DE102012103243B4

DE102012103243B4 - Verfahren zur zeitlichen Veränderung der Laserintensität während des Ritzens einer Photovoltaikvorrichtung

Info

Publication number: DE102012103243B4
Application number: DE102012103243.2A
Authority: DE
Inventors: Frey Jonathan Mack
Original assignee: First Solar Malaysia Sdn Bhd
Current assignee: First Solar Malaysia Sdn Bhd
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2021-04-08
Anticipated expiration: 2032-04-14
Also published as: US8207009B2; CN102744520B; MY154270A; US20120028404A1; CN102744520A; DE102012103243A1

Abstract

Verfahren zum Laserritzen eines Schichtstapels (13), der mehrere Dünnfilmschichten auf einem Substrat (12) aufweist, das beinhaltet:Anwenden eines Impulses eines Laserstrahls (30) auf den Schichtstapel (13), wobei der Laserstrahl (30) eine Leistung aufweist, die in Abhängigkeit von der Zeit während des Impulses variiert, um einen vorbestimmten Leistungszyklus zu vervollständigen, wobei der Impuls 0,1 Nanosekunden bis 500 Nanosekunden dauert; undWiederholen des Impulses des Laserstrahls (30) über dem Schichtstapel (13), um eine Ritzlinie (44) durch wenigstens zwei der Dünnfilmschichten zu erzeugen,wobei der Leistungszyklus ein erstes Leistungsniveau (102) und ein zweites Leistungsniveau (104) aufweist, wobei die Leistungsniveaus (102, 104) jeweils so eingestellt sind, dass sie an Eigenschaften einzelner Dünnfilmschichten angepasst sind, und wobei sich das erste Leistungsniveau (102) vom zweiten Leistungsniveau (104) unterscheidet,wobei das erste Leistungsniveau konfiguriert ist, um eine erste Dünnfilmschicht zu durchtrennen, undwobei das zweite Leistungsniveau konfiguriert ist, um eine darunter liegende zweite Dünnfilmschicht zu durchtrennen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein das Gebiet des Laserritzens eines Photovoltaikmoduls zur Erzeugung einzelner Zellen in dem Modul. Insbesondere betrifft der Gegenstand Verfahren und Vorrichtungen zur Veränderung der Intensität des Lasers zum Ritzen einer Cadmiumtellurid-basierten Dünnfilm-Photovoltaik(PV)-Vorrichtung.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Photovoltaik(PV)- oder Solarzellen sind Vorrichtungen mit einem Materialübergang, die Sonnenlicht in elektrische Gleichstrom(DC)-Leistung wandeln. Wenn eine Solarzelle Sonnenlicht ausgesetzt wird, trennt das elektrische Feld von p-n-Übergängen der Solarzelle Paare freier Elektronen und Löcher, so dass auf diese Weise eine Photospannung erzeugt wird. Ein Stromkreis von der n-Seite zu der p-Seite ermöglicht den Fluss von Elektronen, wenn die Solarzelle an eine elektrische Last angeschlossen ist, während die Fläche und andere Parameter der PV-Zellenvorrichtung mit Übergang den verfügbaren Strom bestimmen. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung mal Strom, der erzeugt wird, wenn die Elektronen und Löcher rekombinieren.
Dünnfilm-Solarvorrichtungen bestehen gewöhnlich aus mehreren dünnen Materialschichten, die auf einer Glasscheibe abgeschieden sind. Diese Glasplatten werden gewöhnlich in eine große Anzahl (zwischen 100 und 200) einzelner Solarzellen durch Ritzprozesse unterteilt, die auch die elektrischen Zwischenverbindungen für benachbarte Zellen bilden, die elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, um Leistung mit einem Strom zu erzeugen. Laserritzen ermöglicht eine Großserienproduktion von Dünnfilmvorrichtungen der nächsten Generation, wobei Laserritzen mechanische Ritzverfahren hinsichtlich der Qualität, der Geschwindigkeit und der Zuverlässigkeit leistungsmäßig übertrifft.
Die Wechselwirkung zwischen Laser und Material umfasst komplexe Prozesse der Aufheizung, Schmelzung, Verdampfung, Ausstoßung von Atomen, Ionen und Molekülen, Stoßwellen, Plasmainitiierung und Plasmaexpansion. Der resultierende Krater und das resultierende laserinduzierte Plasma hängen von den Laserstrahlparameter (z.B. der Dauer, Energie und Wellenlänge), den Eigenschaften des festen Targets und den Bedingungen der umliegenden Umgebung ab.
Die Laserritzvorgänge werden in gewünschter Weise hinsichtlich einer spezifischen Tiefe gesteuert, um die Eigenschaften der einzelnen Zellen und des resultierenden Moduls, das erzeugt wird, zu steuern. Aufgrund der wenigstens teilweise unterschiedlichen Materialzusammensetzung jedes Dünnfilms kann jedoch die Energie (z.B. die Intensität des Lasers und/oder die angewandte Zeitdauer), die erforderlich ist, um jede einzelne Dünnfilmschicht in dem Schichtstapel zu ritzen, variieren. An sich kann eine passende Steuerung der Tiefe des Laserritzvorgangs eine Berechnung auf der Basis der Summe der Energie, die zum Ritzen jeder Schicht erforderlich ist, sein. Diese Berechnung kann zu Schwankungen der Tiefe der durch die vielen Schichten hindurch gebildeten Laserritzstruktur führen. Derartige Schwankungen der Tiefe können wiederum zu Schwankungen des Leistungsverhaltens des resultierenden PV-Moduls führen.
An sich existiert ein Bedarf nach einem genaueren Laserritzen mehrerer Dünnfilme auf einem Glas-Supersubstrat, insbesondere bei Cadmiumtellurid-basierten Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtungen.
Aus US 2010/0276405 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Spur in einer Oberfläche mittels einem Laser bekannt, bei dem Ablagerungen neben der Spur und der Rückfluss von Material in die Spur vermieden werden sollen. Hierfür wird ein dreieckiges anstelle eines gaußglockenförmigen Laserimpulsprofils vorgeschlagen. Es ist auch möglich einen Laserimpuls mit sequentiell verschiedenen Leistungsniveaus vorzusehen.
Eine Vorrichtung mit mehreren Laserquellen, die unterschiedliche Leistungen aufweisen, ist aus US 6 559 411 B2 bekannt. Dort werden mit den unterschiedlichen Laserquellen Spuren in unterschiedliche Schichten eines Schichtstapels eingebracht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offensichtlich sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
Es sind allgemein Verfahren zum Laserritzen eines Schichtstapels offenbart, der mehrere Dünnfilmschichten auf einem Substrat enthält. Ein Impuls eines Laserstrahls wird auf den Schichtstapel angewandt, wobei der Laserstrahl eine Leistung aufweist, die in Abhängigkeit von der Zeit während des Impulses variiert, um einen vorbestimmten Leistungszyklus oder Arbeitstakt zu vervollständigen. Der Impuls hat einen Leistungszyklus der in etwa 0,1 Nanosekunden bis etwa 500 Nanosekunden andauert. Dieser Impuls des Lasers kann über dem Schichtstapel wiederholt werden, um eine Ritzlinie durch wenigstens eine der Dünnfilmschichten auf dem Substrat zu erzeugen.
