TWI595674B - 用於高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統及相關方法 - Google Patents

用於高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統及相關方法 Download PDF

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Description

用於高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統及相 關方法 【優先權】
本申請案主張2014年5月5日申請的美國非臨時專利申請案第14/198,209號的優先權的權利，其為2012年8月10日申請的美國非臨時專利申請案第13/572,387號的連續案，其主張2011年8月10日申請的美國臨時專利申請案第61/522,209號的優先權的權利。上述每個申請案以引用的方式併入本文中。
本發明是有關於一種光伏模組及製造光伏模組的方法，且特別是有關於一種光伏模組及製造光伏模組的方法，其在模組中的機械變形是本質上減少或消除。
一種類型的可撓式光伏(flexible photovoltaic,PV)模組是形成如高分子基板上的薄膜裝置。此裝置的示例如硒化銅銦鎵(Copper-Indium-Gallium-Selenide,CIGS)裝置。硒化銅銦鎵(CIGS)裝置在諸如薄膜沉積製程、裝置圖樣以及最終組裝/封裝上呈現許多挑戰。高分子基板具有重要的意義，這是因為此材料的高溫變化是足以適應CIGS製程，同時此材料保持其介電特性，而得以實現無需任何額外絕緣膜的單體整合(monolithic integration)。
可撓式CIGS裝置中的基本挑戰是，金屬背接觸於高分子上的沉積要先於硒化銅銦鎵(CIGS)P型吸收層的沉積。此背接觸造成歐姆接觸(ohmic contact)至CIGS，並允許電流流經裝置，且通過互連收集至連接到電負載的引線。因此，這種背接觸(通常是金屬)必須同時在裝置製程之前與之後均維持高導電率。亦必須在用於後續薄膜沉積步驟的沉積環境中生存。
依據第一面向，提供一種高分子基板及背接觸結構，以用於光伏 元件。此結構包括高分子基板，高分子基板具有裝置側及背側，光伏元件可位於裝置側，而背側是相對於裝置側。介電層是形成於高分子基板之背側。金屬結構是形成於高分子基板之裝置側。
依據另一面向，提供一種光伏元件。光伏元件包括硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構及高分子基板，高分子基板具有裝置側及背側，硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構可位於裝置側，而背側是相對於裝置側。介電層是形成於高分子基板之背側。金屬結構是形成於高分子基板之裝置側，並位於高分子基板與硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構之間。
依據另一面向，用於形成光伏元件的方法包括以下步驟：(1)配置第一黏著層於高分子基板之背側上；(2)配置介電層於第一黏著層上；(3)於配置介電層的步驟之後，配置金屬結構於高分子基板之裝置側上，而裝置側是相對於背側；以及(4)配置硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構於金屬結構上。
依據另一面向，用於形成光伏元件的方法包括以下步驟：(1)配置介電層於高分子基板之背側上；(2)配置金屬薄膜層於高分子基板之裝置側上，而裝置側是相對於背側；(3)在低於20毫托的壓力下，利用一種基於真空濺鍍沉積製程(vacuum-based sputter deposition process)配置鉬覆蓋層於金屬薄膜層上；以及(4)配置硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構於鉬覆蓋層上。
依據另一面向，用於形成光伏元件的方法包括以下步驟：(1)在低於6毫托的壓力下，利用一種基於真空濺鍍沉積製程配置背側金屬層於高分子基板之背側上；(2)配置金屬薄膜層於高分子基板之裝置側上，而裝置側是相對於背側；(3)配置鉬覆蓋層於金屬薄膜層上；以及(4)配置硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構於鉬覆蓋層上。
依據另一面向，光伏元件包括高分子基板，而高分子基板具有裝置側以及相對於裝置側的背側。介電層是配置於高分子基板之背側上，且金屬薄膜層是配置於高分子基板之裝置側上。鉬覆蓋層是配置於金屬薄膜層上，且鉬覆蓋層具有至少85%鉬的堆積密度(bulk density)。硒化銅銦鎵(CIGS)光伏結構是配置於鉬覆蓋層上。
