JP2015506586A - 不連続レーザスクライブラインを用いるための方法及び構造 - Google Patents
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Abstract
薄膜光電池デバイスは、基板と、該基板に連結された第１の導電層とを含んでいる。第１の導電層は、第１の導電層の第１の部分を貫通して基板の一部まで延びる少なくとも１つの溝を含んでいる。また、デバイスは、第１の導電層の残りの部分と基板の一部とに連結された少なくとも１つの半導体層を含んでいる。少なくとも１つの半導体層は、それぞれ少なくとも１つの半導体層の一部を貫通して第１の導電層の一部まで延びる複数の非重複ビアを含んでいる。さらに、デバイスは、少なくとも１つの半導体層の残りの部分と第１の導電層の一部とに連結された第２の導電層を含んでいる。第２の導電層は、前記第２の導電層の一部を貫通して前記少なくとも１つの半導体層の一部まで延びる少なくとも１つの第２の溝を含んでいる。
Description
二セレン化銅インジウムガリウム（ＧＩＧＳ）は、薄膜光電池（ＰＶ）パネルを生産するための材料として普及している。ＣＩＧＳは、現在、薄膜単接合セル効率に関して２０Ａ％効率という世界記録を有している。新しい材料に対しては新しい挑戦がなされるが、ＣＩＧＳも例外ではない。レーザスクライビングは、長い間、アモルファスシリコン（ａ-Ｓｉ）とテルル化カドミウム（ＣＡＴＯ）のモノリシック配線を形成するために選択されるプロセス（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３スクライブプロセスと典型的に呼ばれる）であったが、Ｐ２ステップ及びＰ３ステップのためのレーザ加工に関してＣＩＧＳは課題を有している。レーザ加工された領域における膜の導電率の増加を引き起こす熱的影響は、ＰＶセルの電気的性能に対して害を与える。ピコ秒レーザプロセスでさえ、溶解した縁部や残渣によって証明されるように、この有害な熱的影響を完全に排除できない。実質的な熱的影響なくＣＩＧＳ膜をスクライブすることができる低ナノ秒のレベルでは、狭いプロセスウィンドウが存在することが知られている。プログラマブルファイバレーザのパルス調整能力を用いても、ＣＭＳにおけるＰ２スクライブ及びＰ３スクライブでは良好な結果が得られないことが多い。
したがって、当該技術分野においては、ＣＩＧＳ及び他のＰＶ材料のレーザスクライビングに関して改良された方法及びシステムが必要とされている。
本発明は、概して、レーザ加工システムに関するものである。特に、本発明は、薄膜ＰＶモジュールを製造するための方法及びシステムに関するものである。単なる例として、本発明は、Ｐ２スクライブ及び半導体層と上面の導体層との界面で終端するＰ３スクライブのために、非重複ビアを用いてＰ２スクライブ及びＰ３スクライブをレーザスクライビングするための方法及びシステムに適用される。本方法及びシステムは、他の電子デバイス、光学デバイス、及び光電子デバイスのためのスクライビングプロセスを含む他の様々なレーザ加工用途に適用することができる。
本発明の一実施形態によれば、薄膜光電池モジュールを形成する方法が提供される。この方法では、第１の面と、該第１の面と反対側の第２の面とを有する基板を用意する。上記基板は、上記第１の面に連結される第１の導電層を有している。また、この方法では、上記第１の導電層の一部を除去して上記第１の面の一部を露出させ、上記第１の導電層の残りの部分と上記第１の面の上記一部とに連結される少なくとも１つの半導体層を形成する。さらに、レーザエネルギーを用いて上記少なくとも１つの半導体層の第１の部分を除去して、上記少なくとも１つの半導体層の上記除去された第１の部分を貫通して上記第１の導電層まで延びる複数の非重複ビアを形成し、上記少なくとも１つの半導体層の残りの部分と上記複数のビアによって露出された上記第１の導電層の部分とに連結される第２の導電層を形成し、レーザエネルギーを用いて上記第２の導電層の一部を除去して、上記少なくとも１つの半導体層の第２の部分を露出させる。
本発明の他の実施形態によれば、基板上に配置された薄膜構造にパターンをスクライブするレーザによる加工方法が提供される。上記薄膜構造は、上記基板に連結された第１の導電層と、上記第１の導電層に連結された少なくとも１つの半導体層と、上記少なくとも１つの半導体層に連結された第２の導電層とを備える。この方法では、レーザパルス列を上記薄膜構造に当たるように照射する。このレーザパルス列は、上記少なくとも１つの半導体層の少なくとも１つの層に関するバンドギャップエネルギーよりも大きい光子エネルギーによって特徴付けられる。この方法では、上記レーザパルス列のエネルギーを用いて記第２の導電層の一部を除去して、上記第２の導電層の第１の面から上記少なくとも１つの半導体層まで延びる少なくとも１つの連続溝を形成する。
