TWI459570B - 用於製造薄膜太陽電池之方法與設備 - Google Patents
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Description
本發明係關於太陽電池與其製造方法，更特別地關於用於使用雷射刻劃技術在大面積基板上製造薄膜太陽電池的系統與方法。
可藉由使用刻劃雷射或機械建構來形成具有單晶串聯互通之薄膜太陽電池。機械建構可包括光微影或化學蝕刻建構。該建構係有用於形成光電伏打(PV)模組或”陣列”。該等概念使PV模組適合於所希望之輸出特性－Voc
(開路電壓(open circuit voltage))、Isc
(短路電流(short－circuit－current))與FF(填充因子(fill factor)－定義為在最大功率點所產生之最大功率除以Isc
與Voc
之乘積，其值永遠小於1)。因此，該等特徵可具體地隨使用者之需求/應用而定。
已知在基板上形成太陽電池及於該太陽電池之製造時使用雷射刻劃技術。一種使用刻劃雷射製造太陽電池的方法係揭示於美國專利第4,292,092號，此處其係以參考文獻結合。一種使用刻劃雷射製造太陽電池的方法係揭示於美國專利應用出版第US 2005/0272175 A1號，此處其係以參考文獻結合。
根據本發明之一方面，提供一種用於製造薄膜太陽電池的方法。該方法包括在基板上提供第一導電層的步驟，其
中該基板具有至少0.75m2
之面積且該第一導電層位於該面積之沉積部分。應用紫外線雷射光束穿透透鏡至該第一導電層。刻劃第一導電層的部分直到基板以形成穿透第一導電層之溝渠。該透鏡使紫外線雷射光束聚焦且具有大於100mm的焦距。聚焦後之紫外線雷射光束包括有效於刻劃之有效部分與無效於刻劃之無效部分。基板下垂使得在應用步驟期間被刻劃之第一導電層的部分，當被刻劃時位於所聚焦之紫外線雷射光束的有效部分內。提供一或多層活性層於第一導電層上。提供第二導電層於該一或多層活性層上。
根據本發明之另一方面，提供一種包括具有至少0.75m2
面積之基板的薄膜太陽電池系統。在該面積之沉積部分中第一導電層係位於基板上。該第一導電層包括ZnO。該第一導電層具有複數條被刻劃直到基板的第一溝渠，以界定複數個不同的第一導電層部分。複數個不同的第一導電層部分係被複數條第一溝渠互相分開。該系統包括紫外線雷射，其包括具有大於100mm之焦距並使紫外線雷射之雷射光束聚焦至第一導電層上以刻劃複數條第一溝渠的透鏡。該雷射光束包括有效於刻劃複數條第一溝渠之有效部分與無效於刻劃複數條第一溝渠之無效部分。當刻劃複數條第一溝渠時該基板下垂且第一導電層的部分維持在雷射光束之有效部分中。一或多層活性層被覆第一導電層的部分。該一或多層活性層具有複數條被刻劃直到第一導電層以界
定複數個不同活性層部分的第二溝渠。複數個不同活性層部分係被複數條第二溝渠互相分開。複數個不同活性層部分之每個不同活性層部分，被覆複數個不同第一導電層部分之對應者的部分。第二導電層被覆部分一或多層活性層。第二導電層具有複數條被刻劃直到底層以界定複數個不同第二導電層部分之第三溝渠。該複數個不同第二導電層部分被複數條第三溝渠互相分開。複數個第二導電層部分之每個不同第二導電層部分，被覆對應不同活性層部分的部分。該太陽電池系統包括複數個在基板上藉由連接第一導電層與第二導電層串聯通電的相鄰太陽電池。
根據本發明之其他部分，提供用於形成薄膜太陽電池之雷射刻劃設備。該設備包括適用於支撐具有至少0.75m2