Derartige Verfahren sind insbesondere zum Laserritzen einer Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierten Photovoltaikvorrichtung nützlich. Zum Beispiel kann eine Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierte Photovoltaikvorrichtung bereitgestellt werden, die ein Glas-Superstrat und einen Schichtstapel enthält, der eine transparente leitfähige Oxidschicht über dem Glas-Superstrat, eine resistive transparente Pufferschicht über der transparenten leitfähigen Oxidschicht, eine Cadmiumsulfidschicht über der resistiven transparenten Pufferschicht und eine Cadmiumtelluridschicht über der Cadmiumsulfidschicht aufweist. Der Impuls eines Laserstrahls kann anschließend auf den Schichtstapel mit einer Leistung angewandt werden, die in Abhängigkeit von der Zeit während des Impulses variiert, um einen vorbestimmten Arbeitstakt bzw. Leistungszyklus zu vervollständigen. Der Impuls des Laserstrahls kann anschließend quer durch die Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierte Photovoltaikvorrichtung wiederholt werden, um eine Ritzlinie in dem Schichtstapel zu bilden.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Figurenliste
Eine umfassende und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an Fachleute auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung gegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:

1 einen beispielhaften Leistungszyklus eines zeitlich variierenden Laserstrahls;
2 einen weiteren beispielhaften Leistungszyklus eines zeitlich variierenden Laserstrahls;
3 ein beispielhaftes System zum Laserritzen von Dünnfilmen auf einer Photovoltaikvorrichtung;
4 ein weiteres beispielhaftes System zum Laserritzen von Dünnfilmen auf einer Photovoltaikvorrichtung;
5 eine beispielhafte Vorrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren Ritzlinien auf Dünnfilmen auf einer Photovoltaikvorrichtung;
6 eine weitere beispielhafte Vorrichtung zum Erzeugen mehrerer Ritzlinien auf Dünnfilmen auf einer Photovoltaikvorrichtung;
7 eine Perspektivansicht einer beispielhaften Cadmiumtellurid-Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung;
8 eine allgemeine schematisierte Darstellung einer Querschnittsansicht der beispielhaften Cadmiumtellurid-Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung nach 7; und
9 eine allgemeine schematisierte Darstellung einer zu der in 8 veranschaulichten Ansicht senkrechten Querschnittsansicht der beispielhaften Cadmiumtellurid-Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtungen gemäß 7.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung, nicht als Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder Rahmen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfassen soll, wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Wenn in der vorliegenden Offenbarung eine Schicht als „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem Substrat beschrieben ist, ist es zu verstehen, dass die Schichten entweder unmittelbar in Kontakt miteinander stehen oder eine weitere Schicht oder Einrichtung zwischen den Schichten aufweisen können. Somit beschreiben diese Ausdrücke einfach die relative Position der Schichten in Bezug aufeinander, und sie bedeuten nicht notwendigerweise „auf der Oberseite von“, weil die relative Position oben oder unten von der Orientierung der Vorrichtung in Bezug auf den Betrachter abhängt. Obwohl die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Filmdicke beschränkt ist, bezieht sich der Ausdruck „dünn“ bei der Beschreibung irgendwelcher Filmschichten der Photovoltaikvorrichtung außerdem allgemein auf eine Filmschicht mit einer Dicke von weniger als etwa 10 Mikrometer („Mikron“ oder „µm“) .
Es ist zu verstehen, dass die hierin erwähnten Bereiche und Grenzen alle innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen befindlichen Bereiche (d.h. Teilbereiche) umfassen. Zum Beispiel umfasst ein Bereich von etwa 100 bis etwa 200 auch Bereiche von 110 bis 150, 170 bis 190, 153 bis 162 und 145,3 bis 149,6. Ferner umfasst eine Grenze von bis zu etwa 7 auch eine Grenze von bis zu etwa 5, bis zu 3 oder bis zu etwa 4,5 sowie Bereiche innerhalb der Grenze, wie beispielsweise von etwa 1 bis etwa 5 und von etwa 3,2 bis etwa 6,5.
Es sind allgemein Verfahren zum Laserritzen eines Schichtstapels unter Verwendung eines Laserimpulses mit einer zeitlich variierten Leistung offenbart. Insbesondere weist der Laserstrahl eine Leistung, die in Abhängigkeit von der Zeit während jeden Impulses gemäß einem vorbestimmten Leistungszyklus oder Arbeitstakt variiert. Der Impuls kann anschließend quer über der Oberfläche des Schichtstapels wiederholt werden, um eine Ritzlinie durch wenigstens eine der Dünnfilmschichten des Schichtstapels zu erzeugen. Gemäß diesen Verfahren kann die Genauigkeit des Laserritzprozesses durch die Dünnfilme des Schichtstapels verbessert werden, was zur verbesserten Qualität (z.B. einer besseren Gleichmäßigkeit) der erzeugten Ritzlinien führt. Außerdem kann das Leistungsniveau des Lasers an die Eigenschaften der einzelnen Dünnfilme angepasst werden, während der Laserstrahl durch die Dicke des Schichtstapels ritzt.
Der Impuls weist allgemein einen Leistungszyklus auf, der etwa 0,1 Nanosekunden (ns) bis etwa 500 ns, wie beispielsweise etwa 0,5 ns bis etwa 250 ns, andauert. In bestimmter Ausführungsform kann der Impuls etwa 1 ns bis etwa 100 ns, wie beispielsweise etwa 5 ns bis etwa 50 ns, dauern.
Der Leistungszyklus jedes Impulses definiert zwei Leistungsniveaus, die sich voneinander unterscheiden. An sich kann die dem Schichtstapel zugeführte Leistung zeitlich (d.h. als Funktion der Zeit) während jedes Impulses variieren. Zum Beispiel zeigt 1 einen beispielhaften Leistungszyklus bzw. Arbeitstakt 100 unter Veranschaulichung der Veränderung der Leistung (auf der y-Achse) als Funktion der Zeit (auf der x-Achse). Der Leistungszyklus 100 definiert ein erstes Leistungsniveau 102, das sich von einem zweiten Leistungsniveau 104 unterscheidet. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Ausdruck „Leistungsniveau“ eine Linie oder eine Spitze der Leistung des Laserstrahls in dem Leistungszyklus während des Impulses, wobei „eine Linie“ eine im wesentlichen konstante Leistung über einen Zeitraum des Impulses bezeichnet, während „eine Spitze“ ein lokales Maximum oder Minimum der Leistung des Laserstrahls während des Impulses bezeichnet.
In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform ist das erste Leistungsniveau 102 kleiner als das zweite Leistungsniveau 104. Zum Beispiel kann das zweite Leistungsniveau 104 um etwa 10% bis etwa 150% größer sein als das erste Leistungsniveau 102 (d.h., das zweite Leistungsniveau 104 kann etwa 110% bis etwa 250% des ersten Leistungsniveaus 102 betragen), wie beispielsweise um etwa 50% bis etwa 100% größer sein als das erste Leistungsniveau 102 (d.h. der zweite Leistungsniveau 104 kann etwa 150% bis etwa 200% des ersten Leistungsniveaus 102 betragen).
Die Leistung des Laserstrahls bleibt auf dem ersten Leistungsniveau 102 für eine erste Zeitdauer (entsprechend der Länge des Leistungszyklus 100 bei dem ersten Leistungsniveau 102), und die Leistung des Laserstrahls bleibt auf dem zweiten Leistungsniveau 104 für eine zweite Zeitdauer (entsprechend der Länge des Leistungszyklus 100 bei dem zweiten Leistungsniveau 102). In der Ausführungsform nach 1 ist die erste Dauer des ersten Leistungsniveaus 102 länger als die zweite Dauer des zweiten Leistungsniveaus 104. Zum Beispiel kann die erste Dauer des ersten Leistungsniveaus 102 um etwa 10% bis etwa 5.000% größer sein als die zweite Dauer des zweiten Leistungsniveaus 104 (d.h. die erste Zeitdauer kann etwa 110% bis etwa 5.100% der zweiten Zeitdauer betragen), wie beispielsweise um etwa 100% bis etwa 1.000% größer sein als die zweite Dauer des zweiten Leistungsniveaus 104 (d.h. die erste Zeitdauer kann etwa 1.000% bis etwa 1.100% der zweiten Zeitdauer betragen).