本発明の代替実施形態によれば、薄膜光電池デバイスが提供される。この薄膜光電池デバイスは、第１の面と上記第１の面と反対側の第２の面とを有する基板と、上記基板の上記第１の面に連結された第１の導電層とを含んでいる。この第１の導電層は、上記第１の導電層の第１の部分を貫通して上記基板の上記第１の面の一部まで延びる少なくとも１つの第１の溝を含んでいる。また、上記薄膜光電池デバイスは、上記第１の導電層の残りの部分と上記基板の上記第１の面の一部とに連結された少なくとも１つの半導体層を含んでいる。この少なくとも１つの半導体層は、それぞれ上記少なくとも１つの半導体層の一部を貫通して上記第１の導電層の一部まで延びる複数の非重複ビアを含んでいる。さらに、上記薄膜光電池デバイスは、上記少なくとも１つの半導体層の残りの部分と上記第１の導電層の一部とに連結された第２の導電層を含んでいる。この第２の導電層は、上記第２の導電層の一部を貫通して上記少なくとも１つの半導体層の一部まで延びる少なくとも１つの第２の溝を含んでいる。
本発明により従来技術にはない数々の利点が得られる。例えば、本発明の実施形態は、薄膜ＰＶモジュール内に不連続Ｐ２スクライブを形成するレーザによる方法であって、次の利点の１つ以上を達成する方法を提供する。（１）それぞれの非重複ビア内の残渣が少ない状態で半導体材料を実質的に清浄に除去することができる。（２）それぞれのビアの壁面及び半導体層内の隣接領域に対する熱的ダメージを低減又は最小化できる。また、本発明の実施形態は、薄膜ＰＶモジュール内に連続Ｐ３スクライブを形成するレーザによる方法であって、次の利点の１つ以上を達成する方法を提供する。（１）スクライブされた溝内の残渣が少ない状態で裏面の半導体材料を実質的に清浄に除去することができる。（２）スクライブされた溝の底部にある本来の半導体表面を保護することができる。（３）スクライブ抵抗を機械的スクライブのスクライブ抵抗に匹敵する程度に改善又は最適化することができる。
本発明のこれらの実施形態及び他の実施形態を、本発明の利点や特徴の多くとともに、以下の説明及び添付図面との関係でより詳細に説明する。
本発明の実施形態は、レーザ加工システムに関するものである。特に、本発明の実施形態は、薄膜ＰＶモジュールを製造するための方法及びシステムに関するものである。単なる例として、本発明は、Ｐ２スクライブ及び半導体と導体との界面で終端する連続Ｐ３スクライブのための非重複ビアを用いるＰ２及びＰ３レーザスクライビングプロセスのための方法及びシステムに適用される。この方法及びシステムは、他の電子デバイス、光学デバイス、及び光電子デバイスのためのスクライビングプロセスを含む他の様々なレーザ加工用途に適用することができる。
図１Ａから図１Ｃは、薄膜ＰＶデバイスや他の種類のデバイスを製造する際に使用されるＰ２又はＰ３レーザスクライビングプロセスを示す簡略化された模式的断面図である。図１Ａに示されるように、典型的な薄膜ＰＶモジュールでは、第１の導電層１０４が基板１０２上に形成される。さらに、半導体層１０６が第１の導電層１０４上に形成される。次に、第２の導電層１０８が半導体層１０６上に形成される。第１の導電層１０４、半導体層１０６、及び第２の導電層１０８のそれぞれは、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタリング法、又はその他の周知の薄膜成膜技術によって形成され得る。基板１０２は、ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、サファイヤ、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ケイ素とゲルマニウムの合金、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガラス、プラスチック、又はこれらの組み合わせなどでもよい。第１の導電層１０４と第２の導電層１０８のそれぞれは、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ、又はこれらの組み合わせなどの金属でもよい。また、第１の導電層１０４は、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ、ＣＩＯ、ＣＺＯ、ＧＺＯ、ＦＴＯ、又はこれらの組み合わせなどの透明導電酸化物（ＴＣＯ）であってもよい。半導体層１０６は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、微結晶ケイ素（μｃＳｉ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、二セレン化銅インジウム、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、又はこれらの組む合わせなどであってもよい。様々な実施形態によれば、半導体層１０４は、単接合ＰＶデバイスを形成するための半導体材料の単一の層であってもよく、多接合ＰＶデバイスを形成するための異なる半導体材料の複数の層であってもよい。
