CN111509087B - 薄膜电池的制备方法及薄膜电池 - Google Patents
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Abstract
公开了一种薄膜电池的制备方法及薄膜电池，方法包括干式蚀刻硅晶片形成多个微电池图案阵列，局部化硼掺杂和磷掺杂所述微电池图案阵列，转移层无间隙接触所述微电池阵列以从硅晶片分离所述微电池阵列，转移层将微电池阵列转移到聚酰胺层，然后剥离所述转移层，在聚酰胺层上喷墨印刷高度与微电池高度一致的导电层使得所述导电层邻接所述微电池阵列且形成电互联，层压形成柔性背板，在导电层上以微电池为中心套准印刷预定间距和预定高度的支承层，在微电池和两侧的支承层上间隙涂布透明的硅树脂粘合剂，球形透镜经由所述硅树脂粘合剂相对于微电池对准固定，涂布甲基丙烯酸甲酯层以覆盖所述球形透镜、支承层和导电层。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜电池设备技术领域，特别是一种薄膜电池的制备方法及薄膜电池。
背景技术
本申请是申请号201811361755.9，发明名称为薄膜电池的制备方法及薄膜电池的分案申请，其母案公开的内容全部引入。
传统晶体硅太阳电池由硅组成，电池主要部分易碎，易产生隐形裂纹，大多有一层钢化玻璃作为防护，造成重量大，携带不便，抗震能力差，造价高，效率或多或少降低，薄膜电池克服了上述缺点，其主要优点在于质量小、厚度极薄、可弯曲。
现有技术中，薄膜阳电池的光电转化效率并没有传统晶体硅电池转化效率高，其光致衰减性大，薄膜材料的生长机制决定薄膜太阳电池易潮解，因此，提高转化效率，避免光致衰减以及潮解存在着强烈的发展需求。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种薄膜电池的制备方法及薄膜电池，本发明的制备方法能够提高制备效率且降低材料成本，能够避免转移过程中的变形导致的精度误差，避免了薄膜电池的性能退化，显著提高了光和微电池的对准精度，能够最优化地将太阳光聚集在微电池上，避免光致衰减，提高了总体转化效率。本发明制备方法加工的薄膜电池的性能和精度得到了显著提升且降低了加工成本。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种薄膜电池的制备方法包括如下步骤：
干式蚀刻硅晶片形成多个微电池图案阵列，局部化硼掺杂和磷掺杂所述微电池图案阵列，光刻所述硅晶片以形成多个预定长度和宽度的微电池阵列，钝化微电池侧壁以及各向异性蚀刻微电池侧壁和底部使得微电池的厚度小于预定厚度，
转移层无间隙接触所述微电池阵列以从硅晶片分离所述微电池阵列，转移层将微电池阵列转移到聚酰胺层，然后剥离所述转移层，其中，所述转移层包括接触所述微电池阵列的聚二甲基硅氧烷膜和玻璃纤维膜，所述聚酰胺层经由含有银颗粒的粘合层固定所述微电池阵列，
在聚酰胺层上喷墨印刷高度与微电池高度一致的导电层使得所述导电层邻接所述微电池阵列且形成电互联，层压形成柔性背板，丝网印刷金属线于柔性背板上，然后在柔性背板上沉积图案化电介质层，聚酰胺层设置在在所述柔性背板上，其中，导电层具有用于制造电连接的接触垫，其被设在微电池阵列的单侧，微电池和导电层形成具有一个具备平坦的几何形态的暴露表面的表面结构，
在导电层上以微电池为中心套准印刷预定间距和预定高度的支承层，在微电池和两侧的支承层上间隙涂布透明的硅树脂粘合剂，球形透镜经由所述硅树脂粘合剂相对于微电池对准固定，涂布甲基丙烯酸甲酯层以覆盖所述球形透镜、支承层和导电层。
在所述的方法中，经由粘合层将柔性背板真空层压到壳体的刚性下表面，在壳体的刚性上表面模制与所述球形透镜对准的微透镜阵列，使得微透镜阵列、球形透镜和微电池阵列相互对准。
在所述的方法中，所述预定厚度为6-8微米，所述预定间距为微电池的宽度的1-2倍，所述预定高度与所述球形透镜的焦距正相关。
在所述的方法中，刚性下表面设有与柔性背板导电连接的连接端子和用于散热的散热单元。
在所述的方法中，导电层和微电池阵列部分层叠。
在所述的方法中，微透镜阵列、球形透镜和微电池阵列之间的间隔使得太阳光穿透微透镜阵列分别聚焦在对应的球形透镜上，来自球形透镜的太阳光分别聚焦在对应的微电池上。
