CN1346517A - 衬底薄膜烧蚀方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于去除衬底材料上的薄膜层、更具体地说,是用于去除薄膜太阳能电池的阻挡层的装置和方法。本发明目的在于提供一种经济性的手段,以去除宽度达几毫米的条带而不损坏在被去除膜层下面的薄膜太阳能电池的衬底。为此目的,需要由激光器和光学系统组成的激光加工装置。光学系统将激光器产生的、光功率分布基本均匀的加工光束投影在待加工表面的1mm²至1cm²的区域上。能够以小于100ns的脉宽以及0.1J/cm²至10J/cm²脉冲能量密度的加工光束将薄膜层从衬底上有效地去除。

Description

衬底薄膜烧蚀方法及其设备

本发明涉及一种例如在对层叠陶瓷或层叠玻璃进行脱层时的衬底薄膜烧蚀方法及其设备。更具体地说，本发明涉及薄膜太阳能电池的表面层烧蚀过程。此外，本发明还涉及一种对包括薄膜叠片衬底的薄膜太阳能模块进行封装的方法。

传统的结晶硅太阳能模块是基于晶片制造然后进行电布线的，因此作为一条规则，需要相对较小的约1W硅片的功率单元来接入50-100W的模块。

薄膜太阳能电池作为这些传统太阳能模块的变换例，已知其具有微米厚度。薄膜太阳能电池的基本单元示于图2，它在吸收层与窗口层之间具有p/n结。

与传统的硅片布线不同，薄膜电池可被集成到电路中，即：在对整个表面上分别进行涂覆步骤之后，将a)背电极、b)夹在当中的电池以及c)正面电极分割为纵向条。交错排列这些互相相关的片形成邻近正面电极和背电极的各电池之间的电连接。例如分割可以通过进行划片或激光分割而实现，以制造在大约0.5×0.5m²区域上施加12V电压的性价比好的标准太阳能组件。

这种太阳能模块的使用寿命实质上取决于保护薄膜层免受气候和环境破坏程度。实现30年或更长的寿命要求薄膜层承受阳光极度曝晒、极度潮湿以及极度空气污染。当薄膜太阳能电池被充分封装并且载流部件被充分电隔离时，仅可以满足对潮湿稳定性和电压强度的要求。为此，薄膜太阳能电池的载流部件被分层封装。进行封装的过程是，利用载流薄膜层涂覆衬底后，对衬底的表面部分进行脱层，然后将叠片淀积到整个薄膜层上。通过可靠防止其内部被受潮破坏，这样就可以使表面接合的叠片和衬底防腐。

为了使该问题更清楚，图1示出封装太阳能电池剖面的图解说明，示出了淀积在衬底4上的构图后的膜层3如何在表面区域5内被分层并被叠片层2封装。淀积在叠片层2上的是窗口玻璃层1。

在薄膜太阳能电池封装过程中存在的一个问题是对薄膜表面层进行脱层。传统脱层方法(例如吹砂过程和研磨过程进行脱层的过程)还会不可避免地破坏衬底表面并在其内产生细微裂纹。一旦在操作过程中在薄膜组件上产生大的温差并产生应力，就增加了因为表面上产生裂纹而破裂以致最终破坏太阳能电池的危险。因此，在通常只有几毫米至几厘米宽的表面内，对表面进行脱层时应特别小心。

利用烧蚀的化学方法制造加工太阳能电池从原理上是已知的，可是，此方法具有加工周期长的缺点，并且涉及复杂的加工步骤。

由于这些方法允许精确限定材料的烧蚀，因此可以由诸如研磨或吹砂的机械方法接连不断地移开所述的表面区域。除了如所描述的那样损坏衬底表面并形成细微裂纹外，这些方法还有其它缺点，即由于烧蚀膜层的缕丝会对组件产生不应有的污染，通常需要随后将工件放入超声池对其进行化学清洗。