面積之太陽電池基板與包括ZnO位在該面積之沉積部分中的基板上之導電層的支撐裝置。可選擇性地放置之紫外線雷射產生具有小於400nm之波長的光束。該雷射包括用於聚焦光束之具有至少100mm之焦距的透鏡。該可選擇性地放置之紫外線鐳射係相對於基板為可選擇性地放置。該透鏡使光束聚焦至導電層上使得光束刻劃部分導電層直到基板，以形成穿透導電層之溝渠。該光束包括有效於刻劃部分導電層的有效部分與無效於刻劃部分導電層的無效部分。當基板被支撐裝置支撐時下垂，使得被光束刻劃之部分導電層在被刻劃時位於光束之有效部分內。
第1圖係顯示薄膜、串聯光電伏打(PV)模組之一部分的概要圖。此圖顯示串聯的3個電池(電池n
、電池n＋1
、與電池n＋2
)，即使可製造任何數量所希望的電池，且必要時單獨的電池可被取代為並聯，或不在一起通電。
一般地，如第1圖所示，例如可為玻璃之通常不導電的基板21具有被提供於基板上的第一導電層22。然後，提供一或多層活性層23於第一導電層上，以及提供外部電極層或第二導電層24於活性層上做為第二導電層。各層被分開成為不同部分，藉由一或多層技術、如在應用次層之前使用雷射光束刻劃各層的雷射，分別用於不同太陽電池中的用途。例如，可藉由雷射光束刻劃第一導電層的部分22直到基板21，以形成複數個被複數條第一溝渠25互相分開之複數層的不同第一導電層部分。可刻劃部分一或多層活性層23直到第一導電層22，以形成複數個被複數條第二溝渠27互相分開之不同活性層部分。可刻劃部分第二導電層24直到底層，以形成複數個被複數條第三溝渠26互相分開之第二導電層。如此造成各分別分開導電層、活性層與第二導電層之溝渠25、26、與27成為不同的電池。
由於半導電之活性層透明足以使光通過，故基板21與第一導電層22通常為透明以使光穿透而到達活性層23。再者。可應用後反射器而使得光被強制通過活性層23二次，最終被吸收而加強效率。二擇一地，該第二導電層可被製成透明的而使光能夠由該側到達活性層。
再者，一電池之第二導電層24通常藉由重疊第二導電層在第一導電層上而通電至鄰接電池之第一導電層22，以串聯個別太陽電池，並造成串聯的PV模組。例如，電池n
之部分第二導電層重疊鄰接電池n
之第一導電層的部分，而電池n＋1
之部分第二導電層重疊鄰接電池n＋2
之第一導電層的部分。
可選擇包括氧化鋅(ZnO)之透明導電氧化物(TCO)層用於第一導電層22。如藉由使用低壓化學氣相沉積(LP－CVD)方法、或電漿強化化學氣相沉積(PECVD)方法，可沉積第一導電層22於上表面之沉積部分中基板21的上表面。或者，可使用噴濺方法以沉積TCO層於沉積部分中透明基板上。第一導電層22所在之沉積部分可為基板之整個上表面或部分上表面。範例透明基板包括玻璃與高度透明之UV穩定塑膠。在基板上之沉積後，可使用紫外線雷射光束雷射刻劃部分ZnO TCO層，形成溝渠25並區分第一導電層成為複數個不同的第一導電層部分，每一部分對應於個別的太陽電池。
可使用一或多層活性層以形成p－i－n－接面，通常包括不同摻雜及/或無摻雜矽層。如藉由LP－CVD方法或PECVD方法可沉積彼等活性層於ZnO TCO層。其可導致TCO溝渠25被一或多層活性層所填滿，如第1圖所示。在彼等應用之後，可向下雷射刻劃部分活性層23以暴露第一導電層22，形成溝渠27並區分活性層成為複數個不同活性層部
分，每個部分對應於個別的太陽電池。
然後應用電極層作為第二導電層24於活性層上而形成個別太陽電池之個別的外部電極。第二導電層24可由TCO或完全反射材料所構成，如鋁或其他適當材料。可使用LP－CVD方法或PECVD方法，在活性層上應用第二導電層24，即使亦可使用如噴濺的替代方法。在應用之後，可向下雷射刻劃部分第二導電層24以暴露底層，形成溝渠26並區分第二導電層成為複數個第二導電層部分，每一部分對應於個別的太陽電池。
如第1圖所示，三種所刻劃之溝渠25、26、與27的適當排列，形成PV模組之串聯電池。雖然方便而僅顯示三個單獨電池，但對於任何所希望數目的串聯電池，該方法均類似。
