ITRM940199A1 - Procedimento di fabbricazione di moduli fotovoltaici integrati al silicio amorfo di grande superficie. - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI MODULI FOTOVOLTAICI INTEGRATI AL SILICIO AMORFO DI GRANDE SUPERFICIE,

La presente invenzione riguarda il settore industriale della fabbricazione dei moduli fotovoltaici integrati al silicio amorfo di grande area. Sotto un aspetto più generale, l'invenzione si riferisce alla lavorazione laser su semiconduttori in genere.

Nei disegni allegati, è mostrata una preferita forma di esecuzione dell'invenzione, riportata a titolo di esempio non limitativo, e raffrontata ai sistemi di cui all'attuale stato della tecnica.

Nei disegni:

-La fig. 1 è una vista in sezione, in scala ingrandita, della interconnessione delle celle di un modulo fotovoltaico.

-Le figure 2 e 2A mostrano il particolare di due dei aggiori inconvenienti che si verificano con la tecnica di taglio attualmente nota.

-La fig. 3 mostra schematicamente la tecnica di tracciamento laser secondo l’invenzione.

-La fig. 4 è lo schema a blocchi del procedimento secondo l'invenzione.

Il processo di fabbricazione di moduli fotovoltaici integrati a film sottili di silicio amorfo idrogenato, prevede la realizzazione di diverse celle, su uno stesso substrato, interconnesse in serie tra di loro per aumentare le caratteristiche elettriche del modulo stesso.

La interconnessione in serie di ogni cella con la cella adiacente avviene attraverso il contatto tra l'elettrodo frontale della prima cella con l'elettrodo posteriore della cella successiva. Per celle con struttura TCO/pin/metallo, l'elettrodo anteriore (TCO) deve essere connesso con il rispettivo elettrodo posteriore (metallo).

La fig. 1 illustra schematicamente la sezione trasversale della interconnessione. Il riferimento S indica il substrato, M il metallo, A il silicio amorfo, ed E l'elettrodo anteriore TCO.

Lo spessore del substrato S, nell'esempio indicato, è di 1,1 mm, mentre quello degli altri strati è quello indicato in figura, accanto alla legenda dei materiali.

La corrente fotogenerata nello strato A di silicio amorfo, fluisce verso l'interfaccia a-Si:H/TCO, quindi passa nel TCO e attraverso l'interfaccia TCO/contatto metallico posteriore (della cella seguente), passa nella cella successiva, e così via. I riferimenti ZA e ZI stanno ad indicare rispettivamente la zona attiva, e la zona inattiva.

Allo stato attuale, per la pratica realizzazione dell'interconnessione sono state impiegate le tecniche di mascheratura metallica, di fotolitografia, e di tracciamento laser ("Laser scribing"). Le prime due tecniche comportano procedimenti con rilevanti serie di stadi, complicati e costosi, e pongono grandi limitazioni alle dimensioni dei substrati che possono essere trattati. La mascheratura metallica comporta un sensibile aumento dell'area inattiva della cella, ed i procedimenti fotolitografici, essendo dei processi per via umida, aumentano la possibilità di formazione di micro-fori ("pinholes") nel film amorfo .

La tecnica di interconnessione per via laser ha soppiantato le prime due, ed è il metodo di gran lunga più usato oggigiorno; tuttavia, una serie di problemi è derivata dall'impiego di tale tecnologia di interconnessione che comunque è una tecnologia-chiave per la realizzazione di moduli integrati di elevate prestazioni.

Tali problemi si possono così sintetizzare :

a)- i tre strati da tagliare, nell'ordine TCO-silicio amorfo-metallo, essendo costituiti da materiali differenti, presentano caratteristiche fisiche diverse (calore specifico, densità, conduttività termica, punto di fusione, indice di rifrazione, coefficiente di assorbimento) e di conseguenza, richiedono condizioni di processo differenti ;

b)- poiché gli strati depositati sono molto sottili, la qualità del taglio deve essere elevata non essendo ammissibili fenomeni di rigonfiamento dei bordi del solco ("edge swelling"), nè ricaduta di materiale nell'area intorno al solco ("splattered particles"), che darebbero luogo a corto circuiti; e)- per non danneggiare lo strato sottostante, che comporterebbe corto circuiti ed elevata resistenza in serie, il grado di selettività di ogni taglio deve essere elevato.