而且已知，当将薄膜太阳能组件集成为电路，用激光束进行上述步骤，以用于将所得到的各分立条进行串行互连。

例如已知的第4,734,550美国专利涉及一种采用激光加工薄膜层的方法，例举的一种特殊应用是对薄膜技术生成的光电薄膜层进行加工。此加工方法的目的在于，通过将加工光束导向各个工件表面实现对薄膜层的刻蚀，使得此时施加的光功率分布尽可能保持均匀一致。具有平均光强分布的、正交聚焦的光束可以实现此目标。另外再调整被控光束的方向，使得正交聚焦光束的重叠部分产生尽可能均匀的光强分布。此方法据称可进行准确的、甚至深度的刻蚀以串联连接太阳能电池。

用于串联连接太阳能电池的所有方法的目的在于，获得一条使太阳能组件的电功率衰退最小、宽度尽可能窄的条带。例如，在第4,734,550号美国专利中，例举的条带宽度具有50微米的量级。

此外，在Nakano，S.等人的“Laser Patterning Method for IntegratedType a-Si Solar Cell Submodules”，见“日本应用物理期刊”Vol.25，No.12,1986，第1936-1943页中，例举了用以加工太阳能组件获得串联接通的激光束的最佳功率密度。此种情况下，例举了适合50μm条带宽度的功率密度具有1×10⁶W/cm²量级。

如上所述，由于串联接通的脱层方法是以得到最小条带宽度为目的，它们不适用于太阳能组件的表面脱层。因为在此应用中需要对几毫米宽的表面条带进行脱层。这就是为什么尽管机械方法具有上述缺点，仍经常用于表面脱层的原因所在。

因此，本发明的目的在于提供一种太阳能电池薄膜烧蚀的装置和方法，可使条带的性价比高地烧蚀达几毫米宽而不破坏位于烧蚀层下面的衬底。

此目的可以由具有所附权利要求1至11特征的装置、以及具有所附权利要求12至22特征的方法予以实现。

此外，能够便利地将根据本发明的装置用于如所附权利要求23的封装薄膜太阳能组件的方法中。

对照迄今的已知应用，激光烧蚀也令人意想不到地被用于毫米量级的烧蚀宽度。与串联连接太阳能电池的方法比较，通过使用合适的光学系统，激光束加工的表面区域在大约1mm²到1cm²的范围内得到扩展(即，高出几个量级)。结果令人吃惊地表明，即使将加工光束扩展到此程度，当产生的脉冲加工光束的光脉冲间隔小于100ns并且脉冲能量密度为0.1J/cm²至10J/cm²时，对衬底进行薄膜脱层仍然是相当可行的。对于这种扩展加工光束，已假设其辐射能量不再能被完全吸收。即，对用于串联接通的各种条带宽度的烧蚀过程仍然缺乏充分的解释。也许光脉冲在薄膜的最高几微米处产生等离子体，等离子体膨胀引发激波。因此，加热的材料会受到高的内部压强作用，使得等离子体粒子从被照射区域喷射出去。在这方面，不能预期当将加工光束扩展几个量级并且在适当范围内选取其余表面参数时，仍能获得更大的、同样好的效果。此外，关键在于加工光束的功率分布基本上应该形成均匀分布。尽管通常假设加工光束具有高斯功率分布，本发明指出需要构造光学系统，使得在被加工的表面区域的宽范围内形成均匀光功率分布。否则，以根据本发明的扩展加工光束将可能产生不令人满意的烧蚀结果。

为了获得根据本发明烧蚀结果，在本发明中还发现，需要将加工光束相对于工件移动，以使待烧蚀的工件表面区域各个单元接收到基本上相等的能量。

使用根据本发明的装置，目前特别是能够高性价比地对包括涂覆以薄膜层的衬底的薄膜太阳能组件进行封装。在此布置中，对衬底的整个表面区域首先相应地涂覆几微米的薄膜层。然后，使用根据本发明的装置，第一步进行衬底的有效表面脱层。在此布置中，向第一定位器发送信号，通过往复移动加工光束对略微覆盖膜条的衬底进行烧蚀。加工光束的横截面宽度通常还要小于实际被烧蚀区域的宽度，以致在信号传输中第一定位器控制表面膜层被有效烧蚀几厘米宽。除了往复移动加工光束，使用并行的准转动移动也能够对轻微重叠的薄膜层条进行烧蚀。在涉及矩形或方形薄膜太阳能组件处，例如，在加工光束的横截面宽度内，加工光束可以每一次以一个圆环烧蚀一个薄膜层条。以此方法，不需要进行速度突变的第一定位器，就能够对较大区域进行脱层。