モノリシック直列接続薄膜ＰＶモジュールを形成するために、第１の導電層１０４がスクライブされて（Ｐ１、図１では図示せず）、第１の導電層１０４が複数のセルに分離される。半導体層１０６がスクライブされて（Ｐ２）、あるセル内の第２の導電層１０８とこれに隣接するセル内の第１の導電層１０４との間に電気的な通路が形成される。最終スクライブ（Ｐ３）は、第２の導電層が形成された後に行われ、セルが分離される。Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれを機械的スクライビング又はレーザスクライビングによって行ってもよい。機械的スクライビングの場合、チップアウトが生じる傾向があり、スクライビング針の定期的な洗浄及び取り替えが必要となるので、維持コストが比較的高くなるという欠点がある。したがって、材料によってはレーザスクライビングが好ましいスクライビング方法とされている。伝統的に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのようなＱスイッチパルスレーザ源がレーザスクライビングに使用されている。しかしながら、立ち上がり時間と立ち下がり時間が概して遅いというスイッチレーザの特性が、ＰＶセルの電気的性能に害を与える熱的影響を引き起こす。
これと対照的に、米国特許第７９９８８３８号（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）で述べられているように、調整パルス形状を有するファイバレーザによって生成されたレーザパルス列は、溝内の残留物がほとんどないか全くなく、溝の壁面やその隣接領域にダメージがほとんどないか全くなく、その下にある導電層に対してダメージがほとんどないか全くないような状態で、良質のＰ２スクライブライン及びＰ３スクライブラインをＣＩＧＳ薄膜ＰＶモジュール内に生成することができる。本発明の実施形態を限定することなく、そのような良質のスクライビング結果は脆性破壊プロセスによって達成されることが理解されよう。このプロセスでは、レーザパルスのエネルギーが第１の導電層１０４と半導体層１０６との間の界面で吸収され、この界面で熱が蓄積する原因となる。この熱は、次にＣＩＧＳ内のセレンの気化を引き起こす。そして、このセレンの蒸気圧が、上部にあるＣＩＧＳ材料を事実上固体の断片として引き離す。
しかしながら、調整パルス形状を用いたそのようなレーザスクライビングプロセスであっても、連続した良好なＰ２スクライブライン及びＰ３スクライブラインをＣＩＧＳ内に生成できない場合がある。このような欠陥は、先のレーザパルスによって生成されたＣＩＧＳ層の層剥離（delamination）の結果として理解できよう。図１Ｂに示されるように、第１のレーザパルス１１６がＣＩＧＳ層内の第１のビア１１０を生成する際に、第１のレーザパルス１１６が第１のビア１１０に隣接するＣＩＧＳ層の一部も剥離してしまう。図１Ｃに示されるように、第２のレーザパルス１１２が、剥離したＣＩＧＳ層の領域に照射される。この結果、セレン蒸気は、層剥離がない場合と比較するとより大きな体積にまで膨張する。そのため、セレンの蒸気圧は、上側にある層を吹き飛ばすのには不十分な程度にまで減少する。この結果として、ＣＩＧＳ層の領域１１４は、脆性破壊プロセスのように固体の断片として吹き飛ばされるのではなく、溶融する。
図１Ｄは、本発明の実施形態において、ビアスペーシングを変化させて形成された一連のビアを示す画像である。不連続Ｐ２スクライブライン１２０〜１７０のそれぞれは、ＣＩＧＳ層に形成された一連のビアである。各ビアは、単一レーザパルスによって形成される。左から右に向かって、各スクライブライン内の隣接するビア間の間隔が狭くなっている。スクライブライン１２０、１３０、及び１４０において見られるように、隣接するビア間の間隔が比較的大きい場合には、縁部が明確なビアが形成される。しかしながら、スクライブライン１５０、１６０、及び１７０で示されているように、隣接するビアがほとんど重なる程度まで隣接するビアの間の間隔が小さくなると、ビアは裂け始め、ビアの縁部は不明瞭になる。