Come si vede in fig. 2, il fascio laser L nel praticare il taglio dell'elettrodo anteriore E genera i rigonfiamenti R nei bordi e disperde lungo il taglio le particelle di materiale N le quali, durante la successiva deposizione degli strati A ed M (fig. 2A), formano delle zone di corto circuito, indicate con C.

Inoltre, durante il taglio dello strato amorfo A bisogna evitare che:

i)- lungo i lati del solco il silicio amorfo, a bassa conducibilità elettrica, si trasformi in silicio micro-cristallino altamente conduttivo, fenomeno questo che comporterebbe corto circuiti; ii)- si abbia miscelazione tra gli strati drogati e non della pin, la quale provocherebbe la distruzione della barriera di cella;

iii )— il sottostante TCO si danneggi, nel qual caso aumenterebbe la resistenza di contatto con lo strato metallico successivamente formato e la resistenza serie .

La incisione selettiva (patterning) dell'elettrodo metallico è senz'altro la più difficile da eseguire in considerazione della sua elevata conducibilità termica ed alta riflettività. In conseguenza di questa ultima caratteristica propria del materiale e necessaria per il buon funzionamento di un modulo, sarebbe necessaria una potenza di picco, e quindi una densità di potenza, elevata per tagliare lo strato metallico. Il valore di tale densità di potenza, però, sarebbe senz'altro superiore a quella tollerabile dal sottostante strato di silicio amorfo, senza subire danni.

E' possibile tuttavia rimuovere insieme al metallo anche lo strato di silicio amorfo sottostante. Valgono quindi tutte le considerazioni fatte in precedenza riguardanti il tracciamento dell1 -Si, con l'aggiunta che bisogna evitare che ci sia la miscelazione di alluminio con silicio amorfo, che l'alluminio venga in contatto con il TCO e che ci siano ponti metallici tra due celle contigue, che comporterebbero perdite di corrente, con abbassamento del "fili factor" e quindi dell'efficienza del modulo.

Parte di questi problemi è stata risolta adottando fasci laser con differenti lunghezze d'onda e diverse sorgenti laser, allo scopo di aumentare l'assorbimento di uno strato rispetto all'altro. Tali soluzioni hanno però il grosso limite di essere costose, di aumentare la complessità dell'operazione e dell'uso del laser e di non risolvere definitivamente il problema critico del taglio selettivo dell'elettrodo metallico.

Il metodo di interconnesione laser che forma oggetto della presente invenzione, per risolvere i problemi sopra accennati, ed in particolare quello relativo al terzo taglio laser, consiste essenzialmente nelle seguenti fasi operative :

a)- entrare con il fascio laser dalla parte del vétro invece che frontalmente, evitando così l'azione meccanica della pressione di radiazione che potrebbe dar luogo a fenomeni di rigonfiamento (swelling) come già detto;

b)- controllare lo strato da tagliare attraverso il controllo micrometrico dell'ammontare del "defocus" (distanza tra il piano focale della lente e il piano della superficie dello strato in lavorazione); c)- sfruttare il meccanismo di rimozione del silicio amorfo (riscaldamento con evoluzione esplosiva) per la rimozione dello strato metallico, evitando così i problemi connessi alla elevata riflettività e conducibilità termica di questo strato;

La fig. 3 mostra schematicamente il procedimento di tracciamento posteriore ( "back-scribing") secondo l'invenzione.

Come si vede in figura 3, il fascio laser L agisce sulla faccia posteriore del substrato S, ossia dalla parte opposta a quella su cui sono applicati i tre strati sovrapposti.