在所述的方法中，导电层电连接所述柔性背板，导电层包括多个导电电极，导电电极连接微电池以形成互联导电网络。
在所述的方法中，在第一和第二覆铜层压件之间热辊层压印刷布线板形成柔性背板。
在所述的方法中，所述微透镜阵列为柱状微透镜阵列。
根据本发明的另一方面，一种薄膜电池通过所述的方法制备。
本发明的有益效果
本发明制备方法中，光刻所述硅晶片以形成多个预定长度和宽度的微电池阵列，钝化微电池侧壁以及各向异性蚀刻微电池侧壁和底部使得微电池的厚度小于预定厚度能够提高微电池尺寸精度且不降低微电池的光电转换效率，转移层无间隙接触所述微电池阵列以从硅晶片分离所述微电池阵列，转移层将微电池阵列转移到聚酰胺层，然后剥离所述转移层，通过转印实现了高效率制备且低材料成本形成微电池阵列，避免了现有技术中容易破裂的风险，接触所述微电池阵列的聚二甲基硅氧烷膜能够以高保真度转印和玻璃纤维膜能够避免转移过程中的变形导致的精度误差，在聚酰胺层上喷墨印刷高度与微电池高度一致的导电层使得所述导电层邻接所述微电池阵列且形成电互联，高度一致避免了薄膜电池的性能退化，在导电层上以微电池为中心套准印刷预定间距和预定高度的支承层，在微电池和两侧的支承层上间隙涂布透明的硅树脂粘合剂，球形透镜经由所述硅树脂粘合剂相对于微电池对准固定，这显著提高了太阳光和微电池的对准精度，能够最优化地将太阳光聚集在微电池上，避免光致衰减，提高了总体转化效率。本发明制备方法加工的薄膜电池的性能和精度得到了显著提升且降低了加工成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的薄膜电池的制备方法的步骤示意图。
图2是根据本发明一个实施例的薄膜电池的制备方法制备的薄膜电池的部分单元示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1为根据本发明一个实施例的薄膜电池的制备方法的步骤示意图，如图1所示，一种薄膜电池的制备方法包括如下步骤：
一种薄膜电池的制备方法包括如下步骤：
干式蚀刻硅晶片形成多个微电池图案阵列，局部化硼掺杂和磷掺杂所述微电池图案阵列，光刻所述硅晶片以形成多个预定长度和宽度的微电池阵列1，钝化微电池侧壁以及各向异性蚀刻微电池侧壁和底部使得微电池的厚度小于预定厚度，
转移层无间隙接触所述微电池阵列1以从硅晶片分离所述微电池阵列1，转移层将微电池阵列1转移到聚酰胺层2，然后剥离所述转移层，其中，所述转移层包括接触所述微电池阵列1的聚二甲基硅氧烷膜和玻璃纤维膜，所述聚酰胺层2经由含有银颗粒的粘合层固定所述微电池阵列1，
在聚酰胺层2上喷墨印刷高度与微电池高度一致的导电层3使得所述导电层3邻接所述微电池阵列1且形成电互联，层压形成柔性背板4，丝网印刷金属线于柔性背板4上，然后在柔性背板4上沉积图案化电介质层，聚酰胺层2设置在在所述柔性背板4上，其中，导电层3具有用于制造电连接的接触垫，其被设在微电池阵列的单侧，微电池和导电层3形成具有一个具备平坦的几何形态的暴露表面的表面结构，
在导电层3上以微电池为中心套准印刷预定间距和预定高度的支承层5，在微电池和两侧的支承层5上间隙涂布透明的硅树脂粘合剂，球形透镜6经由所述硅树脂粘合剂相对于微电池对准固定，涂布甲基丙烯酸甲酯层以覆盖所述球形透镜6、支承层5和导电层3。参见图2。
在所述的方法中，经由粘合层将柔性背板4真空层压到壳体的刚性下表面，在壳体的刚性上表面模制与所述球形透镜6对准的微透镜阵列，使得微透镜阵列、球形透镜6和微电池阵列1相互对准。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，薄膜电池将阳光直接转换成电的转换。目前，由于晶体硅材料的相对低效的使用，薄膜电池具有高材料成本。在现有技术中，晶体硅被锯成晶片，这些晶片继而被处理成电池，并被焊在一起以构成最终模块。典型的多晶效率是大约15％且电池是刚性的和重量大。干式蚀刻硅晶片形成多个微电池图案阵列，局部化硼掺杂和磷掺杂所述微电池图案阵列。在一个实施例中，本发明的转移层无间隙接触所述微电池阵列1以从硅晶片分离所述微电池阵列1，转移层将微电池阵列1转移到聚酰胺层2，然后剥离所述转移层以达到低重量和柔性的能力，实现兼具高效率和低材料成本的轻质柔性薄膜电池。