由於ZnO TCO第一導電層22在400nm波長以下具有强吸收，故紫外線Nd：YVO4
雷射(例如，連貫AVIA 355－X 10瓦特(Coherent AVIA 355－X 10 Watt)雷射)在355 nm波長(~3.5eV)的操作可應用於TCO刻劃步驟(見以下所提供之雷射特性)。藉由在ZnO TCO第一導電層22上使用該短波長紫外線雷射光束，更多或大多數雷射光束有效地被ZnO薄膜吸收。其由第2圖之實驗上地衍生曲線圖所示，顯示LP－CVD之吸收所形成的ZnO層。水平軸上方刻度代表雷射波長，而下方刻度代表雷射射到TCO層的相當能量。α代表雷射能量的相對吸收係數。B2
H6
(二硼烷)係在半導體
製程中用於p－摻雜之TCO(ZnO)應用期間所混合的硼－氫摻雜氣體。“sccm”(每分鐘標準立方公分(standard cubic centimeters per minute))代表該氣體之氣體流動測量。可由該圖式見到光能量之相對吸收基本上在2.9 eV以上時或之後增加。因此3.2 eV雷射較2.5或2.0 eV雷射有效率約100倍。
使用這樣的紫外線雷射以形成PV串聯模組，導致ZnO TCO第一導電層22在向下切割至基板21中之有效的熔融與蒸發、及/或削除(見第1圖)。該紫外線雷射光束不僅熔融ZnO材料，並且與雷射光束接觸而蒸發更多或全部ZnO材料，造成乾淨刻痕且大致上平滑的溝渠25(減少或消除溝渠中不希望的顆粒與膨脹)。因此，使用在適當波長下之高能量(短波長)紫外線雷射(以最適化所希望之雷射能量的吸收)，達成高效率並藉由個別電池之適當隔離而造成較高的填充因子(fill factor)FF。同樣地，對於ZnO以外的材料，選擇適當之用於高度吸收的適當雷射亦可提供相似的結果。因此，可藉由使用該用於刻劃TCO層之短波雷射光束，以高刻劃速度(大於10 m/min)可達成極佳的隔離。
第3圖係用於形成PV模組之雷射刻劃系統的概略圖。如上述，在基板21上，透鏡31使來自紫外線雷射33之雷射光束32聚焦於第一導電層22，以刻劃溝渠穿透第一導電層至基板。透鏡31具有結合焦距(f)並以距離(d)位於第一導電層22之上。
具有沉積部分之基板21表面(其中第一導電層22被如PEVCD沉積)可具有至少0.75 m2
之大面積。該“大面積基板”係由於彼等大尺寸與相對應重量，在刻劃期間整個大面積傾向展現顯著的下垂。可在沿著基板的不同點支撐基板21，且在支撐點之間發生下垂。下垂量隨著如基板材料與其厚度和支撐點間距離的因素而變。可盡量保持如低於1 mm之低的下垂。然而，亦可為1 mm以上的下垂。基板21下垂係概略地示於第3圖。
所聚焦之雷射光束具有處理窗(D)，如第4a與4b圖所示。該處理窗(D)提供有效於第一導電層中刻劃溝渠之所聚焦雷射的有效部分。處理窗(D)提供一個距離範圍，其中所聚焦之雷射的功率密度大於所提供之有效值。該有效值可為有效於蒸發及/或削除第一導電層的部分的功率密度值。位於處理窗(D)外部之部分聚焦雷射光束，具有較低功率密度並無效於刻劃第一導電層中之溝渠。
處理窗(D)之長度係隨雷射光束32之寬度與透鏡31之焦距(f)而定。對於所提供之雷射光束寬度方面，可藉由選擇具有較長焦距(f)之透鏡使處理窗(D)變長。其係概略顯示於第4a與4b圖。第4a圖中透鏡31具有63 mm之焦距(f)，同時第4b圖中透鏡具有大於63 mm之焦距(f)。雷射光束32之寬度在第4a與4b圖中大致相同。然而，由於第4b圖中透鏡31之較長波長(f)，故第4b圖中之處理窗(D)較長於第4a圖中之處理窗。
