺反应室24的其他工具。工艺反应室24包括工艺气体供应系统30，其将包含化学TCO层前体(例如，不限于用于形成ZnO TCO材料的DEZ)的工艺气体、在一些实施例中用于晶种层152(可选)和主要块状TCO层151的掺杂剂、以及其他工艺气体引入反应室24的混合室32中。气体从混合室32流过集箱管(header tube)34进入位于反应室24的顶部的注气扩散器36。扩散器36(也由本领域中的术语“喷头”为人所熟知)包含多个开口，气体通过该多个开口均匀地分配到整个反应室。加热基座或加热板38设置在反应室24中。加热板38被配置成在薄膜沉积工艺期间支撑并且加热衬底110。缓冲室22包括加热板38，并且可以包括惰性气体(例如，氮气)供应装置。在一些实施例中，缓冲室(未示出)用于预加热将在反应室24中被处理的太阳能电池衬底110的温度，用于将衬底的温度从室温增加到大约或者恰好在将在反应室24中使用的衬底的工艺温度之下，从而缩短反应室中的处理时间并且提高CVD工具的生产能力。
在一些实施例中，为了制造晶种层TCO152，衬底的边缘的温度应该在约100℃至约140℃的范围内。在用于形成块状TCO151的一些实施例中，衬底110的内部的温度应该为约150℃到约200℃。根据以下描述的一些实施例，在单个工艺室24中，在单个工艺过程中同时形成用于给定太阳能电池板100的块状TCO层151和晶种层TCO152。
图4是根据一些实施例的图3所示的加热板38的截面图，在前接触层形成期间在其上具有图1的太阳能电池板110。加热板38具有用于支撑衬底110并且用于将热传导至衬底110的底部的顶面。衬底110的边缘153不直接接触加热板，因此，当加热板38加热衬底时，衬底110的边缘153具有比衬底的中心部分更低的温度。衬底将一些热从内部传导至边缘153，所以当加热板38加热衬底110时，边缘的温度升高，但是存在温差。
加热板38的尺寸小于衬底110的尺寸。加热板38的宽度37小于太阳能电池板衬底110的宽度39，并且适于位于太阳能电池板衬底110的中心下面。在一些实施例中，加热板38具有第一宽度，衬底延伸超出加热板第二宽度，并且第一宽度与第二宽度的比率在6:1到17:1的范围内。类似地，加热板的长度(延伸到页面内)小于太阳能电池板衬底110的长度。
为了形成前接触层，在期望温度下，在工艺室24中提供衬底110，其中吸收层130和缓冲层140已经形成，并且已经完成了P2划线(未示出)。在一些实施例中，通过在工艺室24中将太阳能电池板衬底110加热到期望的前接触层形成温度来形成TCO层150。在其他实施例中，太阳能电池板衬底110在缓冲室(未示出)中被预加热，并且然后被传送到工艺室24。
图5是根据一些实施例的图4的太阳能电池板的温度与时间的曲线图。如图5所示，衬底的边缘153(未被板38加热)处的温度低于衬底110的内部的温度。在一些实施例中，在约600秒内，衬底110的内部的温度达到约165℃，并且边缘153处的温度达到约130℃。在这些相应的温度下，形成厚度为1000nm至3000nm的主要TCO前接触层151，并且形成厚度为100nm至500nm的晶种层152。在其他实施例中，用实验方法确定用于形成前接触层151和其他TCO材料的晶种层152的期望沉积温度。
一旦达到期望的衬底工艺温度，就通过将工艺气体引入反应室24中来开始TCO层形成工艺。因为温差，衬底的内部和边缘部分153形成具有不同晶粒尺寸和晶向的TCO材料的晶体。在相同时间段期间，通过化学汽相沉积(CVD)工艺沉积在衬底的边缘153上的晶种层152的厚度小于沉积在衬底110的内部上方的材料151的厚度。TCO沉积工艺继续一段时间足以在太阳能电池板的中心(内部)部分中形成期望厚度的块状TCO层151。从而，TCO晶种层152具有比块状主要TCO顶部电极层151更小的厚度。在一些实施例中，没有限制，TCO晶种层152的厚度为约100nm至约500nm。这足以增加主要TCO顶部电极层151的粘附特性，以减少或消除剥离。同时，TCO顶部电极层151被沉积有约1000nm至约3000nm的厚度，以用于低电阻和良好的电流收集性能。因此，在一些实施例中，TCO晶种层152的厚度小于主要TCO层151的一半。