In considerazione di quanto sopra, il processo di. fabbricazione di moduli fotovoltaici integrati al silicio amorfo, che prevede tre passaggi con lo stesso laser per l'interconnessione delle singole celle in cui viene diviso il modulo, è del tipo di quello il cui schema a blocchi è mostrato in figura 4. Le fasi del procedimento, indicate coi nùmeri romani da I a VII, sono, nell'ordine, le seguenti:

I- Tracciamento posteriore laser del TCO.

II- Pulizìa del TCO.

III- Deposizione della p-i-n.

IV- Tracciamento posteriore laser della p-i-n.

V- Deposizione dell'elettrodo metallico.

VI- Tracciamento posteriore laser del metallo.

VII- Incapsulamento e prova.

Con il procedimento sopra descritto sono stati realizzati moduli fotovoltaici integrati al silicio amorfo su substrati delle dimensioni di era.

30 x 30, aventi le seguenti caratteristiche:

Vec( tensione a circuito aperto)=23 Volt (28 celle), Isc (corrente di corto circuito)= 300 mA (circa 12mA/cm<2 >)

FF (fili factor)= 0,6.

La qualità del taglio (selettività, bordo del solco, ampiezza dell’area danneggiata in prossimità del bordo) è stata accuratamente esaminata, con buoni risultati.

Da quanto precede, appare evidente che il trovato presenta numerosi vantaggi, in quanto:

elimina la problematicità del taglio dell'elettrodo metallico;

- evita il ricorso a più tipi di laser, e/o la necessità di duplicazione di frequenza nel caso,in cui si utilizzi lo stesso laser (Q-switched Nd-YAG);

rende superfluo qualsiasi altro tentativo di formazione del contatto elettrico posteriore con tecniche tradizionali di evaporazione e sputtering.

L'insegnamento tecnico che forma oggetto della invenzione risulta estensibile anche ai processi di fabbricazione di moduli costituiti da materiali fotovoltaici diversi dal silicio amorfo, come ad esempio il diseleniuro di indio e rame, (CIS) e più in generale, in tutti quei settori dove è richiesto un alto grado di selettività nelle lavorazioni laser di materiali semiconduttori a film sottili .

La presente invenzione è stata illustrata e descritta in una sua preferita forma di esecuzione ma si intende che varianti esecutive potranno in pratica esservi apportate da un esperto del ramo, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione della presenta privativa industriale.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1). Procedimento per la produzione di moduli fotovoltaici di grande area integrati al silicio amorfo, caratterizzato dal fatto che ciascuna fase di taglio viene effettuata facendo agire il fascio laser dalla parte posteriore del substrato anziché frontalmente. 2). Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo strato da tagliare viene controllato mediante la misura micrometrica della distanza ("defocus") tra il piano focale della lente ed il piano della superficie dello strato in lavorazione. 3). Procedimento secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il meccanismo di rimozione del silicio amorfo (riscaldamento con evoluzione esplosiva) viene utilizzato per l'asportazione dello strato metallico, così da evitare i problemi connessi alla elevata riflettività e conducibilità termica del metallo stesso. 4) . Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che ciascuna operazione di tracciamento o taglio laser dalla parte posteriore ("Laser back-scribing") segue la fase di deposizione degli strati costituenti il modulo. 5). Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal Fatto che nel caso di moduli fotovoltaici integrati al silicio amorfo, l'interconnessione delle singole celle in cui viene diviso il modulo è ottenuta mediante tre passaggi effettuati con lo stesso laser. 6). Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che lo strato interposto tra l'elettrodo anteriore e lo strato metallico è costituito da diseleniuro di indio e rame . 7).- Modulo fotovoltaico integrato di grande superficie ottenuto col procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 6. 8). Procedimento per la produzione di moduli fotovoltaici integrati, secondo le rivendicazioni da 1 a 6, sostanzialmente come descritto ed illustrato nei disegni allegati.