図２Ａは本発明の一実施形態における薄膜ＰＶデバイス２００を示す簡略化された模式的断面図であり、図２Ｂは本発明の一実施形態における薄膜ＰＶデバイス２００を示す簡略化された平面図である。ＰＶデバイス２００は、第１の面２１６と、第１の面２１６の反対側の第２の面２１８とを有する基板２０２を備えている。ＰＶデバイス２００は、基板２０２の第１の面２１６に連結された第１の導電層２０４をさらに備えている。Ｐ１レーザスクライビングによって少なくとも１つの第１の連続スクライブライン２１０が第１の導電層２０４に形成される。第１のスクライブライン２１０は、導電層２０４の第１の部分を貫通して基板２０４の第１の面２１６の一部まで延びている。ＰＶデバイス２００は、第１の導電層２０４の残った部分と、第１のスクライブライン２１０によって露出された基板２０２の第１の面２１６の一部とに連結された少なくとも１つの半導体層２０６をさらに備えている。Ｐ２レーザスクライビングによって、複数の非重複ビア２１２が上記少なくとも１つの半導体層２０６に形成される。各ビア２１２は、少なくとも１つの半導体層２０６の第１の部分を貫通して第１の導電層２０４の第２の部分まで延びている。ＰＶデバイス２００は、少なくとも１つの半導体層２０６の残りの部分及び複数のビア２１２によって露出された第１の導電層２０４の第２の部分に連結される第２の導電層２０８をさらに備えている。Ｐ３レーザスクライビングによって、少なくとも１つの第２の連続スクライブライン２１４が第２の導電層２０８に形成される。少なくとも１つの第２の連続スクライブライン２１４は、第２の導電層２０８の一部を貫通して少なくとも１つの半導体層２０６の第２の部分まで延びている。
本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの第１の連続スクライブライン２１０は、第１の経路に沿って、好ましくはＰＶデバイス２００の縁部と平行に配置される。複数の非重複ビア２１２は、第１の経路に対して実質的に平行である少なくとも１つの第２の経路に沿って配置される。少なくとも１つの第２の連続スクライブライン２１４は、同様に第１の経路に対して実質的に平行である第３の経路に沿って配置される。
薄膜ＰＶデバイス２００は２つの重要な特性を有している。第一に、ＰＶデバイス２００は、連続Ｐ２スクライブラインに代えて、複数の非重複ビア２１２の形態の非連続Ｐ２スクライブラインを有している。ある実施形態においては、各ビア２１２は単一レーザパルスによって形成される。第二に、薄膜ＰＶデバイス２００は、従来のＣＩＧＳ薄膜モジュールのように半導体層２０６と第１の導電層２０４の界面ではなく、半導体層２０６と第２の導電層２０８の界面で終端する連続Ｐ３スクライブを有している。
本発明の一実施形態によれば、半導体層２０６はＣＩＧＳを含んでいる。上述したように、調整パルス形状のレーザパルスを用いる場合であっても、ＣＩＧＳをレーザスクライビングすると、典型的には、下側にある導電層２０４からのＣＩＧＳ層２０６の層剥離によって、良好な連続Ｐ２又はＰ３スクライブラインを生成することに関して問題が生ずる。一方、図１Ｄに示されるように、明確に規定される非重複ビア２１２をＣＩＧＳ層２０６に形成することができる。一実施形態によれば、レーザパルスは、ＣＩＧＳのバンドギャップエネルギーにほぼ等しい光子エネルギーに相当する約１０６４ｎｍの波長により特徴付けられる。したがって、レーザパルス中の大量の光が、ＣＩＧＳ層２０６と第１の導電層２０４の界面に達する。上述したように、この界面でレーザパルスエネルギーが吸収されることにより、上側にあるＣＩＧＳ層において脆性破壊が生じ、その結果、明確に規定されるビア２１２が得られる。一実施形態によれば、各レーザパルスは、パルス幅が約２ｎｓから約５ｎｓの実質的に方形波である時間的パルス波形により特徴付けられる。一実施形態によれば、各レーザパルスは、約１０μＪから約２０μＪの範囲のエネルギーを有する。他の実施形態では、他の時間的パルス波形とエネルギー範囲が用いられる。ある実施形態では、本明細書で述べられた方法（特にＰ３プロセス）を実施するために、１０６４ｎｍの波長（１．１６５ｅＶの光子エネルギー）の光が利用される。他の実施形態においては、波長１０６４ｎｍの光の２倍のエネルギーをもつ波長５３２ｎｍの光（２．３３ｅＶの光子エネルギー）を含む、他の波長の光が用いられる。本明細書で述べられるように、光子波長は、半導体が透明になる程度に波長が十分に長いことが好ましいＰ２プロセスにおいては特に重要である。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
図３は、本発明の一実施形態において、図２Ａ及び図２Ｂに示されたＰＶデバイスに類似する薄膜ＰＶモジュール３００の簡略化された模式的断面図である。薄膜ＰＶモジュール３００は、複数の連続Ｐ３スクライブライン２１４によって分離された複数のＰＶセル３４０ａ及び３４０ｂを備えている。半導体層２０６に形成された非重複ビア２１２は、あるセル３４０ａの第２の導電層２０６から隣接するセル３４０ｂの第１の導電層２０４に流れる電流３５０の通路を提供している。このように、複数のＰＶセル３４０は互いに直列に接続される。この特有の電気的構造は、本発明の実施形態に必要とされるものではなく、薄膜ＰＶモジュールのセルを接続する方法の一例である。