在一个实施例中，转移层接触印刷处理，其避免了现有技术中转移相对大片的硅而形成的破裂和缺陷。本发明的转移层接触印刷处理还降低了薄膜电池组装成本，因为数千个微电池可以被平行地转移印刷。
在一个实施例中，微电池阵列1厚度对电池性能的首要影响是对所聚集的电流的影响，对于更薄的电池，吸收更少的光子，因而产生更小的电流。在本发明的某些实施方案中将要求硅厚度在大约6-8微米，以达到所需的效率。
在一个实施例中，转移处理包括将微电池阵列1从硅晶片揭到转移层上，然后是这些元件从转移层表面转移到聚酰胺层2。通过适当地设计底切蚀刻和将这些元件从它们的聚酰胺层2揭去，有可能以高产率执行揭去步骤。转移是通过聚酰胺层2和微电池阵列1之间强粘附层来实现的。在这两种情形下，聚酰胺层2和微电池阵列1之间的接触面积必须足够大，以实现有效的转移。聚酰胺层2和微电池阵列1之间的表面足够光滑以实现大接触面积。
在一个实施例中，用于转移层的安装夹具以亚微米精度移动，通过传感器测量作用力和位移，基于视觉测量以高精度对准，在一个实施例中，该对准是用显微镜和CCD相机实现的，CCD相机允许转移层表面上的校准标记被校正到硅晶片和聚酰胺层2。其精度为十分之一微米级。
在一个实施例中，所述预定厚度为6-8微米，所述预定间距为微电池的宽度的1-2倍，所述预定高度与所述球形透镜6的焦距正相关。
在一个实施例中，刚性下表面设有与柔性背板4导电连接的连接端子和用于散热的散热单元。
在一个实施例中，在聚酰胺层2上喷墨印刷高度与微电池高度一致的导电层3使得所述导电层3邻接所述微电池阵列1且形成电互联，本发明最小化或完全避免了微电池电互联的电子性能的退化，微电池和导电层3形成具有一个具备平坦的几何形态的暴露表面的表面结构。在一个实施例中，具有平坦的几何形态的暴露表面可以借助于光学刻蚀和沉积技术以电互联。暴露表面上的所有点都在同一个平面上。
在一个实施例中，相邻的微电池之间的空隙被导电层3或聚酰胺层2填充。
在一个实施例中，将微电池直接集成聚酰胺层2的预先设置的凹槽中。
在一个实施例中，微电池阵列1设在聚酰胺层2的接收表面上的聚合物层。聚合物层被聚酰胺层2支撑以使微电池阵列1被嵌入或植入聚合物层。聚合物层包含能够物理移位或重整以容纳微电池阵列1的材料，诸如低粘性流体。可选地，本发明的聚合物层在接收可印刷半导体元件之后能够发生化学或物理转化，以硬化、凝固、或发生相变或粘性变化，以使得所嵌入的微电池阵列1保持到位。在一个实施例中，本发明的聚合物层可以包含多种材料，聚合物层优选地包含一种或多种低粘性材料，其能够进行物理移位或重整以容纳和镶嵌微电池阵列1。例如，在一个实施例中，聚合物层包含具有选自200至500厘泊范围的粘性的材料。
在一个实施例中，微透镜阵列、球形透镜6和微电池阵列1之间的间隔使得太阳光穿透微透镜阵列分别聚焦在对应的球形透镜6上，来自球形透镜6的太阳光分别聚焦在对应的微电池上。
在一个实施例中，微电池阵列1被表面安装到柔性背板4上，该柔性背板4被层压到壳体的刚性下表面，将其用微透镜阵列和防水膜封闭。
在一个实施例中，微电池阵列1可以被转移层微转印到聚酰胺层2表面上；沉积在聚酰胺层2表面上的导电层3电互连建立到微电池的电连接。
在一个实施例中，导电结构在导电层3互连与位于聚酰胺层2下表面上的金属固定件之间建立电连接；支承层5提供对球形透镜6进行对准和支承。
在一个实施例中，柔性背板4包括印刷布线板，其可由被夹在第一和第二覆铜层压件之间的纤维加强预浸渍玻璃纤维复合电介质层组成。在向金属线表面上沉积电介质层并将其图案化，丝网印刷电介质层。
柔性背板4的背面内通过粘合剂层压在壳体的刚性下表面，粘合剂包括双组分环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸或硅树脂基粘合剂。
在一个实施例中，平压印刷机的真空层压或用热辊层压实现背板的层压。
在一个实施例中，使用液体沉积方法将透明硅树脂粘合剂分配到微电池阵列1的上表面上，球形透镜6的最后位置由支承层5的位置限定，确保球形透镜6到每个微电池的非常准确的对准。光学透明粘合剂部分地或完全固化。