因此，在一些实施例中，期望TCO晶种层152的厚度小于TCO顶部电极层151的厚度，这是因为较低温度形成的晶种层152倾向于具有比块状顶部电极层151更高的电阻率，从而抑制电流流动并且降低太阳能电池性能。因此，TCO晶种层152应该具有足够的厚度以改进块状TCO层151与吸收层130的粘附力，同时不会太厚，以使太阳能电池性能劣化。
当完成时，如图1所示并且如上所述，产生部分完成的薄膜太阳能电池。
虽然在此关于在一个非限制性实例中使用CVD工艺描述了TCO晶种层152和顶部电极层151的形成，但是可以使用在半导体技术领域中使用的其他合适膜形成工艺，包括但不限于作为两个实例的原子层沉积(ALD)和物理汽相沉积(PVD)。
根据本发明的前述工艺的优点在于，TCO晶种层152和顶部电极层150在相同机构中形成，并且由相同材料构成。这产生太阳能电池形成制造工艺流程的节约并且降低成本。
在此描述的工艺减少总处理时间。同时执行晶种层152和主要前接触层151的形成，以减少室中的总沉积时间。而且，不需要招致在用于形成层152的第一工艺室和用于形成层151的第二工艺室之间移动衬底110的传送时间。而且，因为可以在具有单个工艺反应室24的薄膜沉积工具中形成TCO晶种层152和顶部电极层151而没有预加热衬底的缓冲室，所以不需要花费在缓冲室和工艺室之间移动衬底110的传送时间。
图6是根据一些实施例使用图3的装置24制造图1的太阳能电池板100的方法的流程图。
在步骤602中，清洁衬底。在一些实施例中，通过在洗刷工具或超声波清洁工具中使用清洁剂或化学物质，清洁衬底110。
在步骤604中，然后通过溅射、原子层沉积(ALD)、化学汽相沉积(CVD)或其他合适技术，在衬底110上形成背电极层120。
在步骤606中，接下来，在底部电极层120中形成P1图案化划线(未示出)，以露出所示衬底110的顶面。可以使用任何合适划线方法，诸如但不限于通过划针的机械划线或激光划线。
在步骤608中，接下来，在底部电极层120的顶部上形成p型掺杂半导体光吸收层130。吸收层130材料还填充P1划线，并且接触衬底110的露出的顶面，以将层130互连至衬底。由CIGS所形成的吸收层130可以通过任何合适真空或非真空工艺形成。这样的工艺包括但不限于硒化、硒化后硫化(“SAS”)、蒸发、溅射、电沉积、化学汽相沉积、或喷墨等。
在步骤610中，然后，在吸收层130上形成例如可以为CdS的n型缓冲层140，以制造电活性n-p结。可以通过用于使用包含硫的电解质溶液形成这样的层的电解质化学浴沉积(CBD)工艺来形成缓冲层140。
在步骤612中，接下来，穿过吸收层130切割P2划线(未示出)，以露出开口划线或沟道内的底部电极120的顶面。可以使用任何合适方法切割P2划线，包括但不限于机械(例如，刻针)或激光划线。随后从顶部电极层150用导电材料填充P2划线，以将顶部电极互连至底部电极层120。
在步骤614中，以以上参照图1至图3所描述的方式，形成包括晶种层152和主要前接触层(块状TCO)151的前接触层150。形成前接触150的步骤包括：使用宽度尺寸小于太阳能电池衬底110的加热板38加热衬底110的中心部分。在不对太阳能电池板的外边缘110e直接施加热的情况下，加热衬底110的中心部分。将衬底110的中心部分加热至约150℃至约200℃的范围内，同时外边缘在约100℃至约140℃的温度范围内。供应工艺气体，并且由于温差，在衬底的内部和边缘上形成具有相应的不同晶粒结构的薄膜。结果，在缓冲层上同时施加透明导电材料和晶种层材料。因此，顶部电极150被配置成将所收集的电荷传送到外部电路。也用TCO材料至少部分地填充P2划线，以在太阳能电池板100内的一个太阳能电池的顶部电极层150和邻近太阳能电池的底部电极120之间形成电连接，从而产生电子流动路径。
在步骤616中，在形成上述TCO晶种层152和顶部电极层151之后，形成P3划线(未示出)。P3划线延伸穿过(从顶部到底部)TCO顶部电极层150、缓冲层140、吸收层130以及底部电极层120，向下到达衬底110的顶部。