已知先前工藝之刻劃雷射使用具有63 mm波長之透鏡31。由透鏡所建立之處理窗(D)雖可適用於小基板，但可能不適用於至少0.75 m2
之大面積基板，如用於PEVCD沉積系統者。小基板顯現比大面積基板較小的下垂，而且主要由於機械原因，容易地控制透鏡31與被處理(即被刻劃)層間之距離(d)。可移動之透鏡31與雷射33可位於基板21與刻劃層之上，並具有在刻劃層之上距離(d)的透鏡31。可移動之透鏡31與雷射33將隨著預定(例如，預規劃)之刻劃路徑至刻劃層中之刻劃溝渠。當基板21變大、如大於或等於0.75 m2
時，其可能下垂至由63 mm雷射所建立之處理窗(D)之外，其可放置第一導電層22於處理窗(D)之外側。
藉由增加基板尺寸，雷射33與透鏡31的引導系統(例如，y裝置或x－y裝置)變得愈來愈對基板下垂靈敏。基板下垂之補償可能增加刻劃系統之移動量與建造成本。當假設基板為工業級大面積(例如，0.75 m2
)時，擾亂該距離之變數變得愈來愈有關連，特別是當要求可重複刻劃時則導致困難。然而，具有較大焦距之透鏡提供較大的場深度與較大的處理窗(D)，其造成較佳之基板下垂容忍度。
在一具體實施例中，例如基板21為至少0.75 m2
的大面積基板，雷射光束32為具有小於400 nm(例如，約355 nm)之波長，而雷射光束32具有如3.5 mm之6 mm以下的直徑。藉由PEVCD方法沉積第一導電層22於沉積部分中之大面積基板上並包括ZnO。用於聚焦雷射光束32之透鏡
31具有焦距至少100 mm(例如，100 mm與150 mm之間)。如上述，該系統已被測試為有效於刻劃第一導電層22之溝渠，即使由於基板之大面積導致顯著的基板下垂。在刻劃處理期間大面積基板下垂。然而，較大處理窗(D)調和這樣的下垂以使得基板21與雷射光束32直達於其上之第一導電層的部分22維持在所聚焦之雷射光束的有效部分中。因此，透鏡31於雷射33在z方向(例如，垂直方向)的位置在刻劃處理期間大致上維持不變，同時沿著x與y方向之一或二者的預定刻劃路徑移動透鏡與雷射及/或基板。
較大焦距增加光束在焦距中的直徑，因而增大所聚焦之雷射光線的焦點大小。正常而言由於希望縮減焦點大小以致於局部地提高能量密度，故其非有利的。降低焦點大小並局部地提高能量密度可允許較低耗能之雷射的使用。令人驚訝地，已發現藉由以使用具有較大焦距之透鏡提高所聚焦之雷射光束的焦點大小，強化刻劃處理之強韌性(穩定性)。例如，對於粒子刻劃處理較不靈敏。亦發現由於較大刻劃寬度(通常對於較小之63 mm透鏡為20－35 μm比較於10－20 μm)，而改善不同層部分(例如，不同之第一導電層部分)的隔離。改善之隔離可有利於大PV模組，該處電壓差異可能大於200V。
一範例雷射刻劃設備係概略地顯示於第5圖。該雷射刻劃設備包括用於如上述刻劃第一導電層的部分22及/或一或多層活性層第二電極層之可選擇性放置的紫外線雷射33
於透鏡31。該設備進一步包括用於支撐至少具有0.75 m2
面積之基板21的基板支撐裝置35。該基板支撐裝置35可包括用於在x方向移動基板的x桌。可放置基板21於針38或帶/輥(未圖示)。雷射33與透鏡31可選擇性地相對於基板21與支撐裝置35放置。例如，可藉由y裝置36在y方向移動雷射33與透鏡31。由x桌在x方向之基板21與由y裝置36在y方向之透鏡33的組合移動，允許沿著預定之刻劃路徑刻劃。當沿著刻劃路徑移動基板21、雷射33與透鏡31時，透鏡31使雷射光束32聚焦至第一導電層22以刻劃第一導電層中所希望之溝渠。
應瞭解雷射33與透鏡31可二擇一地在x與y之二者方向移動同時基板21在刻劃期間維持固定。而且，基板21可在x與y之二者方向上移動同時雷射33與透鏡31在刻劃期間維持固定。
範例x與z方向係概略地示於第5圖而y方向係垂直於x與z二者之方向。x與y方向可為水平方向。