在薄膜太阳能电池的衬底包括对加工光束的激光透明的材料情况下，已经发现不仅在薄膜层边进行脱层是可能的、而且在衬底边进行脱层也具有特殊优势，因此允许衬底被更小心地脱层。为此目的，需要提供具有合适保险装置的特殊工具台，以允许对所有要求的区域进行脱层。

对于薄膜太阳能组件，发现构图后薄膜层的部分脱层是进一步的应用。构图后的薄膜层通常包括一个正面电极，一个吸收层以及一个背电极。需要在特定区域露出背电极以便连接。背电极露出后，然后用金属带与其连接。在这种情况下，衬底不一定被完全脱层，这排除了加工衬底边的可能性，并且总是需要在薄膜层边进行脱层。

根据一种优选实施例，要求设置第二定位器用以设定在加工光束的光轴与待烧蚀表面区域各单元的垂线之间的恒定加工角。穷举的逐次逼近实验指出，在对薄膜太阳能组件进行脱层时设定加工角有两个作用：其一，通过适当设定加工角实现对烧蚀的速度和效果的优化。在衬底涂覆几层膜的情况下，通过适当设定加工角还可以在烧蚀膜层时获得一定的选择性。更具体地，在如图2所示的薄膜构成的情况下，由机械方法发现加工角尚待令人满意的解释，允许在不损坏背电极的情况下对正面电极和吸收层的薄膜层进行烧蚀。

为了能重复设置由逐次逼近法确定的加工角，要求根据优选实施例由控制器同样地向第二定位器发送信号，更具体地要求控制器包括一个存储器和一个输入单元。各种脱层过程的最佳加工角存入此存储器中，并且一旦将某种脱层过程输入此输入单元，则将相应的最佳加工角控制信号从控制器传送到第二定位器。

对于暴露的薄膜太阳能电池背电极，已经发现需要选择大于0°、更具体地是在5°到10°之间的角度。假定光学轴相对于入射面垂线倾斜，导致位于待烧蚀膜层下方的薄膜层对激光束吸收较少，以致这些膜层能够完全不被损坏。

所有薄膜层的整个烧蚀，发现选择所谓的布儒斯特(Brewster)角作为最佳加工角是个好方法，尤其当加工光束是适当偏振的，布儒斯特角的正切就等于被烧蚀膜层的衍射数。

根据另一优选实施例，要求通过调节泵浦(pumping)功率产生光脉冲。通过调制激光器激活介质的泵浦功率，根据本发明的加工参数仍能以高性价比实现具有脉冲宽度仅小于100ns。然而，由调Q方法可以获得更短的光脉冲和更高的光功率。如此能够获得功率足够高、脉宽为10ns量级的光脉冲。某些应用显示出25ns量级的脉宽特别具有优势。为了获得更窄的脉宽，因此需要借助于所谓的模耦合方法。

还根据另一优选实施例，要求通过光纤传送模式混合加工光束，使得功率分布的概况近似具有截锥形状的功率分布图。在光纤中模式混合可以将熟知的高斯功率分布图转换为梯形或三维上视为截锥形的功率分布图。

根据另一优选实施例，要求提高相对运动所用的速度以及光脉冲的脉冲重复率选取得适合，使得只要去掉了烧蚀的薄膜层，则加工光束不再照射表面区域单元。例如，可以向第一定位器发送信号，使得对于激光谐振腔的大约50Hz的脉冲重复频率，相对运动的移动速度为1cm/s量级。

已有一种相当好的做法，即实际使用单个光脉冲或至少几个光脉冲照射表面区域单元。因此，待烧蚀表面区域单元的材料实质上应该由对下面的衬底产生最小损坏的单个光脉冲实现烧蚀。

激光器的波长应该适合于待烧蚀的薄膜层，即光脉冲基本上被其吸收，并且不被衬底材料所吸收。在脱层薄膜太阳能电池中，例如，使用具有1.064μm波长的Nd：YAG激光器，已经获得良好结果。