在步骤618中，施加乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和丁基的混合物(combination)，以密封太阳能电池板100。在一些实施例中，将EVA和丁基密封剂直接施加至顶部电极层150。EVA/丁基用作合适的透光密封剂。
在步骤620中，施加热和压力，以将EVA/丁基膜层压至前接触层150。
在步骤622中，可以执行附加的后道工序工艺。这可以包括将顶部防护玻璃层压到太阳能电池结构上，以保护顶部电极层150。
在步骤624中，然后可以完成合适进一步的后道工序工艺，其可以包括在顶部电极150之上形成前导电栅格接触件以及一个或多个抗反射涂层(未示出)。栅格接触件穿过或越过任何抗反射涂层的顶面向上突出，以用于到外部电路的连接。太阳能电池制造工艺产生完美和完整的薄膜太阳能电池模块100。
图7是根据一些实施例的太阳能电池板200的截面图。太阳能电池板200包括太阳能电池板衬底110、衬底上的背接触层120、背接触层120上方的吸收层130、吸收层130上方的缓冲层140、以及包括缓冲层130上方的块状透明导电材料251(诸如透明导电氧化物或TCO)的前接触层250。衬底110、背接触层120、吸收层130、以及缓冲层140可以与以上参照图1至图6所描述的相同。前接触层250包括沿着太阳能电池板200的多个外边缘153包括晶种层材料的晶种层252。主要前接触层251还包括延伸到太阳能电池板200的边缘之外的透明导电材料的边缘层251e，以位于衬底的边缘处的晶种层252的上面。根据一些实施例，在单个室内，在单个工艺过程中形成块状TCO层251和晶种TCO层252。
因为太阳能电池板200的边缘具有位于晶种层252上面的TCO边缘层251e，所以提供平行导电路径，以进一步减小TCO层250的串联电阻。
图8是用于制造图7的太阳能电池板的装置的示意图。该装置包括致动器240，其被配置成相对于由第一加热板和第二加热板所组成的组中的另一个升高和降低由第一加热板238和第二加热板237所组成的组中的一个。在该实例中，第一加热板238可移动，并且第二加热板237是固定的，但是在其他实施例(未示出)中，第一加热板238是固定的，并且第二加热板237可以被降低。图8示出根据一些实施例的加热板238位于第一位置处的装置。图9示出加热板位于第二位置处的图8的装置。
该装置包括在室24内的第一加热板238。第一加热板238的宽度小于太阳能电池板衬底110的宽度，并且第一加热板238适于位于太阳能电池板衬底110的中心(内部)下面。
第二加热板237邻近第一加热板238。第二加热板237被定位成位于衬底110的边缘110e下面，使得第一加热板238和第二加热板237一起位于太阳能电池板衬底110的中心和边缘110e下面。
在一些实施例中，第一加热板238具有第一宽度，第二加热板237具有从其内边缘延伸到其外边缘的第二宽度，并且第一宽度与第二宽度的比率在6:1至17:1的范围内。在图9中，第二加热板237的外边缘稍微延伸出衬底的外边缘，并且第二加热板的宽度稍微大于衬底的宽度。在其他实施例(未示出)中，第二加热板的宽度可以与衬底110的宽度相同。
该装置可以以第一模式(图8)操作，用于直接加热太阳能电池板衬底110的中心而不加热边缘110e，并且该装置可以以第二模式(图9)操作，用于直接加热太阳能电池板衬底110的中心和边缘110e。
图10是通过连续地驱动第一加热板238至升高位置和降低位置而实现的温度分布的曲线图。曲线1004示出用于晶种层的期望温度分布。在开始加热之后约750秒，边缘110e具有用于形成晶种层152的130℃的温度，并且衬底的中心(内部)具有用于形成主要前接触TCO151的约165℃的温度。在约1500秒的时间点处，边缘110e处的温度增加至约与太阳能电池板衬底110的内部相同的温度，使得具有较大晶粒尺寸(具有较低电阻)的块状TCO的边缘层251e形成在晶种层252之上。
图11是根据一些实施例使用图8和图9的装置制造图7的太阳能电池板的方法的流程图。
在步骤1102中，清洁衬底。在一些实施例中，通过在洗刷工具或超声波清洁工具中使用清洁剂或化学物质清洁衬底110。
在步骤1104中，然后通过溅射、原子层沉积(ALD)、化学汽相沉积(CVD)或其他合适技术，在衬底110上形成背电极层120。