雷射刻劃設備可包括用於控制y裝置36之移動、因而控制雷射33與透鏡31之移動的控制器37。控制器37亦可控制x桌的操作及基板21與處理層22的移動。控制器37可為電子控制器並可包括處理器。控制器37可包括一個以上微處理器、微控制器、數位訊號處理器(DSP)、特殊積體電路之應用(ASIC)、可場規劃閘陣列(FPGA)、離散邏輯電路或其類似物。控制器37可進一步包括記憶體並可儲存程
式指令，其係使控制器提供此處歸因於它之功能性。該記憶體可包括如唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、可電消除之可規劃ROM(EEPROM)、快閃記憶體等的一種或以上揮發性、非揮發性、磁性、光學性、或電子媒體。
在一具體實施例中，控制器37為可程式控制的並執行刻劃程式。刻劃程式可包括預定之刻劃路徑而控制器37可基於該預定之刻劃路徑控制x桌與y裝置36的移動。控制器37可接收從x桌與y裝置36而來之各種類比及/或數位輸入訊號，如位置與速度輸入訊號，並輸出各種類比及/或數位控制訊息至x桌與y裝置。控制器37亦可與紫外線雷射33之控制操作連繫。
當基板21由支撐裝置35支撐時下垂。如上述，由雷射33與透鏡31所提供之較大處理窗(D)提供下垂以使得基板21與雷射光束直達於其上之第一導電層22的部分維持在所聚焦之雷射光束的有效部分中。因此，透鏡31於雷射33在z方向(例如，垂直方向)的位置在刻劃處理期間大致上維持不變，同時沿著y方向的預定刻劃路徑移動透鏡與雷射及在x方向移動基板。例如，在刻劃處理期間透鏡31於雷射33可在支撐裝置35上維持大致不變的垂直距離。
用於在以ZnO塗布之大面積玻璃基板作為TCO層的薄膜被覆側上刻劃TCO溝渠之可接受的雷射參數，包括8瓦特以上雷射功率與25m/min以上刻劃速度。可利用具有100mm與150mm之間焦距之聚焦透鏡於聚焦TCO刻劃雷射。
實例所應用之UV雷射(連貫AVIA 355－X)之具體說明：
．波長：355 nm．功率：10.0瓦特於60 kHz．脈衝頻率範圍：1 Hz至100 kHz．脈衝長度：<30 ns直到60 kHz．M2：<1.3(TEM00)(波模態)．極化：>100：1，水平．光束直徑(出口)：3.5 mm於1/e2．全角度之光束發散：<0.3 mrad
可利用用於刻劃活性及/或第二電極層23、24(第1圖)之已知方法，如揭示於此處以參考文獻所結合之美國專利第4,292,092號的方法。可使用532 nm雷射刻劃該等層。
用於具有以其他方法(噴濺等)所沉積之ZnO的被覆基板，或其他對於ZnO有相似吸收特性之TCO材料的雷射刻劃或層建構方法，亦可因由以上所揭示之方法而有利的。
很顯然的，本揭示係藉由實例的方法，及可在不悖離所本揭示中所含有之提出者的公開精神下，藉由添加、修飾或消除細節製造各種改變。因此除了以下申請專利範圍必須被限制的範圍外，本發明係不受限於本揭示之特定細節。
21‧‧‧基板
22‧‧‧第一導電層
23‧‧‧活性層
24‧‧‧第二導電層
25‧‧‧第一溝渠
26‧‧‧第三溝渠
27‧‧‧第二溝渠
31‧‧‧透鏡
32‧‧‧雷射光束
33‧‧‧紫外線雷射
35‧‧‧支撐裝置
36‧‧‧y裝置
37‧‧‧控制器
38‧‧‧針
第1圖係許多薄膜串聯之太陽電池的概要圖；第2圖係顯示使用刻劃技術藉由ZnO TCO層所實驗測量
之LP－CVD的吸收之曲線圖；第3圖係使用雷射光束與聚焦透鏡之雷射刻劃技術的概要圖；第4a圖係雷射光束與聚焦透鏡的概要圖；第4b圖係雷射光束與聚焦透鏡的概要圖；以及第5圖係雷射刻劃設備地概要圖。
Claims (16)