In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform tritt das erste Leistungsniveau 102 in der Folge vor dem zweiten Leistungsniveau 104 in dem Leistungszyklus 100 des Impulses Tp auf. Jedoch kann diese Reihenfolge in anderen Ausführungsformen umgedreht werden, so dass das zweite Leistungsniveau 104 sequentiell vor dem ersten Leistungsniveau 102 auftritt.
In manchen Ausführungsformen kann die Leistung des Laserstrahls auf dem ersten Leistungsniveau 102 für eine erste Zeitdauer bleiben, die etwa 10% bis etwa 90% der Impulsdauer Tp, wie beispielsweise etwa 20% bis etwa 75% der Impulsdauer Tp, oder spezieller etwa 25% bis etwa 50% der Impulsdauer Tp, beträgt. Umgekehrt kann die Leistung des Laserstrahls auf dem zweiten Leistungsniveau 104 für eine zweite Zeitdauer bleiben, die etwa 0,5% bis weniger als 50% der Impulsdauer, wie beispielsweise etwa 1% bis etwa 25% der Impulsdauer, beträgt. Natürlich können die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer wie gewünscht variiert werden.
2 zeigt einen alternativen Leistungszyklus bzw. Arbeitstakt 100, der ein drittes Leistungsniveau 106 zusätzlich zu dem ersten Leistungsniveau 102 und dem zweiten Leistungsniveau 104 aufweist. Das dritte Leistungsniveau 106 unterscheidet sich sowohl von dem ersten Leistungsniveau 102 als auch von dem zweiten Leistungsniveau 104. Wie veranschaulicht, weist das dritte Leistungsniveau 106 eine Leistung auf, die größer ist sowohl als das erste Leistungsniveau 102 als auch als das zweite Leistungsniveau 104, wobei das erste Leistungsniveau geringer ist als sowohl das dritte Leistungsniveau als auch das zweite Leistungsniveau.
Das dritte Leistungsniveau 106 des Leistungszyklus 100 nach 2 ist durch eine Spitze in der Leistung definiert. Somit ist die dritte Zeitdauer des dritten Leistungsniveaus 106 in 2, wie sie durch die Länge des dritten Leistungsniveaus 106 definiert ist, ein Bruchteil der ersten Zeitdauer. Zum Beispiel kann die dritte Zeitdauer weniger als 5% der ersten Zeitdauer, wie beispielsweise etwa 0,001% bis etwa 1% der ersten Zeitdauer, betragen. Jedoch kann die dritte Zeitdauer des dritten Leistungsniveaus in anderen Ausführungsformen wie gewünscht eingestellt werden, so dass die Leistung des Laserstrahls auf dem dritten Leistungsniveau für eine dritte Zeitdauer bleibt, die etwa 0,01% bis etwa 50 der Impulsdauer, wie beispielsweise etwa 0,1% bis etwa 25% der Impulsdauer betragen kann.
Außerdem zeigt 2, dass das dritte Leistungsniveau 106 sequentiell vor dem ersten Leistungsniveau 102 in dem Leistungszyklus 100 des Impulses Tp auftritt, wobei das erste Leistungsniveau 102 sequentiell vor dem zweiten Leistungsniveau 104 in dem Leistungszyklus 100 des Impulses Tp auftritt. Jedoch kann diese Sequenz in anderen Ausführungsformen verändert werden, um einen Leistungszyklus zu erfüllen, der für eine spezielle Anwendung erwünscht ist (z.B. in Abhängigkeit von der Art des Schichtstapels, auf dem geritzt wird).
Die Übergänge 101, 103, 105, 107 in der Leistung der Schwankungskurve 100 des Impulses Tp können in Bezug auf die gesamte Zeitdauer des Impulses Tp schnell auftreten, so dass beispielsweise jeder Übergang 101, 103, 105, 107 weniger als etwa 1% des Impulses Tp (z.B. etwa 0,001% bis etwa 0,1% des Impulses Tp) dauert.
3 zeigt ein beispielhaftes System 28 und Verfahren zum Ritzen eines Schichtstapels 13 auf einem Substrat 12 einer Photovoltaikvorrichtung 10 durch Richten eines Laserstrahls 30 auf den Schichtstapel 13 von einer Laserquelle 32 aus. Wie in 3 veranschaulicht, wird der Laserstrahl 30 unmittelbar auf eine freiliegende Oberfläche 38 des Schichtstapels 13 angewandt, um eine Ritzlinie 40 zu erzeugen. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform zu dem System 28 und Verfahren nach 3, wobei der Laserstrahl 30 durch das Glassubstrat 12 hindurchtritt, um eine Ritzlinie 44 auf der Innenfläche 42 des Schichtstapels 13 angrenzend an das Substrat 12 zu erzeugen. Wie erwähnt, kann die in die Dicke des Schichtstapels 13 eindringende Tiefe der Ritzlinien 40, 44 entsprechend der Intensität des Laserstrahls (als Funktion der Gesamtleistung und des gesamten Impulses Tp) eingestellt werden.
Die Laserquelle 32 kann eine beliebige geeignete Laservorrichtung sein, die Licht (d.h. elektromagnetische Strahlung) durch optische Verstärkung auf der Basis der stimulierten Emission von Photonen emittiert, wie dies in der Technik bekannt ist. Die Wellenlänge des Laserstrahls 30 kann in der gewünschten Weise eingestellt werden und kann monochromatische oder multichromatische Wellenlänge sein, die im Wesentlichen konstant ist oder als Funktion der Zeit mit der Leistung variiert. Zum Beispiel kann die Wellenlänge des Laserstrahls 30 in einem Bereich von etwa 250 nm bis etwa 1150 nm liegen. Geeignete monochromatische Wellenlängen des Laserstrahls 30 enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, etwa 266 nm, etwa 355 nm, etwa 532 nm und etwa 1064 nm. Außerdem kann der Laserstrahl 30 durch eine Linse 33 in der Laserquelle 32 fokussiert werden, um den Durchmesser des Laserstrahls 30 entsprechend der gewünschten Größe der Ritzlinien 40, die in dem Photovoltaikmodul 10 erzeugt werden, zu steuern. Zum Beispiel kann der Durchmesser des Laserstrahls 30 in manchen Ausführungsformen etwa 10 µm bis etwa 500 µm betragen.
In den beiden Ausführungsformen, wie sie in den 3 und 4 veranschaulicht sind, ist die Laserquelle 32 mit einer Rechenvorrichtung 34 über eine Kommunikationsverbindung 36 (z.B. eine verdrahtete oder drahtlose Kommunikationsverbindung) verbunden. Die Rechenvorrichtung 34 ist konfiguriert, um die Leistung des Laserstrahls 30 von der Laserquelle 32 entsprechend dem gewünschten Leistungszyklus 100 zu steuern. Speziell enthält die Rechenvorrichtung 34 einen Speicher mit Computer lesbaren Instruktionen, die in einem Computer lesbaren Medium zur Ausführung durch einen Prozessor gespeichert sind, um die Leistung des Laserstrahls 30 von der Laserquelle 32 gemäß dem gewünschten Leistungszyklus 100 zu steuern.
5 zeigt ein beispielhaftes System 50 und Verfahren zur simultanen Erzeugung mehrerer Ritzlinien 40 in einer Photovoltaikvorrichtung 10. Es werden mehrere Laserquellen 32 entlang des Rahmens 52 positioniert. Die Photovoltaikvorrichtung 10 wird unter dem Rahmen 52 und den mehreren Laserquellen 32 mittels eines Fördersystems 54 befördert. Die Photovoltaikvorrichtung 10 bewegt sich in eine Richtung, die zu der Orientierung des Rahmens 52 im Wesentlichen senkrecht ist, so dass die Ritzlinien 40 als im Wesentlichen gerade Linien orientiert sind, die im Wesentlichen parallel zu den Seitenkanten 53 der Photovoltaikvorrichtung 10 ausgerichtet sind. Außerdem ist das Fördersystem 54 konfiguriert, um die Photovoltaikvorrichtung 10 mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit zu bewegen um sicherzustellen, dass die Ritzlinien 40 eine im Wesentlichen gleichmäßige Tiefe über die Länge der Ritzlinie 40 hinweg aufweisen.