在步骤1106中，接下来在底部电极层120中形成P1图案化划线(未示出)，以露出所示的衬底110的顶面。可以使用任何合适划线方法，诸如但不限于通过划针的机械划线或者激光划线。
在步骤1108中，接下来在底部电极层120的顶部上形成p型掺杂半导体光吸收层130。吸收层130材料还填充P1划线，并且与衬底110的露出顶面接触，以将层130互连至衬底。由CIGS所形成的吸收层130可以通过任何合适真空或非真空工艺形成。这样的工艺包括但不限于硒化、硒化后硫化(“SAS”)、蒸发、溅射、电沉积、化学汽相沉积或喷墨等。
在步骤1110中，然后，在吸收层130上形成例如可以为CdS的n型缓冲层140，以制造电活性n-p结。可以通过用于使用包含硫的电解质溶液形成这样的层的电解质化学浴沉积(CBD)工艺来形成缓冲层140。
在步骤1112中，接下来穿过吸收层130切割P2划线(未示出)，以露出开口划线或沟道内的底部电极120的顶面。可以使用任何合适方法切割P2划线，包括但不限于机械(例如，刻针)或激光划线。随后从顶部电极层150以导电材料填充P2划线，以将顶部电极互连至底部电极层120。
在步骤1114中，在衬底位于第一加热板上的同时，控制器241使致动器240将宽度尺寸小于衬底110的第一加热板238升高。
在步骤1116中，在使用宽度尺寸小于太阳能电池衬底110的加热板38加热衬底110的中心部分的同时，在缓冲层上方施加透明导电材料。在不对太阳能电池板衬底110的外边缘110e直接施加热的情况下，加热衬底110的中心部分。衬底110的中心部分被加热至约150℃至约200℃的范围内，同时外边缘在约100℃至约140℃的温度范围内。供应工艺气体，并且由于温差，在衬底的内部和边缘上形成具有相应的不同晶粒结构的薄膜。结果，同时在缓冲层上施加透明导电材料和晶种层材料。
在步骤1118中，降低第一加热板238，直到第一加热板238的顶面与第二加热板237的顶面在衬底的边缘110e下面平齐为止。从此以后，通过第一加热板238和第二加热板237分别加热衬底110的中心部分和衬底的边缘110e。
在步骤1120中，在同时用第一加热板238加热衬底110的中心并且以第二加热板237加热衬底的边缘110e的同时，施加附加工艺气体(TCO材料)。
因此，顶部电极150被配置成将所收集的电荷传送到外部电路。也以TCO材料至少部分地填充P2划线，以在太阳能电池板100内的一个太阳能电池的顶部电极层150和邻近太阳能电池的底部电极120之间形成电连接，从而产生电子流动路径。
在步骤1122中，在形成上述TCO晶种层152和顶部电极层151之后，形成P3划线(未示出)。P3划线延伸穿过(从顶部到底部)TCO顶部电极层150、缓冲层140、吸收层130以及底部电极层120，向下到达衬底110的顶部。
在步骤1124中，施加乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和丁基的混合物，以密封太阳能电池板100。在一些实施例中，将EVA和丁基密封剂直接施加至顶部电极层150。EVA/丁基用作合适的透光密封剂。
在步骤1126中，施加热和压力，以将EVA/丁基膜层压至前接触层150。
在步骤1128中，可以执行附加的后道工序工艺。这可以包括将顶部保护玻璃层压到太阳能电池结构上，以保护顶部电极层150。
在步骤1130中，然后可以完成合适进一步后道工序工艺，其可以包括在顶部电极150之上形成前导电栅格接触件以及一个或多个抗反射涂层(未示出)。栅格接触件穿过和超出任何抗反射涂层的顶面向上突出，用于到外部电路的连接。太阳能电池制造工艺制造完美和完整的薄膜太阳能电池模块100。
图12A和图12B是示出晶种层152的微结构的扫描电子显微镜(SEM)图像，并且图12C和图12D是示出较高温度形成的块状TCO层151的微结构的SEM图像。与在较高沉积温度下所形成的TCO块状层151(图12C、图12D)相比，与改进的TCO顶部电极层150的粘附特性相关联的晶种层152(图12A、图12B)多晶结构的较小晶粒尺寸是明显的。图13示出TCO晶种层材料和块状顶部电极材料的X射线衍射(XRD)分析。图13是反射强度与XRD分析的检测器角度的曲线图，其示出与角度为约32度的块状TCO层材料相比，TCO晶种层多晶结构具有约34.4度的不同定向角度的晶体，从而进一步确认晶种层材料的不同晶体取向和晶粒结构。通过根据本发明使用的较低CVD沉积温度，实现TCO晶种层材料的不同结构和粘附特性。