在又一优选实施例中，例如将用于抽排汽尘混合物的吸排装置用来保护操作人员，并且避免其在工件上堆积，因为这可能导致损坏露出的薄膜层的表面质量。

在最后一个优选实施例中，要求第一定位器包括能配合光学系统对施于工件的加工光束进行机械控制的装置。在此情况下，工件相对保持静止不动，而光学系统是可以移动控制的。为此目的，通过光纤缆线有利于传送加工光束。另一方面可以认为，第一定位器包括可调节偏光镜，经其将加工光束转向工件。例如，组合偏光镜可以包括两个偏光镜，其转轴相互垂直，使得加工光束能在较大平面上简单地运动。此外，也可以将光学系统设置为静止，而在一个xy工作台上相对于固定的加工光束操纵工件。因此，也能理解由前述系统构成的组合系统，即加工光束和工件两者均可移动操纵的系统。

除了用于薄膜太阳能电池脱层，根据本发明的此装置当然也能用于所有涂以玻璃或陶瓷薄膜的脱层；相应地更进一步应用可能在于：

-现代的隔离窗的上光(glazing)，所谓的“k玻璃”包括附加真空镀覆层以减少上光面对热辐射的透过。典型的隔离上光至少包括以框架粘合成一个双方格的两个方格，因此在此也需要表面脱层。

-在显示系统的各个方面同样地涉及大量的脱层过程。

-因此，将要考虑进一步的应用，镀覆的上光面需要进一步处理，其一例是所谓“可切换窗口”，它们对光的透射率在电场作用下是变化的。

本发明将在此参照附图详细例举各种实施例。

图1示出了剖切过封装的薄膜太阳能电池的横截面；

图2是示出薄膜层序列和接触背电极的、剖切过封装的薄膜太阳能电池的横截面；

图3是太阳能电池脱层装置第一实施例的示意图；以及

图4是太阳能电池脱层装置第二实施例的示意图。

此处参照图1，例举说明剖切过封装的薄膜太阳能电池的横截面。太阳能电池实际上包括衬底4，在其上淀积和布图的薄膜层3，叠片层2以及涂于其上的窗玻璃层。载流膜层3的厚度在0.1μm至5μm范围内，并且衬底4优选地以浮法玻璃制造。为了去除通往载流膜层3的电流通路并且消除膜层自身受潮损坏，衬底4的表面区5不包含载流层。这即是根据本发明的表面区5被脱层的原因所在。

此处参照图2，例举说明示出薄膜层序列和接触背电极的、剖切过封装的薄膜太阳能电池的横截面。在衬底薄膜太阳能电池中，薄膜层序列由背电极24、吸收层23以及正面电极22组成。薄膜层淀积在衬底25上，并且在正面电极22侧由叠片21对其进行保护。叠片21被窗玻璃层20封闭。

标于图2中的位置A和B代表了薄膜太阳能电池的可能脱层过程的各种结果。

在位置A，未损坏衬底自身剩余表面而获得了完全的衬底脱层。在位置B，获得了正面电极和吸收层的选择性脱层，而保留背电极不变。为了连接背电极，需要对其上薄膜层有选择地去除，而不能对背电极自身有任何实质性损坏。暴露部位则与金属带26连接。

当去除以上待连接部位的薄膜层时，光应该入射在正面电极22的薄膜层侧。

为了评定脱层过程的质量，使用现行标准连接过程将金属带与暴露的背电极部位接触。金属带的连接良好表明，根据本发明利用激光器装置的脱层方法也适和用于暴露待接触的背电极部位，因此它替代了在暴露背电极情况下的机械脱层。

现在参考图3，图3示出用于对太阳能电池进行脱层的设备的第一实施例。利用脉冲ND：YAG型激光器进行脱层。在约25ns的脉冲期间，优选利用调Q方法运行激光谐振腔。通过光纤缆线40，将加工光束传送到包括聚焦透镜34的成像光学系统。通过聚焦透镜34，将光纤缆线40的输出35成像到位于加工位置的工件31之上。