6 zeigt ein alternatives System 60 und Verfahren zum Erzeugen mehrerer Ritzlinien 40 in einer Photovoltaikvorrichtung 10. Eine Laserquelle 32 ist an einem Rahmen 62 bewegbar montiert, der unter einem Winkel (von z.B. etwa 10° bis etwa 80°) in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Photovoltaikvorrichtung 10 (d.h. dem Vorrichtungsvektor) orientiert ist. Während des Ritzens wird die Laserquelle 32 entlang des Rahmens 62 derart bewegt, dass ihre Bewegung in dem Vorrichtungsvektor mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie die Bewegung der Photovoltaikvorrichtung 10 erfolgt. Somit kann eine Ritzlinie 40 in der Photovoltaikvorrichtung 10 in einer Richtung erzeugt werden, die zu dem Vorrichtungsvektor senkrecht und zu den Seitenkanten 53 im Wesentlichen parallel ausgerichtet ist.
Obwohl es unter Verwendung von Rollen 56 veranschaulicht ist, kann das Fördersystem 54 gemäß den 5 und 6 ein beliebiges geeignetes Beförderungssystem (das z.B. einen Riemen, eine Bahn, Schienen etc. enthält) sein, das konfiguriert ist, um die Photovoltaikvorrichtung 10 zu transportieren. Die Photovoltaikvorrichtung 10 kann unter dem Rahmen 52 transportiert werden, wobei entweder der Schichtstapel oder das Glassubstrat unmittelbar dem Laserstrahl 30 ausgesetzt ist.
Die in den 5 und 6 veranschaulichten Laserquellen 32 werden über die Rechenvorrichtung 34 gesteuert, wie dies in Bezug auf die 3 und 4 erläutert ist. An sich kann jede Laserquelle entsprechend einem Impuls Tp mit einem Leistungszyklus 100, wie oben erläutert, gepulst betrieben werden.
Auf diese Weise können die Systeme 50 bzw. 60 gemäß den 5 und 6 mehrere Photovoltaikzellen 11, die durch die Ritzlinien 40 getrennt sind, in der Photovoltaikvorrichtung 10 erzeugen.
Der gepulste Laserstrahl, wobei jeder Impuls die Leistung des Laserstrahls gemäß einem im Voraus festgelegten Leistungszyklus 100, wie oben beschrieben, variiert, kann bei der Erzeugung von Ritzlinien in einer Cadmiumtellurid-basierten Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung, wie sie in den 7-9 veranschaulicht ist, besonders nützlich sein. Wie veranschaulicht, enthält die Cadmiumtellurid-basierte Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung 10 ein Glassubstrat 12, eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO-Schicht) 14, eine resistive transparente Pufferschicht 16, eine Cadmiumsulfidschicht 18, eine Cadmiumtelluridschicht 20, eine Graphitschicht 22 und eine Metallkontaktschicht 24.
Wie erwähnt, enthält die Photovoltaikvorrichtung 10 allgemein mehrere Zellen, die durch Ritzlinien voneinander getrennt sind, die allgemein mittels eines Laserritzprozesses, wie beispielsweise oben beschrieben, erzeugt werden. Zum Beispiel kann der Laserritzprozess eine Bildung einer ersten Isolationsritzstruktur durch die photoreaktiven Schichten (d.h. die Cadmiumsulfidschicht 18 und die Cadmiumtelluridschicht 20) und die darunter liegenden Schichten (d.h. durch die TCO-Schicht 14) bis hinunter zu dem Glassubstrat 12 nach sich ziehen. Die erste Isolationsritzlinie 21 wird anschließend vor der Aufbringung der Rückkontaktschichten mit einem dielektrischen Material gefüllt um sicherzustellen, dass die TCO-Schicht 14 zwischen den Zellen elektrisch isoliert ist. Zum Beispiel kann die erste Isolationsritzlinie 21 unter Verwendung eines Photolack-Entwicklungsprozesses gefüllt werden, bei dem ein flüssiges negatives Photolack(NPR, Liquid Negative Photoresist)-Material auf die Cadmiumtelluridschicht 20 durch Aufsprühen, Walzenauftragen, Siebdruckverfahren oder irgendeinen anderen geeigneten Antragsprozess beschichtet wird. Das Substrat 12 wird danach von unten her Licht ausgesetzt, so dass das NPR-Material in den ersten Isolationsritzlinien 21 (und jegliche Nadellöcher in dem Cadmiumtellurid-Material 20) durch Licht beaufschlagt werden, was bewirkt, dass die beaufschlagten NPR-Polymere sich vernetzen und „aushärten“. Das Substrat 12 wird anschließend in einem Prozess „entwickelt“, in dem ein chemischer Entwickler auf die Cadmiumtelluridschicht 20 aufgebracht wird, um jedes ungehärtete NPR-Material aufzulösen. In anderen Worten wird das NPR-Material, das nicht durch das Licht beaufschlagt wurde, durch den Entwickler aus der Cadmiumtelluridschicht 20 weggespült werden, wodurch die mit dem NPR-Material gefüllten ersten I-solationsritzlinien 21 hinterlassen werden.
Es kann eine Reihenverbindungsritzstruktur 23 durch die Graphitschicht 22 hindurch bis zu der TCO-Schicht 14 mit dem Laser geschnitten und mit dem leitfähigen metallischen Material der Metallkontaktschicht 24 gefüllt werden, um benachbarte Zellen elektrisch in Reihe miteinander zu verbinden. Natürlich kann jedes leitfähige Material in den Reihenverbindungsritzlinien 23 aufgenommen werden. Insbesondere kann die Reihenverbindungsritzlinie 23 der Metallkontaktschicht 24 ermöglichen, mit der TCO-Schicht 14 in Kontakt zu stehen, wodurch eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Rückkontakt (d.h. der Graphitschicht 22 und der Metallkontaktschicht 24) und dem Frontkontaktmaterial (d.h. der TCO-Schicht 14) geschaffen wird.
Schließlich kann eine zweite Isolationsritzstruktur 26 mit dem Laser durch den Rückkontakt (d.h. die Graphitschicht 22 und die Metallkontaktschicht 24) und die photoreaktiven Schichten (d.h. die Cadmiumsulfidschicht 18 und die Cadmiumtelluridschicht 20) hindurch geschnitten werden, um den Rückkontakt zu einzelnen Zellen zu isolieren.
Die Laserritzprozesse können verwendet werden, um beliebige dieser Ritzlinien zu erzeugen. Wenn z.B. die zweite Isolationsritzlinie 26 erzeugt wird, kann ein Leistungszyklus 100, wie er in 1 veranschaulicht ist, nützlich sein, um zunächst die Graphitschicht 22 mit dem ersten Leistungsniveau 102 zu ritzen und anschließend die photoreaktiven Schichten 18 und 20 unter Verwendung des zweiten Leistungsniveaus 104 zu ritzen.