図４Ａは、本発明の一実施形態において、Ｐ２レーザスクライビングによって形成される一連の円形ビア４０２の画像である。各ビアの断面領域は、レーザパルスのスポット領域によって規定される。一実施形態によれば、各レーザは、直径が約５０μｍから約７５μｍの範囲にある円形スポット領域を有する。他の実施形態では、以下により詳細に述べるように、正方形や矩形など他の幾何形状が用いられる。一実施形態によれば、隣接するビアの間の間隔４０６は、各ビアの半径よりも大きく、各ビアの直径よりも小さい。
本発明の他の実施形態によれば、不連続Ｐ２スクライブラインが非円形ビアであってもよい。図４Ｂは、本発明の他の実施形態において、Ｐ２レーザスクライビングによって形成された一連の細長ビア４０４の画像である。各ビア４０４は、Ｐ２スクライブラインの経路に沿って細長くなっている。各ビア４０４は、１以上のレーザパルスによって形成されてもよい。
Ｐ３スクライブライン２１４はＰＶモジュール内の複数のＰＶセルを互いに分離するものであるため、図３で示される実施形態では、Ｐ３スクライブラインは連続している。従来のＰＶモジュールでは、Ｐ２スクライビング及びＰ３スクライビングの両方に対して同じタイプのレーザ加工法が用いられることが多い。しかしながら、上述したように、下側にある第１の導電層２０４からのＣＩＧＳ層２０６の層剥離のために、このようなＰ３レーザスクライビングプロセスでは、ＣＩＧＳ内で良好なスクライブラインを生成できないことがある。したがって、本発明の一実施形態によれば、半導体層２０６と第２の導電層２０８の界面で終端する連続Ｐ３スクライブライン２１４を形成するＰ３のために、異なるタイプのレーザスクライビングプロセスが使用される。半導体層２０６は比較的高いシート抵抗を有するため、このようなＰ３スクライブライン２１４はＰＶセルを分離するのに有効であり、シャント電流損失が低減するか、あるいは最小化される。
本発明の一実施形態によれば、それぞれの連続Ｐ３スクライブライン２１４は、約５３２ｎｍの波長によって特徴付けられるレーザパルス列によって形成される。この波長は、ＣＩＧＳのバンドキャップエネルギーよりも高い光子エネルギーに相当するため、レーザ光は、ＣＩＧＳ層２０６の非常に深い位置まで達することがなく、ＣＩＧＳ層２０６内に悪影響を与える熱的影響を引き起こす。図５は、本発明の一実施形態におけるＴＣＯ層（濃く色づけされた左右の外縁領域）内に形成されたＰ３スクライブライン５２０（明るく色づけされた中央領域）の画像である。図５に示されたデバイスの形状測定結果によれば、５３２ｎｍのレーザパルスによって形成されたＰ３スクライブラインはＣＩＧＳ層２０６を貫通せず、本来のＣＩＧＳの表面形態が保たれる。Ｐ３スクライブラインの幅はレーザスポットサイズによって決定される。一実施形態によれば、レーザビームスポットの直径は、約２５μｍから約３０μｍの範囲にある。図５を参照すると、図示されたＰ３スクライブを形成するための条件は、パルス幅約２ｎｓ、パルス繰り返し率４０ｋＨｚ、パルスエネルギーが約１．５μＪ、実質的に方形波である時間的パルス波形のレーザパルスであった。他の実施形態では、レーザビームスポットサイズは直径約１０μｍから約１００μｍの範囲にあり、パルス幅は約１ｎｓから約２５ｎｓの範囲にあり、パルス繰り返し率は約１０ｋＨｚから約８０ｋＨｚの範囲にあり、パルスエネルギーは約０．４μＪから約２４μＪの範囲にある。
図６は、本発明の一実施形態における薄膜ＰＶモジュールを形成するための方法を示す簡略化されたフローチャートである。方法６００では、第１の面と第１の面と反対側の第２の面を有する基板が用意される（６１０）。この基板は、上記第１の面に連結された第１の導電層を有する。ある実施形態では、上記基板は、ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、サファイヤ、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ケイ素とゲルマニウムの合金、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガラス、プラスチック、又はこれらの組合せなどでもよい。ある実施形態では、上記第１の面と上記第２の面は、互いに実質的に平行であるが、これは本発明において必要とされるものではない。第１の導電層は、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ、又はこれらの１以上の組み合わせなどの１以上の金属を含んでいてもよい。さらに、第１の導電層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ、ＣＩＯ、ＣＺＯ、ＧＺＯ、ＦＴＯ、又はこれらの組み合わせなどのＴＣＯを含んでいてもよい。