在这种配置中，工件上的脉冲能量密度体现了所采用的光学系统的激光脉冲能量、光损失以及成像比例。对于给定功率分布，所需的脉冲能量密度和激光光束相对于待脱层工件的移动速度依赖于待去除的叠片。例如，允许利用脉冲频率为50Hz、移动速度约为1cm/s、1J/cm²数量级的脉冲能量密度去除所测试的薄膜太阳能组件的叠片。

在对图2所示的背面电极进行脱层过程中，对于同样给定的频率，必需的脉冲能量密度以及激光束相对于待脱层的工件的传输速度依赖于所处理的叠片。例如，利用脉冲频率为50Hz、传输速度约为3cm/s、1J/cm²数量级的脉冲能量密度，可以成功地对薄膜太阳能组件的背面电极进行脱层。

从图3可以看出，如何利用相应的工具夹32固定工件31，例如工具夹32可以是真空夹紧装置。将工具夹32固定到CNC xy工作台33。包括工具夹32和工件31的工作台33可以以匀速行走，因此对太阳能电池31进行脱层的加工位置41可以沿确定的距离移动。利用抽排设备36、38可以将产生的气体和灰尘排出。对特殊的应用可设置专用喷嘴37、39用于防止裸露的表面被空气氧化或发生其它化学反应。在这种情况下，特别是氮气被证明是合适的惰性气体。将喷嘴37、39设置为在加工位置保证惰性气体均匀流过工件表面。

当将成像镜片的光轴46相对于入射垂直线设置为被定义为特定应用的最佳加工角度时，可以获得最佳加工效果，已经证明5°至10°范围内的倾斜角特别适合用于露出薄膜太阳能电池的背面电极的情况。

现在参考图4，图4示出对太阳能电池进行脱层的第二实施例。保持根据第一实施例说明的太阳能电池31的安装配置，它使用了相同的参考编号。图4所示的第二实施例与第一实施例的实质差别在于，如图4所示的脱层过程在衬底层的底部区域内进行。

此应用过程考虑到对包括需要在确定区域内全部裸露的透光衬底在内的太阳能电池进行脱层的所有过程。即使利用涂层侧的入射光在脱层位置实现细毛发般的断裂，在衬底侧具有入射光的玻璃衬底允许脱层，而不会破坏衬底，正如在光学显微镜下看到的那样。

在其它方面，其光学配置与第一实施例的光学配置相同，这样加工光束同样通过光纤缆线50传输到包括聚焦透镜54在内的成像光学系统，反过来，在加工位置51上的工件31上使光纤缆线50的输出部分55成像。

在根据第二实施例的脱层方法中，例如，当光轴56的加工角度被设置到垂直入射时，可以获得良好的效果。

在第二实施例中，同样要将激光加工期间产生的灰尘和气体排出。在应用迄今采用的脱层方法的过程中，既不需要对衬底侧发生的变化进行后续修整，也不需要对叠片侧发生的变化进行后续修整。新型激光脱层系统的这两种变型均优于现有加工系统。

然而，要特别注意的是，对于图4所示的第二实施例，在衬底侧整体加工太阳能电池时要求在xy工作台33和工具夹32上设置相应的开口，这样加工光束就可以无障碍地到达待脱层的太阳能电池的所有位置上。

更具体地说，对于在其衬底内最微细的微小断裂也会产生问题的产品，应该采用在衬底侧入射光的变型方案。在要求不苛刻的应用中，对于衬底内的微细断裂(或者在其它类型的衬底处)，可以利用涂层侧的入射光的方案通过更简单地布置固定工件来进行脱层。当将根据这些实施例的方法适当组合时尤其具有优势。因此，例如，根据第二实施例，在衬底侧，可以对衬底上裂痕敏感的表面位置进行脱层，因为在这种情况下，这些表面位置便于接入以致不需要在工具夹和夹紧工作台内进行开口，因此在特定应用中，在中央位置需要脱层的涂层侧可以实现根据第一实施例的脱层过程。

Claims (23)