Die beispielhafte Vorrichtung 10 gemäß den 7-9 enthält eine obere Glasscheibe bzw. ein oberes Flachglas 12, die bzw. das als das Substrat verwendet wird. In dieser Ausführungsform kann das Glas 12 als ein „Superstrat“ bezeichnet werden, weil es das Substrat ist, auf dem die nachfolgenden Schichten gebildet werden, jedoch aufwärts zu der Strahlungsquelle (z.B. der Sonne) gerichtet ist, wenn sich die Cadmiumtellurid-Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung 10 im Einsatz befindet. Das obere Flachglas 12 kann ein Glas hoher Durchlässigkeit (z.B. Borsilikatglas hoher Durchlässigkeit), ein Floatglas mit geringem Eisengehalt oder ein sonstiges hochdurchlässiges Glasmaterial sein. Das Glas ist im Allgemeinen hinreichend dick, um eine Stütze für die nachfolgenden Filmschichten zu bieten (z.B. beträgt die Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm), und ist im Wesentlichen flach, um eine gute Oberfläche zur Bildung der nachfolgenden Filmschichten zu bieten. In einer Ausführungsform kann das Glas 12 ein Floatglas mit geringem Eisengehalt sein, das weniger als etwa 0,15 Gew.-% Eisen (Fe) enthält, und es kann eine Durchlässigkeit von 0,9 oder mehr in dem interessierenden Spektrum (z.B. den Wellenlängen von etwa 300 nm bis etwa 900 nm) aufweisen.
Die transparente leitfähige Oxidschicht (TCO-Schicht) 14 ist auf dem Glas 12 der beispielhaften Vorrichtung 10 veranschaulicht. Die TCO-Schicht 14 ermöglicht Licht, bei minimaler Absorption hindurchzutreten, während sie ferner elektrischem Strom, der durch die Vorrichtung 10 erzeugt wird, ermöglicht, seitwärts zu (nicht veranschaulichten) lichtundurchlässigen Metallleitern zu strömen. Zum Beispiel kann die TCO-Schicht 14 einen Flächenwiderstand von weniger als etwa 30 Ohm pro Quadrat, wie beispielsweise von etwa 4 Ohm pro Quadrat bis etwa 20 Ohm pro Quadrat (z.B. von etwa 8 Ohm pro Quadrat bis etwa 15 Ohm pro Quadrat) aufweisen. Die TCO-Schicht 14 enthält allgemein wenigstens ein leitfähiges Oxid, wie beispielsweise Zinnoxid, Zinkoxid oder Indiumzinnoxid oder Gemische von diesen. Außerdem kann die TCO-Schicht 14 andere leitfähige, transparente Materialien enthalten. Die TCO-Schicht 14 kann ferner Zinkstannat und/oder Cadmiumstannat enthalten.
Die TCO-Schicht 14 kann durch Sputtern, chemische Dampfphasenabscheidung, Sprühpyrolyse oder irgendein anderes geeignetes Abscheidungsverfahren erzeugt werden. In einer speziellen Ausführungsform kann die TCO-Schicht 14 durch Sputtern, entweder DC-Sputtern oder HF-Sputtern, auf dem Glas 12 erzeugt werden. Zum Beispiel kann eine Cadmiumstannatschicht gebildet werden, indem ein heißverpresstes Target, das stöchiometrische Mengen von SnO₂ und CdO enthält, auf das Glas 12 in einem Verhältnis von etwa 1 zu etwa 2 gesputtert wird. Das Cadmiumstannat kann alternativ unter Verwendung von Cadmiumazetat- und Zinn(II)chlorid-Vorläufern durch Sprühpyrolyse hergestellt werden.
In manchen Ausführungsformen kann die TCO-Schicht 14 eine Dicke zwischen etwa 0,1 µm und etwa 1 µm, z.B. von etwa 0,1 µm bis etwa 0,5 µm, wie beispielsweise von etwa 0,25 µm bis etwa 0,35 µm, aufweisen. Geeignete Flachglassubstrate mit einer TCO-Schicht 14, die auf der Superstratoberfläche erzeugt ist, können kommerziell von verschiedenen Glasherstellern und -lieferanten erworben werden. Zum Beispiel enthält ein besonders geeignetes Glas 12, das eine TCO-Schicht 14 aufweist, ein Glas, das kommerziell unter dem Namen TEC 15 TCO von Pilkington North America Inc. (Toledo, Ohio) erhältlich ist und das eine TCO-Schicht enthält, die einen Flächenwiderstand von 15 Ohm pro Quadrat aufweist.
Die resistive transparente Pufferschicht 16 (RTB-Schicht) ist auf der beispielhaften Cadmiumtellurid-Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung 10 auf der TCO-Schicht 14 veranschaulicht. Die RTB-Schicht 16 ist im Allgemeinen widerstandsfähiger als die TCO-Schicht 14 und kann helfen, die Vorrichtung 10 gegen chemische Wechselwirkungen zwischen der TCO-Schicht 14 und den nachfolgenden Schichten während des Verarbeitens der Vorrichtung 10 zu schützen. Zum Beispiel kann die RTB-Schicht 16 in manchen Ausführungsformen einen Flächenwiderstand aufweisen, der größer ist als etwa 1000 Ohm pro Quadrat, wie beispielsweise von etwa 10 kOhm pro Quadrat bis etwa 1000 MOhm pro Quadrat beträgt. Die RTB-Schicht 16 kann ferner eine weite optische Bandlücke (von z.B. mehr als etwa 2,5 eV, wie beispielsweise etwa 2,7 eV bis etwa 3,0 eV) aufweisen.
Ohne durch eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die Gegenwart der RTB-Schicht 16 zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumsulfidschicht 18 ermöglichen kann, dass eine relativ dünne Cadmiumsulfidschicht 18 in der Vorrichtung 10 aufgenommen werden kann, indem die Möglichkeit von Grenzflächendefekten (z.B. „Nadellöcher“ in der Cadmiumsulfidschicht 18), die Nebenschlüsse zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumtelluridschicht 22 erzeugen, reduziert wird. Somit wird angenommen, dass die RTB-Schicht 16 eine verbesserte Adhäsion und/oder Wechselwirkung zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumtelluridschicht 22 ermöglicht, wodurch ermöglicht wird, dass eine relativ dünne Cadmiumsulfidschicht 18 darauf ohne wesentliche nachteilige Effekte gebildet werden kann, die ansonsten von einer Bildung einer derartigen relativ dünnen Cadmiumsulfidschicht 18, die unmittelbar auf der TCO-Schicht 14 erzeugt wird, herrühren würden.
Die RTB-Schicht 16 kann z.B. eine Kombination aus Zinkoxid (ZnO) und Zinnoxid (SnO₂) enthalten, die als eine Zink-Zinn-Oxidschicht („ZTO“) bezeichnet werden kann. In einer bestimmten Ausführungsform kann die RTB-Schicht 16 mehr Zinnoxid als Zinkoxid enthalten. Zum Beispiel kann die RTB-Schicht 16 eine Zusammensetzung mit einem stöchiometrischen Verhältnis von ZnO/SnO₂ zwischen etwa 0,25 und etwa 3, wie beispielsweise ein stöchiometrisches Verhältnis von Zinnoxid zu Zinkoxid von eins zu zwei (1:2), aufweisen. Die RTB-Schicht 16 kann durch Sputtern, chemische Dampfphasenabscheidung, Sprühpyrolyse oder irgendein anderes geeignetes Abscheidungsverfahren erzeugt werden. In einer bestimmten Ausführungsform kann die RTB-Schicht 16 durch Sputtern, entweder DC-Sputtern oder HF-Sputtern, auf der TCO-Schicht 14 erzeugt werden. Zum Beispiel kann die RTB-Schicht 16 unter Verwendung eines DC-Sputterverfahrens durch Anlegen eines DC-Stroms auf ein metallisches Quellenmaterial (z.B. elementares Zink, elementares Zinn oder ein Gemisch derselben) und Sputtern des metallischen Quellenmaterials auf die TCO-Schicht 14 in Gegenwart einer oxidierenden Atmosphäre (z.B. eines O₂-Gases) abgeschieden werden. Wenn die oxidierende Atmosphäre Sauerstoffgas (d.h. O₂) enthält, kann die Atmosphäre mehr als etwa 95% reinen Sauerstoffs, wie beispielsweise mehr als etwa 99% reinen Sauerstoffs aufweisen.