また、本方法では、上記第１の導電層の一部を除去して上記第１の面の一部を露出させ（６１２）、上記第１の導電層の残りの部分と上記第１の面の一部とに連結された少なくとも１つの半導体層を形成する（６１４）。半導体層１０６は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、微結晶ケイ素（μｃ−Ｓｉ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、二セレン化銅インジウム、二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、又はこれらの組み合わせなどであってもよい。様々な実施形態によれば、半導体層１０４は、単接合ＰＶデバイスを形成するための半導体材料の単一の層であってもよく、多接合ＰＶデバイスを形成するための異なる半導体材料の複数の層であってもよい。
また、本方法では、レーザエネルギーを用いて上記少なくとも１つの半導体層の一部を除去して、上記少なくとも１つの半導体層の除去された部分を貫通し第１の導電層まで延びる複数の非重複ビアを形成する（６１６）。一実施形態によれば、複数の非重複ビアのそれぞれを形成する際に、上記少なくとも１つの半導体層の一部をアブレートする。他の実施形態では、複数のレーザパルスを用いて非重複ビアのそれぞれを形成する。
さらに、本方法では、上記少なくとも１つの半導体層の残りの部分と複数のビアにより露出された第１の導電層の部分とに連結される第２の導電層を形成する（６１８）。一実施形態によれば、第２の導電層は、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ、ＣＩＯ、ＣＺＯ、ＧＺＯ、ＦＴＯ、又はこれらの組み合わせなどのＴＣＯである。本方法では、レーザエネルギーを用いて第２の導電層の一部を除去して、上記少なくとも１つの半導体層の第２の部分を露出させる（６２０）。
一実施形態によれば、複数の非重複ビアは第１の経路に沿って配置されており、上記少なくとも１つの半導体層の第２の部分は、第１の経路と実質的に平行な第２の経路に沿って配置されている。所定の断面領域と、上記断面領域の第１の寸法よりも大きく上記断面領域の第２の寸法よりも小さい隣接ビア間の間隔とによって複数の非重複ビアのそれぞれを特徴付けてもよい。一例として、上記所定の断面領域は円形であってもよく、断面領域の第１の寸法を上記円形の半径とし、上記断面領域の第２の寸法を上記円形の直径としてもよい。他の実施形態では、上記複数の非重複ビアは、図４Ｂで示したように細長い所定の断面領域によって特徴付けられる。
図６に図示された特定のステップが、本発明の一実施形態における薄膜ＰＶモジュールを形成する特定の方法を提供していることは理解されよう。代替実施形態では、他のステップを実施してもよい。例えば、本発明の代替実施形態では、上記で概説したステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図６に図示した個々のステップは、この個々のステップに適した様々な順番で実施され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途によっては、ステップを追加又は削除してもよい。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
図７は、本発明の一実施形態において、基板上に配置された薄膜構造にパターンをスクライブする方法を示す簡略化されたフローチャートである。薄膜構造は、基板に連結された第１の導電層と、第１の導電層に連結された少なくとも１つの半導体層と、上記少なくとも１つの半導体層に連結された第２の導電層とを備えている。方法７００では、レーザパルス列を薄膜構造に当たるように照射する（７１０）。レーザパルス列は、上記少なくとも１つの半導体層の少なくとも１つの層に関するハンドギャップエネルギーよりも大きい光子エネルギーにより特徴付けられる。また、この方法では、レーザパルス列のエネルギーを用いて第２の導電層の一部を除去して、第２の導電層の第１の面から上記少なくとも１つの半導体層まで延びる少なくとも１つの連続溝を形成する（７１２）。一実施形態では、上記少なくとも１つの連続溝は、上記少なくとも１つの半導体層の内部に実質的に延びていない。
一実施形態によれば、上記レーザパルス列を薄膜構造に当たるように照射する際に、第２の導電層の第１の面を照射する。一例として、少なくとも１つの半導体層は、二セレン化銅インジウムガリウム又は二セレン化銅インジウムを含んでいてもよく、上記光子エネルギーは約１．１６５ｅＶであり得る。
上記第２の導電層は、様々な物質のうちの１つ、例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ2、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ、ＣＩＯ、ＣＺＯ、ＧＺＯ、ＦＴＯ、又はこれらの組み合わせなどのＴＣＯを含んでいてもよい。