一種用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，用於形成光伏元件，此方法包含：配置介電層於高分子基板之背側之上；於配置介電層的步驟之後，配置金屬結構於高分子基板之裝置側上， 而裝置側是相對於背側；以及配置硒化銅銦鎵光伏結構於金屬結構上，而配置金屬結構的步驟包含：配置金屬薄膜層於高分子基板之裝置側上；以及配置金屬覆蓋層於金屬薄膜層上，金屬覆蓋層具有與金屬薄膜層不同的成分。
於一實施例中，金屬覆蓋層包含鉬。
於一實施例中，配置金屬覆蓋層的步驟包含：在低於20毫托的壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置金屬覆蓋層。
於一實施例中，金屬覆蓋層包含由鉬形成的第一子層與第二子層，第一子層是配置於金屬薄膜層上，第二子層是配置於第一子層上，且硒化銅銦鎵光伏結構是配置於第二子層上，以及配置金屬覆蓋層的步驟包含：(a)在低於20毫托的第一壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置第一子層，以及(b)在第二壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置第二子層，而第二壓力是大於第一壓力。
於一實施例中，在配置金屬結構於高分子基板之裝置側上之後，更包含配置第二黏著層於高分子基板之裝置側上，第二黏著層包含鉬、鋁、鉻、鈦、氮化鈦(TiN)、金屬氧化物以及金屬氮化物中至少一種。
一種用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，用於形成光伏元件，此方法包含：配置介電層於高分子基板之背側上；配置金屬薄膜層於高分子基板之裝置側上，而裝置側是相對於背側；在低於20毫托的壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置鉬覆蓋層於金屬薄膜層上；以及配置硒化銅銦鎵光伏結構於鉬覆蓋層上。
於一實施例中，鉬覆蓋層包含第一鉬子層與第二鉬子層，而配置鉬覆蓋層於金屬薄膜層上的步驟包含：在低於20毫托的第一壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置第一鉬子層於金屬薄膜層上；以及在第二壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置第二鉬子層於第一鉬子層上，而第二壓力是大於第一壓力。
一種用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，用於形成光伏元件，此方法包含：在低於6毫托的壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置背側金屬層於高分子基板之背側上；配置金屬薄膜層於高分子基板之裝置側上，而裝置側是相對於背側；配置鉬覆蓋層於金屬薄膜層上；以及配置硒化銅銦鎵光伏結構於鉬覆蓋層上。
於一實施例中，鉬覆蓋層包含第一鉬子層與第二鉬子層，而配置鉬覆蓋層於金屬薄膜層上的步驟包含：在低於20毫托的第一壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置第一鉬子層於金屬薄膜層上；以及在第二壓力下，利用基於真空濺鍍沉積製程配置第二鉬子層於第一鉬子層上，而第二壓力是大於第一壓力。
10‧‧‧裝置
12‧‧‧介電膜/介電層/背側介電膜/背側介電層/Al2O3
13、15‧‧‧黏著層
14‧‧‧高分子基板/高溫高分子/基板
16‧‧‧金屬薄膜層/金屬膜/鋁膜/鋁
18‧‧‧鉬覆蓋層/鉬
20‧‧‧CIGS層
22‧‧‧緩衝層
24‧‧‧透明導電氧化物層
400‧‧‧裝置
418‧‧‧雙層鉬覆蓋層/鉬覆蓋層
426‧‧‧第一子層/鉬子層
428‧‧‧第二子層/鉬子層
500、600‧‧‧方法
502、504、506、508、602、604、606、608‧‧‧步驟
700‧‧‧裝置
712‧‧‧背側鉬層
從優選面向的更具體描述，如於附圖中說明，上述和其他特徵及優點將是顯而易見的，而在所有不同的視圖中，相同的參考標號指向相同的部件。圖式不一定按比例繪製。在圖式中，為求清晰，層與區域的厚度可被放大。
圖1包括鉬(Mo)的本質應力的曲線圖，於基於真空濺鍍鉬(Mo)沉積製程期間作為氬(Ar)的壓力的函數。
圖2依據一些示例性實施例，包括背接觸的示意性剖視圖，用於高分子上的可撓式單體整合CIGS光伏裝置，而利用作為頂部接觸的多層金屬以及作為背側塗層的氧化物。
圖3依據一些示例性實施例，包括一種介電質-高分子-金屬-鉬(Mo)-硒化銅銦鎵(CIGS)堆疊結構的圖像。
圖4依據一些示例性實施例，包括雙層鉬覆蓋層裝置的示意性剖視圖。
圖5依據一些示例性實施例，繪示用於形成光伏元件的方法。
圖6依據一些示例性實施例，繪示用於形成光伏元件的另一方法。
圖7依據一些示例性實施例，包括裝置的示意性剖視圖，而裝置包括背側鉬層。