In manchen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 eine Dicke zwischen etwa 0,075 µm und etwa 1 µm, z.B. von etwa 0,1 µm bis etwa 0,5 µm, aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 eine Dicke zwischen etwa 0,08 µm und etwa 0,2 µm, z.B. von etwa 0,1 µm bis etwa 0,15 µm, aufweisen.
Die Cadmiumsulfidschicht 18 ist auf der resistiven transparenten Pufferschicht 16 der beispielhaften Vorrichtung 10 veranschaulicht. Die Cadmiumsulfidschicht 18 ist eine n-leitende Schicht, die allgemein Cadmiumsulfid (CdS) enthält, jedoch ferner weitere Materialien, wie beispielsweise Zinksulfid, Cadmiumzinksulfid, etc. und Gemische derselben, sowie Dotierstoffe und andere Fremdstoffe enthalten kann. In einer speziellen Ausführungsform kann die Cadmiumsulfidschicht Sauerstoff von bis zu etwa 25% des atomaren Prozentsatzes, z.B. von etwa 5 Atomprozent bis etwa 20 Atomprozent, enthalten. Die Cadmiumsulfidschicht 18 kann eine weite Bandlücke (z.B. von etwa 2,25 eV bis etwa 2,5 eV, wie beispielsweise etwa 2,4 eV) aufweisen, um der meisten Strahlungsenergie (z.B. Sonnenstrahlung) zu gestatten hindurchzutreten. An sich wird die Cadmiumsulfidschicht 18 als eine transparente Schicht auf der Vorrichtung 10 betrachtet.
Die Cadmiumsulfidschicht 18 kann durch Sputtern, chemische Dampfphasenabscheidung, chemische Badabscheidung und andere geeignete Abscheidungsverfahren erzeugt werden. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Cadmiumsulfidschicht 18 durch Sputtern, entweder Gleichspannungs(DC)-Sputtern oder Hochfrequenz(HF)-Sputtern, auf der resistiven transparenten Schicht 16 erzeugt werden. Eine Sputterbeschichtung umfasst allgemein ein Herausstoßen von Material aus einem Target, das die Materialquelle bildet, und Abscheiden des herausgestoßenen Materials auf dem Substrat, um den Film zu bilden. DC-Sputtern umfasst allgemein ein Anlegen einer Spannung an ein Metalltarget (d.h. die Kathode), das in der Nähe des Substrats (d.h. der Anode) innerhalb einer Sputterkammer positioniert ist, um eine Gleichstromentladung zu bilden. Die Sputterkammer kann eine reaktive Atmosphäre (z.B. eine Sauerstoffatmosphäre, Stickstoffatmosphäre, Fluoratmosphäre) aufweisen, die ein Plasmafeld zwischen dem Metalltarget und dem Substrat ausbildet. Der Druck der reaktiven Atmosphäre kann für Magnetron-Sputtern zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr betragen. Wenn bei der Anwendung der Spannung Metallatome aus dem Target heausgelöst werden, können die Metallatome mit dem Plasma reagieren und sich auf der Oberfläche des Substrats ablagern. Zum Beispiel können die von dem Metalltarget herausgelösten Metallatome, wenn die Atmosphäre Sauerstoff enthält, eine metallische Oxidschicht auf dem Substrat bilden. Hingegen umfasst HF-Sputtern ein Hervorrufen einer kapazitiven Entladung durch Anlegen eines Wechselstrom(AC)- oder Hochfrequenz(HF)-Signals zwischen dem Target (z.B. einem keramischen Quellenmaterial) und dem Substrat. Die Sputterkammer kann eine inerte Atmosphäre (z.B. eine Argonatmosphäre) mit einem Druck zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr aufweisen.
Aufgrund der Gegenwart der resistiven transparenten Schicht 16 kann die Cadmiumsulfidschicht 18 eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als etwa 0,1 µm, wie beispielsweise zwischen etwa 10 nm und etwa 100 nm, wie beispielsweise von etwa 50 nm bis etwa 80 nm, mit einer minimalen Gegenwart von Nadellöchern zwischen der resistiven transparenten Schicht 16 und der Cadmiumsulfidschicht 18. Außerdem reduziert eine Cadmiumsulfidschicht 18 mit einer Dicke von weniger als etwa 0,1 µm jede Adsorption von Strahlungsenergie durch die Cadmiumsulfidschicht 18, wodurch sie effektiv die Menge der Strahlungsenergie vergrößert, die die darunter liegende Cadmiumtelluridschicht 22 erreicht.
Die Cadmiumtelluridschicht 20 ist in der beispielhaften Cadmiumtellurid-Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung 10 nach 1 auf der Cadmiumsulfidschicht 18 veranschaulicht. Die Cadmiumtelluridschicht 20 ist eine p-leitende Schicht, die im Wesentlichen Cadmiumtellurid (CdTe) enthält, jedoch auch andere Materialien enthalten kann. Wie die p-leitende Schicht der Vorrichtung 10 ist die Cadmiumtelluridschicht 20 die Photovoltaikschicht, die mit der Cadmiumsulfidschicht 18 (d.h. der n-leitenden Schicht) wechselwirkt, um aus der Adsorption von Strahlungsenergie durch Absorption des Großteils der in die Vorrichtung 10 eintretenden Strahlungsenergie aufgrund ihres hohen Absorptionskoeffizienten und durch Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren Strom zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Cadmiumtelluridschicht 20 im Wesentlichen aus Cadmiumtellurid hergestellt sein und kann eine Bandlücke aufweisen, die passend ausgelegt ist, um Strahlungsenergie zu absorbieren (z.B. von etwa 1,4 eV bis etwa 1,5 eV, wie beispielsweise von etwa 1,45 eV), um bei der Absorption der Strahlungsenergie die maximale Anzahl von Elektron-Loch-Paaren mit dem höchsten elektrischen Potential (Spannung) zu erzeugen. Elektronen können von der p-Seite (d.h. der Cadmiumtelluridschicht 20) über den Übergang zu der n-Seite (d.h. der Cadmiumsulfidschicht 18) wandern, und umgekehrt können Löcher von der n-Seite zu der p-Seite hindurchtreten. Somit bildet der zwischen der Cadmiumsulfidschicht 18 und der Cadmiumtelluridschicht 20 gebildete p-n-Übergang eine Diode, in der das Ladungsungleichgewicht zu der Erzeugung eines den p-n-Übergang überspannenden elektrischen Feldes führt. Es wird ermöglicht, dass konventioneller Strom in nur einer Richtung fließt und die lichtinduzierten Elektron-Loch-Paare trennt.
Die Cadmiumtelluridschicht 20 kann durch jeden beliebigen bekannten Prozess, wie beispielsweise Abscheidung unter Dampftransport, chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), Sprühpyrolyse, Elektroabscheidung, Sputtern, Close-Space-Sublimation (CSS, Sublimation bei geringem Abstand), etc., erzeugt werden. In einer bestimmten Ausführungsform wird die Cadmiumsulfidschicht 18 durch Sputtern abgeschieden, und die Cadmiumtelluridschicht 20 wird durch Close-Space-Sublimation abgeschieden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Cadmiumtelluridschicht 20 eine Dicke zwischen etwa 0,1 µm und etwa 10 µm, wie beispielsweise von etwa 1 µm bis etwa 5 µm, aufweisen. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Cadmiumtelluridschicht 20 eine Dicke zwischen etwa 2 µm und etwa 4 µm, wie beispielsweise von etwa 3 µm, aufweisen.