在一个实施例中，导电层3对微电池进行电互联。导电层3可以被有效地图案化在大面积上，允许了在经由转移印刷的微电池阵列1放置准确度方面有较大容限。这个处理和设计优点导致放宽了与微电池阵列1的基于转移印刷的处理约束和器件几何形态容限。例如，导电电极和微电池阵列1的使用显著放宽了通过转移印刷的微电池阵列1的校准和定位方面的设计和放置约束。另外，导电电极的使用允许了大量微电池有效地电互联。
在一个实施例中，提供了一个或多个电极或电互联结构。
在一个实施例中，导电层3具有用于制造电连接的接触垫，其被设在微电池阵列1的单侧。
在一个实施例中，薄膜电池被组装在诸如透镜、透镜阵列、波导或波导阵列的曲面上。
在一个实施例中，导电层3和微电池阵列1部分层叠。
在一个实施例中，导电层3电连接所述柔性背板4，导电层3包括多个导电电极，导电电极连接微电池以形成互联导电网络。
在一个实施例中，在第一和第二覆铜层压件之间热辊层压印刷布线板形成柔性背板4。
在一个实施例中，所述微透镜阵列为柱状微透镜阵列。
根据本发明的另一方面，薄膜电池经所述的方法制备。
工业实用性
本发明的薄膜电池制备方法及其薄膜电池可以在存储设备领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (6)
1.一种薄膜电池的制备方法，其包括如下步骤：
干式蚀刻硅晶片形成多个微电池图案阵列，局部化硼掺杂和磷掺杂所述微电池图案阵列，光刻所述硅晶片以形成多个预定长度和宽度的微电池阵列，钝化微电池侧壁以及各向异性蚀刻微电池侧壁和底部使得微电池的厚度小于预定厚度，
转移层无间隙接触所述微电池阵列以从硅晶片分离所述微电池阵列，转移层将微电池阵列转移到聚酰胺层，然后剥离所述转移层，其中，所述转移层包括接触所述微电池阵列的聚二甲基硅氧烷膜和玻璃纤维膜，所述聚酰胺层经由含有银颗粒的粘合层固定所述微电池阵列，通过设计底切蚀刻将这些元件从聚酰胺层揭去；
在聚酰胺层上喷墨印刷高度与微电池高度一致的导电层使得所述导电层邻接所述微电池阵列且形成电互联，相邻的微电池之间的空隙被导电层填充，层压形成柔性背板，丝网印刷金属线于柔性背板上，然后在柔性背板上沉积图案化电介质层，聚酰胺层设置在所述柔性背板上，其中，导电层具有用于制造电连接的接触垫，其被设在微电池阵列的单侧，微电池和导电层形成具有一个具备平坦的几何形态的暴露表面的表面结构，
在导电层上以微电池为中心套准印刷预定间距和预定高度的支承层，在微电池和两侧的支承层上间隙涂布透明的硅树脂粘合剂，球形透镜经由所述硅树脂粘合剂相对于微电池对准固定，涂布甲基丙烯酸甲酯层以覆盖所述球形透镜、支承层和导电层，经由粘合剂层将柔性背板真空层压到壳体的刚性下表面，在壳体的刚性上表面模制与所述球形透镜对准的微透镜阵列，使得微透镜阵列、球形透镜和微电池阵列相互对准，微透镜阵列、球形透镜和微电池阵列之间的间隔使得太阳光穿透微透镜阵列分别聚焦在对应的球形透镜上，来自球形透镜的太阳光分别聚焦在对应的微电池上，所述预定厚度为6-8微米，所述预定间距为微电池的宽度的1-2倍，所述预定高度与所述球形透镜的焦距正相关，粘合剂选自双组分环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸或硅树脂基粘合剂，具有平坦的几何形态的暴露表面可以借助于光学刻蚀和沉积技术以电互联，暴露表面上的所有点都在同一个平面上，使用液体沉积方法将透明硅树脂粘合剂分配到微电池阵列的上表面上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，刚性下表面设有与柔性背板导电连接的连接端子和用于散热的散热单元。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，导电层电连接所述柔性背板，导电层包括多个导电电极，导电电极连接微电池以形成互联导电网络。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一和第二覆铜层压件之间热辊层压印刷布线板形成柔性背板。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微透镜阵列为柱状微透镜阵列。
6.一种薄膜电池，其特征在于，所述薄膜电池通过权利要求1-5 中任一项所述的方法制备。
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