1.一种用于对衬底进行薄膜烧蚀，更具体地说，是对薄膜太阳能电池进行表面层烧蚀的设备，该设备包括：

激光谐振腔，用于产生其脉冲宽度小于100ns、脉冲能量密度在0.1J/cm²至10J/cm²范围内的光脉冲加工光束；

光学系统，用于以基本上均匀的功率分布，将激光谐振腔产生的加工光束成像到在1mm²至1cm²范围内的表面区域内的待加工表面上；

第一定位器，用于工件与所述加工光束之间预定的相对运动；以及

控制器，用于发出信号以命令所述第一定位器，利用基本上恒定的能量对所述工件待烧蚀的表面区域的各单元进行照射。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通过调节泵浦功率产生所述光脉冲。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，利用调Q方法产生所述光脉冲。

4.根据权利要求1至3之任一项所述的设备，其特征在于，所述光脉冲优选包括约25ns的脉冲宽度。

5.根据上述权利要求1至4之任一项所述的设备，其特征在于，用于模式混合的加工光束通过光纤缆线传输，以便所述功率分布的概况与截断圆锥的轮廓近似。

6.根据上述权利要求1至5之任一项所述的设备，其特征在于，所述相对运动的速度与所述光脉冲的脉冲重复速率互相适应，从而在待烧蚀的所述薄膜层被去除后，不再有所述加工光束照射表面区域单元。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一定位器以约1cm/s的速度行进，而所述激光谐振腔的脉冲重复频率为50Hz的数量级。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，基本上利用单一光脉冲或利用几个光脉冲对表面区域单元进行照射。

9.根据权利要求1至8之任一项所述的设备，其特征在于，所述激光谐振腔的波长与待烧蚀的所述表面层相适应，以便所述光脉冲被待烧蚀的所述表面层基本吸收，而基本上不被所述衬底吸收。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述激光谐振腔是波长为1.064μm的Nd：YAG激光谐振腔。

11.根据权利要求1至10之任一项所述的设备，其特征在于，设置一第二定位器，用于在所述加工光束的光轴与待烧蚀的表面区域各单元的垂直线之间设置恒定加工角度。

12.一种用于对衬底进行薄膜烧蚀的方法，更具体地说，是对薄膜太阳能电池进行表面层烧蚀的方法，该方法包括步骤：

产生其脉冲宽度小于100ns并且脉冲能量密度在0.1J/cm²至10J/cm²范围内的光脉冲加工光束；

利用基本上均匀的功率分布，将所述加工光束成像到在1mm²至1cm²范围内的表面区域内的待加工的表面上；

这样在所述工件与所述加工光束之间进行相对运动，即利用基本上恒定的能量对所述工件的待烧蚀表面区域的各单元进行照射。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过调制泵浦功率产生所述光脉冲。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用调Q方法产生所述光脉冲。

15.根据权利要求12至14之任一项所述的方法，其特征在于，所述光脉冲优选包括25ns数量级的脉冲宽度。

16.根据权利要求12至15之任一项所述的方法，其特征在于，所述用于模式混合的加工光束通过光纤缆线传输，以便所述功率分布的概况与截断圆锥的轮廓近似。

17.根据权利要求12至16之任一项所述的方法，其特征在于，所述相对运动的速度与所述光脉冲的脉冲重复速率互相适应，从而在待烧蚀的所述表面层被去除后，不再有所述加工光束照射表面区域单元。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一定位器以约1cm/s的速度行走，而所述激光谐振腔的脉冲重复频率约为50Hz。

19.根据权利要求17至18之任一项所述的方法，其特征在于，基本上利用单一光脉冲或利用几个光脉冲对表面区域单元进行照射。

20.根据权利要求12至19之任一项所述的方法，其特征在于，所述激光谐振腔的波长与待烧蚀的所述薄膜层相适应，即所述光脉冲基本上被待烧蚀的所述薄膜层吸收，而不是被所述衬底吸收。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述激光谐振腔是其波长为1.064μm的Nd：YAG激光器。

22.根据权利要求12至21之任一项所述的方法，其特征在于，在所述加工光束的光轴与待烧蚀的表面区域各单元的垂直线之间设置恒定加工角度。

23.一种用于封闭包括具有薄膜层涂层的衬底的薄膜太阳能电池的方法，其中

利用上述权利要求1至11之任一项所述的设备将所述衬底表面脱层，并且然后，

对薄膜层侧的所述全部衬底进行层叠，以便利用所述衬底和所述叠片封闭所述表面层。

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