Es kann eine Reihe von Nacherzeugungs-Behandlungen auf die freiliegende Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 angewandt werden. Diese Behandlungen können die Funktionalität der Cadmiumtelluridschicht 20 anpassen und ihre Oberfläche für die nachfolgende Haftung an den Rückkontaktschichten 22 und 24 vorbereiten. Zum Beispiel kann die Cadmiumtelluridschicht 20 bei erhöhten Temperaturen (von z.B. etwa 350°C bis etwa 500°C, wie beispielsweise von etwa 375°C bis etwa 424°C) für eine hinreichende Zeitdauer (von z.B. etwa 1 bis etwa 10 Minuten) geglüht bzw. angelassen werden, um eine p-leitende Qualitätsschicht aus Cadmiumtellurid zu erzeugen. Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass ein Glühen bzw. Anlassen der Cadmiumtelluridschicht 20 (und der Vorrichtung 20) die normalerweise n-leitende Cadmiumtelluridschicht 20 in eine p-leitende Cadmiumtelluridschicht 20 mit einem relativ niedrigen spezifischen Widerstand wandelt. Außerdem kann die Cadmiumtelluridschicht 20 während des Glühens rekristallisieren und ein Kornwachstum erfahren.
Ein Glühen der Cadmiumtelluridschicht 20 kann in der Gegenwart von Cadmiumchlorid durchgeführt werden, um die Cadmiumtelluridschicht 20 mit Chloridionen zu dotieren. Zum Beispiel kann die Cadmiumtelluridschicht 20 mit einer wässrigen Lösung, die Cadmiumchlorid enthält, gespült und anschließend bei der erhöhten Temperatur geglüht werden.
In einer bestimmten Ausführungsform kann nach dem Glühen der Cadmiumtelluridschicht 20 in der Gegenwart von Cadmiumchlorid die Oberfläche gespült werden, um jedes auf der Oberfläche gebildete Cadmiumoxid zu entfernen. Diese O-berflächenvorbereitung kann eine Te-reiche Oberfläche auf der Cadmiumtelluridschicht 20 hinterlassen, indem Oxide, wie beispielsweise CdO, CdTeO₃, CdTe₂O₅, etc., von der Oberfläche entfernt werden. Zum Beispiel kann die Oberfläche mit einem geeigneten Lösungsmittel (z.B. Ethylendiamin, das auch als 1,2-Diaminoethan oder „DAE“ bezeichnet wird) gespült werden, um jedes Cadmiumoxid von der Oberfläche zu entfernen.
Außerdem kann Kupfer der Cadmiumtelluridschicht 20 hinzugegeben werden. Gemeinsam mit einer geeigneten Ätzung kann die Hinzugabe von Kupfer zu der Cadmiumtelluridschicht 20 eine Oberfläche aus Kupfertellurid auf der Cadmiumtelluridschicht 20 bilden, um einen elektrischen Kontakt mit geringem Widerstand zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 (d.h. der p-Schicht) und der(den) Rückkontaktschicht(en) zu erhalten. Insbesondere kann die Hinzugabe von Kupfer eine Oberflächenschicht aus Kupfertellurid (Cu₂Te) zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 und der Rückkontaktschicht 22 erzeugen. Somit kann die Te-reiche Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 die Sammlung des durch die Vorrichtung erzeugten Stroms durch einen geringeren Widerstand zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 und der Rückkontaktschicht 22 verbessern.
Kupfer kann auf die freiliegende Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 durch einen beliebigen Prozess aufgebracht werden. Zum Beispiel kann Kupfer auf die Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 in einer Lösung mit einem geeigneten Lösungsmittel (z.B. Methanol, Wasser oder dergleichen oder Kombinationen von diesen) aufgesprüht oder geschwemmt werden, wonach ein Glühen oder Anlassen folgt. In bestimmten Ausführungsformen kann das Kupfer in der Lösung in Form von Kupferchlorid, Kupferjodid oder Kupferazetat geliefert werden. Die Glühtemperatur ist hinreichend, um eine Diffusion der Kupferionen in die Cadmiumtelluridschicht 20 zu ermöglichen, wie beispielsweise von etwa 125°C bis etwa 300°C (z.B. von etwa 150°C bis etwa 200°C), für etwa 5 Minuten bis etwa 30 Minuten, wie beispielsweise von etwa 10 bis etwa 25 Minuten.
Der Rückkontakt wird aus der Graphitschicht 22 und der Metallkontaktschicht 22, die auf der Cadmiumtelluridschicht 20 veranschaulicht sind, gebildet und dient allgemein als der elektrische Rückkontakt im Verhältnis zu der gegenüberliegenden TCO-Schicht 14, die als der elektrische Frontkontakt dient. Der Rückkontakt ist auf und in einer Ausführungsform in direktem Kontakt mit der Cadmiumtelluridschicht 20 ausgebildet.
Die Graphitschicht 22 kann eine Polymermischung oder eine Kohlepaste enthalten und kann auf die Halbleitervorrichtung durch jedes geeignete Verfahren zum Verteilen der Mischung oder Paste, wie beispielsweise Siebdruck, Sprühen oder durch einen „rakelartigen“ Abstreicher aufgebracht werden. Nach der Aufbringung der Graphitmischung oder Kohlepaste kann die Vorrichtung 20 erhitzt werden, um die Mischung oder Paste in die leitfähige Graphitschicht 22 umzuwandeln. Die Graphitschicht 22 kann in bestimmten Ausführungsformen eine Dicke von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm, z.B. von etwa 1 µm bis etwa 5 µm, haben.
Die Metallkontaktschicht 24 wird in geeigneter Weise aus einem oder mehreren hochleitfähigen Materialien, wie beispielsweise elementarem Nickel, Chrom, Kupfer, Zinn, Aluminium, Gold, Silber, Technetium oder Legierungen oder Mischungen derselben hergestellt. Die Metallkontaktschicht 24 wird, wenn sie aus einem oder mehreren Metallen hergestellt ist oder ein oder mehrere Metalle aufweist, in geeigneter Weise durch eine Methode, wie beispielsweise durch Sputtern oder Metallaufdampfung, aufgebracht. Die Metallkontaktschicht 24 kann eine Dicke von etwa 0,1 µm bis etwa 1,5 µm aufweisen.
Es können weitere (nicht veranschaulichte) Komponenten in der beispielhaften Vorrichtung 10, wie beispielsweise Stromschienen, externe Verdrahtungen, Laserätzungen, etc., enthalten sein. Zum Beispiel können, wenn die Vorrichtung 10 eine Photovoltaikzelle eines Photovoltaikmoduls bildet, mehrere Photovoltaikzellen in Reihe miteinander verbunden sein, um eine gewünschte Spannung, wie beispielsweise durch eine elektrische verdrahtungsbasierte Verbindung, zu erreichen. Jedes Ende der in Reihe verbundenen Zellen kann an einen geeigneten Leiter, wie beispielsweise einen Draht oder eine Sammelschiene, angeschlossen sein, um den photovoltaisch erzeugten Strom zu geeigneten Stellen zur Verbindung mit einer Vorrichtung oder einem anderen System, das die erzeugte Elektrizität nutzt, zu leiten. Ein geeignetes Mittel zur Erreichung derartiger Reihenverbindungen ist ein Laserritzen der Vorrichtung, um die Vorrichtung in eine Reihe von Zellen aufzuteilen, die durch Zwischenverbindungen miteinander verbunden sind. In einer bestimmten Ausführungsform kann z.B. ein Laser dazu verwendet werden, die abgeschiedenen Schichten der Halbleitervorrichtung zu ritzen, um die Vorrichtung in mehrere in Reihe miteinander verbundene Zellen zu unterteilen, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit 8 beschrieben ist.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es sind Verfahren zum Laserritzen eines Schichtstapels 13, der mehrere Dünnfilmschichten auf einem Substrat 12 aufweist, geschaffen. Ein Impuls eines Laserstrahls 30 wird auf den Schichtstapel 13 angewandt, wobei der Laserstrahl 30 eine Leistung aufweist, die während des Impulses in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einem vordefinierten Leistungszyklus variiert. Zum Beispiel kann der Impuls einen Impuls aufweisen, der etwa 0,1 Nanosekunden bis etwa 500 Nanosekunden dauert. Der Impuls des Laserstrahls 30 kann über dem Schichtstapel 13 wiederholt werden, um eine Ritzlinie durch wenigstens eine der Dünnfilmschichten auf dem Substrat 12 zu erzeugen. Derartige Verfahren sind insbesondere zum Laserritzen einer Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierten Photovoltaikvorrichtung 10 nützlich.