図７に図示された特定のステップが、本発明の一実施形態における薄膜構造にパターンをスクライブする特定の方法を提供していることは理解されよう。代替実施形態では、他のステップを実施してもよい。例えば、本発明の代替実施形態では、上記で概説したステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図７に図示した個々のステップは、この個々のステップに適した様々な順番で実施され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途によっては、ステップを追加又は削除してもよい。当業者であれば、多くの変形例、改良例、及び代替例が考えられるであろう。
図８を参照すると、本発明の一実施形態では、所定のパルス形状のパルスバーストを生成するパルスレーザ源８００が設けられる。「整形光学波形を有するパルスレーザ源のための方法及びシステム」という表題の２００８年９月２７日に発行された米国特許第７４２８２５３号には、調整可能パルスレーザ源の例が開示されており、この米国特許はその全体が参照により本出願に組み込まれる。さらに、「整形光学波形を出射するパルスレーザ源のための方法及びシステム」という表題の２００８年９月１２日に出願された米国特許出願第１２／２１００２８号には、調整可能パルスレーザ源の例が開示されており、この米国出願はその全体が参照により本出願に組み込まれる。パルスレーザ源８００は、シード信号を生成するように適合されたシード源８１０と、シード源に連結された第１のポート８１４と第２のポート８２２と第３のポート８１６とを有する光サーキュレータ８２０とを含んでいる。また、パルスレーザ源８００は、上記光サーキュレータの第２のポート８２２に連結された第１の側部８３２と第２の側部８３４とによって特徴付けられる振幅変調器８３０を含んでいる。パルスレーザ源８００は、入力端部８３６と反射端部８４６とによって特徴付けられる第１の光増幅器８５０をさらに含んでいる。上記入力端部は、振幅変調器の第２の側部８３４に連結されている。
さらに、パルスレーザ源８００は、光サーキュレータ８２０の第３のポート８１６に連結される第２の光増幅器８６０を含んでいる。図８は光サーキュレータ８２０の第３のポートに連結された１つの光増幅器を使用する例を示しているが、本発明の実施形態によっては、これは必要とされない。代替実施形態では、特定の用途に適するように光サーキュレータの下流で複数の光増幅器が利用される。
図９は、本発明の一実施形態において、所定のパルス形状を有するパルス列を生成するレーザを使用して薄膜材料ワークピース９０４内に線をスクライブできるレーザ加工システムの例を示している。本システムは、レーザ源９００と、光学系９０２と、コントローラ９０５と、ワークピースホルダ９０３の上部に配置されたワークピース９０４とを含んでいる。レーザ源９００は、波長、パルス長、パルス形状、及びパルス繰り返し率のような所定の特性を有するレーザパルスを提供する。本発明の実施形態によれば、波長、パルス長、及びパルス形状を調整して、所定のパルス形状を有するパルス列を用いて薄膜材料ワークピースに線をスクライブしてもよい。
光学系は、ワークピース上にレーザビームの焦点を合わせるためのレンズ及びミラーと、ワークピース上の様々な位置にビームを照射するための構成要素とを含んでいてもよい。特定の実施形態では、ビームを照射するための構成要素がガルバノメータに搭載されるミラーであってもよい。光学系と、ビームを照射するための構成要素の動作とを制御するためにコントローラを使用してもよい。例えば、薄膜ワークピース９０４に線をスクライブする際に、焦点が合わされた各レーザスポットが、以前に焦点が合わされたレーザスポットと重複部分を有するようにこれに隣接する位置に照射されるように、ワークピースの表面に沿った線内でビームを走査するように、コントローラにより光学系９０２を制御してもよい。他の実施形態では、光学系は、ワークピースの表面にレーザビームの焦点を合わせてもよいし、焦点が合わされた各レーザスポットが、レーザパルス列において以前に焦点が合わされたレーザスポットとスポット重複部分を有するようにこれに隣接する位置に当たるようにワークピースを線上で移動させるように、コントローラによってワークピースホルダを制御してもよい。
本明細書で述べた例や実施形態は、説明するためだけのものであり、その観点から様々な変形や変更が当業者に対して提案され得るし、本出願の精神や範囲及び添付した特許請求の範囲に含まれるべきであることも理解されよう。
Claims (20)
- 薄膜光電池モジュールを形成する方法であって、
第１の面と、該第１の面と反対側の第２の面とを有し、前記第１の面に連結される第１の導電層を有する基板を用意し、
前記第１の導電層の一部を除去して前記第１の面の一部を露出させ、