- 一種用於製造薄膜太陽電池的方法，其包含之步驟：提供第一導電層於基板上，其中該基板具有至少0.75m2 之面積，而第一導電層位於該面積之沉積部分中；應用紫外線雷射光束經由透鏡至第一導電層，並刻劃第一導電層的部分直到基板而形成穿透第一導電層之溝渠，其中該透鏡使紫外線雷射光束聚焦並具有大於100mm的焦距，其中被聚焦之紫外線雷射光束包括有效於刻劃之有效部份與無效於刻劃之無效部分，以及其中基板下垂而使在應用步驟期間被刻劃之第一導電層的部分係位於刻劃時被聚焦之紫外線雷射光束的有效部分內；提供一或多層活性層於第一導電層上；以及提供第二導電層於一或多層活性層上。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該紫外線雷射光束具有小於400nm之波長。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中該紫外線雷射光束具有約355nm之波長。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中該焦距小於150mm。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中透鏡垂直方向部分在應用步驟期間大致上維持不變。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中該溝渠具有至少20μm之寬度。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中該第一導電層包括ZnO。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中被刻劃之第一導電層的部分係被紫外線雷射光束揮發而使得該溝渠包括大致上平滑的渠壁。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含的步驟：刻劃部分之一或多層之活化層直到第一導電層；以及刻劃部分第二導電層直到底層。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中形成串聯通電之複數層薄膜太陽電池於基板上。
- 一種用於形成薄膜太陽電池的雷射刻劃設備，其包含：一種支撐裝置，其適合於支撐具有至少0.75m2 之面積且包括ZnO之導電層位於基板上並在該面積之沉積部分中之太陽電池基板；以及選擇性可放置之紫外線雷射，其可產生具有小於400nm波長之光束且包括具有至少100mm焦距之用於聚焦該光束之透鏡，其中該選擇性可放置之紫外線雷射係相對於基板而可選擇性地放置，其中該透鏡使該光束聚焦至導電層上以使得光束刻劃部分導電層直到基板以形成穿透導電層的溝渠，其中該光束包括有效於刻劃部分導電層之有效部分 與無效於刻劃部分導電層之無效部分，以及其中當該基板在被支撐裝置支撐時下垂而使得被光束刻劃之部分導電層在被刻劃時位於光束之有效部分內。
- 如申請專利範圍第11項之雷射刻劃設備，其中該雷射係位於離該支撐裝置一段距離，且當聚焦該光束至導電層上時，該距離大致上維持不變。
- 如申請專利範圍第12項之雷射刻劃設備，其中該雷射刻劃設備包括用於執行刻劃程式與控制基於預定刻劃路徑之雷射移動的處理器。
- 如申請專利範圍第13項之雷射刻劃設備，其中該波長約為355nm。
- 如申請專利範圍第14項之雷射刻劃設備，其中該焦距不大於150mm。
- 如申請專利範圍第15項之雷射刻劃設備，其中該溝渠具有至少20μm的寬度並包括大致上平滑的渠壁。
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