在此描述的一些实施例在同一工艺中形成TCO晶种层和主要TCO接触层，而不在工具之间传送太阳能电池板衬底，并且不会破坏真空。消除了传送延迟，并且可以缩短处理时间。通过在边缘处而不在衬底的内部提供TCO晶种层，减少或者避免剥离，而不降低Rs。
在一些实施例中，太阳能电池板包括背接触层、背接触层上方的吸收层、吸收层上方的缓冲层、以及缓冲层上方的包括透明导电材料的前接触层。前接触层具有多个外边缘和包括沿着外边缘的晶种层材料的晶种层。
在一些实施例中，一种制造太阳能电池板的方法包括：形成背接触层；在被接触层上方形成吸收层；在吸收层上方形成缓冲层；以及在缓冲层上方形成包括透明导电材料的前接触层，前接触层具有多个外边缘和包括沿着外边缘的晶种层材料的晶种层。
在一些实施例中，一种装置包括：室，具有用于供应工艺气体的一个或多个开口，工艺气体用于在具有中心和多个边缘的太阳能电池板衬底上方形成透明导电层。第一加热板位于室内。第一加热板具有小于太阳能电池板衬底的宽度的宽度并且适于位于太阳能电池板衬底的中心下面。第二加热板邻近第一加热板，被定位在边缘下面，使得第一加热板和第二加热板一起位于太阳能电池板衬底的中心和边缘下面。该装置可以以第一模式操作，用于直接加热太阳能电池板衬底的中心而不直接加热边缘。该装置可以以第二模式操作，用于直接加热太阳能电池板衬底的中心和边缘。
以上概述了多个实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该想到，它们可以容易地使用本发明作为基础，来设计或修改用于实现与在此介绍的实施例相同的目的和/或实现相同的优点的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该认识到，这样的等同构造不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此他们可以作出多种改变、替换和更改。

Claims (20)

1.一种太阳能电池板，包括：
背接触层；
吸收层，位于所述背接触层上方；
缓冲层，位于所述吸收层上方，以及
前接触层，包括所述缓冲层上方的透明导电材料，所述前接触层具有多个外边缘和包括沿着所述外边缘并直接位于所述缓冲层上方的晶种层材料的晶种层，其中，所述晶种层围绕并接触所述透明导电材料。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中：
所述透明导电材料和所述晶种层材料具有相同的化学成分；以及
所述透明导电材料和所述晶种层材料具有不同的微结构。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池板，其中：
所述晶种层材料具有比所述透明导电材料更小的晶粒尺寸。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中，所述晶种层的厚度小于所述透明导电材料的厚度。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中，所述透明导电材料具有第一厚度，所述晶种层具有第二厚度，并且所述第一厚度与所述第二厚度的比率在2:1至30:1的范围内。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中，所述透明导电材料具有第一宽度，所述晶种层材料在所述外边缘处具有第二宽度，并且所述第一宽度与所述第二宽度的比率在6:1到17:1的范围内。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中，所述晶种层材料的晶体取向不同于所述透明导电材料的晶体取向。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池板，其中，所述前接触层还包括所述晶种层上方的所述透明导电材料的边缘层。