前記第１の導電層の残りの部分と前記第１の面の前記一部とに連結される少なくとも１つの半導体層を形成し、
レーザエネルギーを用いて前記少なくとも１つの半導体層の第１の部分を除去して、前記少なくとも１つの半導体層の前記除去された第１の部分を貫通して前記第１の導電層まで延びる複数の非重複ビアを形成し、
前記少なくとも１つの半導体層の残りの部分と前記複数のビアによって露出された前記第１の導電層の部分とに連結される第２の導電層を形成し、
レーザエネルギーを用いて前記第２の導電層の一部を除去して、前記少なくとも１つの半導体層の第２の部分を露出させる、
方法。 - 複数の非重複ビアのそれぞれを形成する際に、単一レーザパルスを用いて前記少なくとも１つの半導体層の一部をアブレートする、請求項１の方法。
- 前記複数の非重複ビアは第１の経路に沿って配置され、前記少なくとも１つの半導体層の前記第２の部分は前記第１の経路と実質的に平行である第２の経路に沿って配置されている、
請求項１の方法。 - 前記少なくとも１つの半導体層は二セレン化銅インジウムガリウムを含む、請求項１の方法。
- 前記少なくとも１つの半導体層は、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、又は、二セレン化銅インジウムの少なくとも１つを含む、請求項１の方法。
- 前記複数の非重複ビアのそれぞれは、所定の断面領域によって特徴付けられ、隣接ビア間の間隔が、前記断面領域の第１の寸法よりも大きく、前記断面領域の第２の寸法よりも小さい、請求項１の方法。
- 前記所定の断面領域が円形であり、
前記断面領域の前記第１の寸法が前記円形の半径であり、
前記断面領域の前記第２の寸法が前記円形の直径である、
請求項６の方法。 - 前記複数の非重複ビアのそれぞれは、前記第２の経路の方向に細長い所定の断面領域によって特徴付けられる、請求項３の方法。
- 基板上に配置された薄膜構造であって、前記基板に連結された第１の導電層と、前記第１の導電層に連結された少なくとも１つの半導体層と、前記少なくとも１つの半導体層に連結された第２の導電層とを備える薄膜構造にパターンをスクライブするレーザによる加工方法であって、
前記少なくとも１つの半導体層の少なくとも１つの層に関するバンドギャップエネルギーよりも大きい光子エネルギーによって特徴付けられるレーザパルス列を前記薄膜構造に当たるように照射し、
前記レーザパルス列のエネルギーを用いて記第２の導電層の一部を除去して、前記第２の導電層の第１の面から前記少なくとも１つの半導体層まで延びる少なくとも１つの連続溝を形成する、
方法。 - 前記レーザパルス列を前記薄膜構造に当たるように照射する際に、前記第２の導電層の前記第１の面に照射する、請求項９の方法。
- 前記少なくとも１つの半導体層は、二セレン化銅インジウムガリウム又は二セレン化銅インジウムを含む、請求項９の方法。
- 前記光子エネルギーが約２．２３ｅＶである、請求項１１の方法。
- 前記第２の導電層は透明導電酸化物を含む、請求項９の方法。
- 前記少なくとも１つの連続溝は、前記少なくとも１つの半導体層の内部に実質的に延びていない、請求項９の方法。
- 第１の面と前記第１の面と反対側の第２の面とを有する基板と、
前記基板の前記第１の面に連結された第１の導電層であって、前記第１の導電層の第１の部分を貫通して前記基板の前記第１の面の一部まで延びる少なくとも１つの第１の溝を含む第１の導電層と、
前記第１の導電層の残りの部分と前記基板の前記第１の面の一部とに連結された少なくとも１つの半導体層であって、それぞれ前記少なくとも１つの半導体層の一部を貫通して前記第１の導電層の一部まで延びる複数の非重複ビアを含む少なくとも１つの半導体層と、
前記少なくとも１つの半導体層の残りの部分と前記第１の導電層の一部とに連結された第２の導電層であって、前記第２の導電層の一部を貫通して前記少なくとも１つの半導体層の一部まで延びる少なくとも１つの第２の溝を含む第２の導電層と、
を備えた、薄膜光電池デバイス。 - 前記少なくとも１つの第１の溝が第１の経路に沿って配置され、
前記複数の非重複ビアが、前記第１の経路と実質的に平行である少なくとも１つの第２の経路に沿って配置され、
前記少なくとも１つの第２の溝が、前記第１の経路と実質的に平行である第３の経路に沿って配置されている、
請求項１５の薄膜光電池デバイス。 - 前記少なくとも１つの半導体層は二セレン化銅インジウムガリウムを含む、請求項１５の薄膜光電池デバイス。
- 前記少なくとも１つの半導体層は二セレン化銅インジウムを含む、請求項１５の薄膜光電池デバイス。
- 前記第１の導電層は透明導電酸化物を含む、請求項１７の薄膜光電池デバイス。
- 前記第２の導電層は透明導電酸化物を含む、請求項１５の薄膜光電池デバイス。
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