Bezugszeichenliste
Bezugszeichen Teil

10: PV-Vorrichtung
11: PV-Zellen
12: Glassubstrat
13: Schichtstapel
14: TCO-Schicht
16: RTB-Schicht
18: CdS-Schicht
20: CdTe-Schicht
21: Erste Isolationsritzlinie
22: Graphitschicht
23: Reihenverbindungsritzlinie
24: Metallkontaktschicht
26: Zweite Isolationsritzlinie
28: System
30: Laserstrahl
32: Laserquelle
33: Linse
34: Rechenvorrichtung
36: Kommunikationsvorrichtung
38: Freiliegende Fläche
40: Ritzlinie
42: Innere Fläche
44: Ritzlinie
50: System
52: Rahmen
53: Seitenkante
54: Fördersystem
56: Rollen
100: Leistungszyklus
102: Erstes Leistungsniveau
104: Zweites Leistungsniveau
Tp: Impuls
106: Drittes Leistungsniveau

Claims

Verfahren zum Laserritzen eines Schichtstapels (13), der mehrere Dünnfilmschichten auf einem Substrat (12) aufweist, das beinhaltet: Anwenden eines Impulses eines Laserstrahls (30) auf den Schichtstapel (13), wobei der Laserstrahl (30) eine Leistung aufweist, die in Abhängigkeit von der Zeit während des Impulses variiert, um einen vorbestimmten Leistungszyklus zu vervollständigen, wobei der Impuls 0,1 Nanosekunden bis 500 Nanosekunden dauert; und Wiederholen des Impulses des Laserstrahls (30) über dem Schichtstapel (13), um eine Ritzlinie (44) durch wenigstens zwei der Dünnfilmschichten zu erzeugen, wobei der Leistungszyklus ein erstes Leistungsniveau (102) und ein zweites Leistungsniveau (104) aufweist, wobei die Leistungsniveaus (102, 104) jeweils so eingestellt sind, dass sie an Eigenschaften einzelner Dünnfilmschichten angepasst sind, und wobei sich das erste Leistungsniveau (102) vom zweiten Leistungsniveau (104) unterscheidet, wobei das erste Leistungsniveau konfiguriert ist, um eine erste Dünnfilmschicht zu durchtrennen, und wobei das zweite Leistungsniveau konfiguriert ist, um eine darunter liegende zweite Dünnfilmschicht zu durchtrennen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Leistung des Laserstrahls (30) auf dem ersten Leistungsniveau (102) während einer ersten Zeitdauer verbleibt, die etwa 10% bis etwa 90% der Impulsdauer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Leistung des Laserstrahls auf dem zweiten Leistungsniveau (104) während einer zweiten Zeitdauer verbleibt, die kürzer ist als die erste Zeitdauer, und wobei das erste Leistungsniveau geringer ist als das zweite Leistungsniveau.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite Zeitdauer 0,5% bis weniger als 50% der Impulsdauer beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Leistungszyklus außerdem ein drittes Leistungsniveau (106) definiert, das sich sowohl von dem ersten Leistungsniveau als auch von dem zweiten Leistungsniveau (104) unterscheidet, wobei die Leistung des Laserstrahls (30) auf dem dritten Leistungsniveau (106) während einer dritten Zeitdauer bleibt, die 0,001% bis 50% der Impulsdauer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Leistung des Laserstrahls (30) während 0,01% bis 25% der Impulsdauer auf dem dritten Leistungsniveau (106) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das erste Leistungsniveau (102) geringer ist als sowohl das dritte Leistungsniveau (106) als auch das zweite Leistungsniveau (104) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das dritte Leistungsniveau (106) sequentiell vor dem ersten Leistungsniveau (102) in dem Leistungszyklus des Impulses auftritt und bei dem das erste Leistungsniveau sequentiell vor dem zweiten Leistungsniveau (104) in dem Leistungszyklus des Impulses auftritt.
Verfahren zum Laserritzen einer Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierten Photovoltaikvorrichtung, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen der Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierten Photovoltaikvorrichtung (10), wobei die Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierte Photovoltaikvorrichtung (10) ein Glas-Superstrat (12) und einen Schichtstapel (13) mit mehreren Dünnfilmschichten (14, 16, 18, 20) aufweist, wobei der Schichtstapel (13) eine transparente leitfähige Oxidschicht (14) über dem Glas-Superstrat (12), eine resistive transparente Pufferschicht (16) über der transparenten leitfähigen Oxidschicht (14), eine Cadmiumsulfidschicht (18) über der resistiven transparenten Pufferschicht (16) und eine Cadmiumtelluridschicht (20) über der Cadmiumsulfidschicht (18) aufweist; Anwenden eines Impulses eines Laserstrahls (30) auf den Schichtstapel (13), wobei der Laserstrahl (30) eine Leistung aufweist, die während des Impulses in Abhängigkeit von der Zeit gemäß einem vordefinierten Leistungszyklus variiert, wobei der Impuls 0,1 Nanosekunden bis 500 Nanosekunden dauert; und Wiederholen des Impulses des Laserstrahls (30) über der Cadmiumtellurid-Dünnfilm-basierten Photovoltaikvorrichtung (10), um eine Ritzlinie durch wenigstens zwei der Dünnfilmschichten in dem Schichtstapel (13) zu erzeugen, wobei der Leistungszyklus ein erstes Leistungsniveau (102) und ein zweites Leistungsniveau (104) definiert, wobei sich das erste Leistungsniveau (102) von dem zweiten Leistungsniveau (104) unterscheidet, wobei das erste Leistungsniveau konfiguriert ist, um eine erste Dünnfilmschicht zu durchtrennen, und wobei das zweite Leistungsniveau konfiguriert ist, um eine darunter liegende zweite Dünnfilmschicht zu durchtrennen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Leistung des Laserstrahls (30) auf dem ersten Leistungsniveau (102) während einer ersten Zeitdauer verbleibt, die 10% bis 90% der Impulsdauer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das erste Leistungsniveau (102) sequentiell vor dem zweiten Leistungsniveau in dem Leistungszyklus des Impulses auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Leistung des Laserstrahls (30) auf dem ersten Leistungsniveau (102) während einer ersten Zeitdauer verbleibt und bei dem die Leistung des Laserstrahls (30) auf dem zweiten Leistungsniveau (104) während einer zweiten Zeitdauer verbleibt, die kürzer ist als die erste Zeitdauer, und wobei das erste Leistungsniveau (102) geringer ist als das zweite Leistungsniveau (104).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Leistungszyklus außerdem ein drittes Leistungsniveau (106) definiert, das sich sowohl von dem ersten Leistungsniveau (102) als auch von dem zweiten Leistungsniveau (104) unterscheidet, wobei die Leistung des Laserstrahls auf dem dritten Leistungsniveau während einer dritten Zeitdauer verbleibt, die 0,5% bis 50% der Impulsdauer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das dritte Leistungsniveau (106) sequentiell vor dem ersten Leistungsniveau (102) in dem Leistungszyklus des Impulses auftritt und bei dem das erste Leistungsniveau (102) sequentiell vor dem zweiten Leistungsniveau (104) in dem Leistungszyklus des Impulses auftritt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das erste Leistungsniveau (102) geringer ist als sowohl das dritte Leistungsniveau (106) als auch das zweite Leistungsniveau (104).
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das zweite Leistungsniveau (104) geringer ist als das dritte Leistungsniveau (106) .