9.一种制造太阳能电池板的方法，包括：
形成背接触层；
在所述背接触层上方形成吸收层；
在所述吸收层上方形成缓冲层，以及
在所述缓冲层上方形成包括透明导电材料的前接触层，所述前接触层具有多个外边缘和包括沿着所述外边缘的晶种层材料的晶种层，
其中，所述晶种层围绕并接触所述透明导电材料，所述晶种层直接位于所述缓冲层上方。
10.根据权利要求9所述的制造太阳能电池板的方法，其中，形成步骤包括：在所述缓冲层上同时施加所述透明导电材料和所述晶种层材料。
11.根据权利要求10所述的制造太阳能电池板的方法，其中，所述背接触层形成在衬底之上，并且形成所述前接触层的步骤包括：在不对所述太阳能电池板的所述外边缘直接施加热的情况下，加热所述衬底的中心部分。
12.根据权利要求10所述的制造太阳能电池板的方法，其中，形成所述前接触层的步骤包括：将衬底的中心部分加热至150℃至200℃的范围内，而所述外边缘在100℃至140℃的温度范围内。
13.根据权利要求10所述的制造太阳能电池板的方法，其中，形成所述前接触层的步骤包括：使用宽度尺寸小于太阳能电池衬底的加热板来加热衬底的中心部分。
14.根据权利要求13所述的制造太阳能电池板的方法，其中，所述背接触层形成在所述衬底之上，并且形成所述前接触层的步骤还包括：
在使用宽度尺寸小于所述衬底的加热板之后，加热所述衬底的所述中心部分和所述衬底的边缘。
15.根据权利要求9所述的制造太阳能电池板的方法，其中，所述背接触层形成在衬底之上，并且形成所述前接触层的步骤包括：
在所述衬底位于第一加热板上的同时，升高宽度尺寸小于所述衬底的所述第一加热板；
在加热所述衬底的中心部分的同时，在所述缓冲层上方施加所述透明导电材料；
降低所述第一加热板，直到所述第一加热板的顶面与所述衬底的边缘下面的第二加热板的顶面齐平；以及
在同时用所述第一加热板加热所述衬底的中心并且用所述第二加热板加热所述衬底的边缘的同时，施加附加的透明导电材料。
16.一种用于制造太阳能电池板的装置，包括：
室，具有用于供应工艺气体的一个或多个开口，所述工艺气体用于在具有中心和多个边缘的太阳能电池板衬底的上方形成透明导电层，所述透明导电层包括位于所述中心的透明导电材料和位于所述边缘的晶种层，其中所述晶种层围绕并接触所述透明导电材料；
第一加热板，位于所述室内，所述第一加热板的宽度小于所述太阳能电池板衬底的宽度并且所述第一加热板位于所述太阳能电池板衬底的中心下面；以及
第二加热板，邻近所述第一加热板，被定位在所述边缘下面，使得所述第一加热板和所述第二加热板一起位于所述太阳能电池板衬底的所述中心和所述边缘下面，
其中，所述装置可以以直接加热所述太阳能电池板衬底的中心而不直接加热所述边缘的第一模式操作，并且所述装置可以以直接加热所述太阳能电池板衬底的中心和边缘的第二模式操作。
17.根据权利要求16所述的用于制造太阳能电池板的装置，还包括：致动器，被配置成使由所述第一加热板和所述第二加热板所组成的组中的一个加热板相对于由所述第一加热板和所述第二加热板所组成的组中的另一个加热板升高或降低。
18.根据权利要求17所述的用于制造太阳能电池板的装置，还包括：控制器，被配置成控制所述致动器：
在所述衬底位于所述第一加热板上的同时，升高所述第一加热板；以及
降低所述第一加热板，直到所述第一加热板的顶面与所述第二加热板的顶面齐平。
19.根据权利要求17所述的用于制造太阳能电池板的装置，还包括：控制器，被配置成控制所述致动器：
在所述衬底位于所述第一加热板上的同时，升高所述第一加热板；
在供应用于形成所述透明导电材料的所述工艺气体的同时，加热所述第一加热板；
降低所述第一加热板，直到所述第一加热板的顶面与所述第二加热板的顶面齐平；以及
在供应用于形成所述透明导电材料的所述工艺气体的同时，同时用所述第一加热板加热所述衬底的中心，并且用所述第二加热板加热所述衬底的边缘。
20.根据权利要求16所述的用于制造太阳能电池板的装置，其中，所述第一加热板具有第一宽度，所述第二加热板具有从其内边缘延伸到其外边缘的第二宽度，并且所述第一宽度与所述第二宽度的比率在6:1到17:1的范围内。
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