對於CIGS裝置，無論基板為何，鉬(Mo)一直為用於背接觸的材料共同選擇。當鉬(Mo)可利用濺鍍或其他薄膜沉積方法而以直接的方式配置時，可能伴隨濺鍍應力狀態的廣大範圍可特別地使得可撓式基板上的沉積變得複雜，尤其是對於那些不具顯著剛度的材質，如高分子。不像剛性基板其上膜應力可容易地通過基板承擔，膜應力在可撓式基板的壽命、表面拓撲結構以及物理特性上具有顯著影響。相較於CIGS層堆疊的金屬及半導體，此類基板(同時表現出優異的介電特性以允許單體整合)，通常還表現高熱膨脹係數以及不一致的熱膨脹係數。因此，存在外在應力(extrinsic stress)結合本質應力(intrinsic stress)，而可翹曲、起皺、變形及以其他方式減少這些可撓式的完整性。另外，背接觸的電特性及機械特性亦影響裝置性能及和黏著性。
圖1包含濺鍍鉬(Mo)的本質應力狀態的曲線圖，於基於真空濺鍍鉬(Mo)沉積製程期間作為氬(Ar)的壓力的函數。在背接觸沉積步驟中本質應力與外在應力的微妙平衡，是因此希望提供一種可行的可撓式光伏裝置。沉積方法、沉積壓力、速率、覆網(web)製程氣體、覆網速率以及傳遞次數全部都是變數，而得平衡以對裝置提供最佳的背接觸。
根據本公開內容，在背接觸中使用兩種或多種不同金屬的多層方法(multilayer approach)是用於替代習知配置於高溫高分子基板兩側的鉬(Mo)膜。根據本公開，高分子基板可例如是聚醯亞胺(polyimide)、聚苯並雙噁唑(polybenzobisoxazole,PBO)、絕緣金屬箔或其他這樣的材料，用於使用高溫CIGS沉積製程(例如多源蒸鍍)的可撓式單體整合CIGS模組。不像習知於高分子兩側使用鉬(Mo)膜的製程以平衡製程的應力，連同隨後的CIGS、硫化鎘(CdS)及透明導電氧化物(TCO)沉積，根據一些示例性實施例，應力平衡背接觸的形成是利用高分子基板之背側上的介質膜，主要高導電但低模數、低成本的金屬薄膜層(例如鋁(Al))施加至高分子的前側，接著將鉬(Mo)薄覆蓋於鋁(Al)膜層。鉬(Mo)可在附加或不附加氧氣的情況下配置於鋁(Al)上。
圖2依據一些示例性實施例，包含背接觸的示意性剖視圖，用於高分子上的可撓式單體整合CIGS光伏裝置，而利用作為頂部接觸的多層金屬以及作為背側塗層的氧化物。請參考圖2，高分子基板14可準備接收由電漿清洗(plasma cleaning)、退火(annealing)或其他製程所配置的材料，而材料是最適合用於特定基板與光伏(PV)裝置的組合。電漿處理涉及一種或多種氣體。每種氣體的份量及百分比可調變，以最佳化處理特定配置的材料。電漿的功率密度及處理的期間亦可調變，以最佳化處理。於電漿處理之前、期間或之後的退火或加熱基板可進一步最佳化處理。根據一些示例性實施例的裝置10包括介電膜12，其可例如為氧化物(諸如二氧化矽SiO2、氧化鋁Al2O3)、氮化物，氮氧化物(諸如鋁或矽的氮氧化物)，而其在此特定示例性實施例中為是氧化鋁Al2O3，形成於高分子基板14之背側。其他介電塗層可能包括高溫矽膠(silicone)、矽樹脂(silicone resin)及其他聚醯亞胺，而可不具有結構特性以用作獨立基板，但具有高溫及高發射率(high-emissivity)特性以能夠增加壓縮應力至高分子基板。在介電 膜12形成之前，可選的黏著層13可形成於高分子基板14之背側上。黏著層13可包括鉬、鋁、鉻、鈦、氮化鈦(TiN)、金屬氧化物以及金屬氮化物中至少一種。可選的黏著層13可做得非常薄，亦即足夠薄以具有非常低的導電性，並對於背側發射率幾乎沒有影響。於隨後的介電膜12氧化沉積，可選的黏著層13可部分氧化，以例如形成鉬(Mo)氧化物、鉻氧化物、鈦氧化物等等。高分子基板14可例如為聚醯亞胺、聚苯並雙噁唑(PBO)、絕緣金屬箔或其他這樣的材料。另一可選的黏著層15可形成在高分子基板14上，以幫助隨後金屬薄膜層16的黏著。黏著層15可包括鉬、鋁、鉻、鈦、氮化鈦(TiN)、金屬氧化物以及金屬氮化物中至少一種。金屬膜16是形成於高分子基板14之前側，或者如果黏著層15存在，金屬膜16是形成於黏著層15之前側。金屬膜16可為高導電性，但低模數及低成本的金屬膜，而例如由鋁、銅(copper)、黃銅(brass)、青銅(bronze)或其他這樣的材料製成。薄的鉬覆蓋層18是形成於金屬膜16上。鉬覆蓋層18可在附加或不附加氧氣的情況下形成。CIGS層20是形成於鉬覆蓋層18上，這確保適當的化學、機械及電性介面至CIGS層20。例如由硫化鎘(CdS)形成的緩衝層22可形成於CIGS層20上，且透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)層24可形成於緩衝層22上。
圖3包含本發明概念的介電質-高分子-金屬-鉬(Mo)-硒化銅銦鎵(CIGS)堆疊結構的圖像，而以4個不同厚度的氧化鋁(Al2O3)背側介電層12呈現。這4個介電層12的示例性厚度是0.0奈米(無背側介電層或塗層)、210奈米、350奈米及640奈米。根據本發明的概念而如圖3所示，可實現應力的平衡。背側介電膜12、金屬膜16(頂側金屬接觸作為電性背接觸)以及隨後沉積的組合，全部平衡各自的應力以實現平坦的材料，而更適合於大量生產製程。
請參考圖3，相較於類似僅有鉬(Mo)背接觸膜，根據本發明概念的介電質-高分子-金屬-鉬(Mo)-硒化銅銦鎵(CIGS)堆疊具有非常小的壓縮應力。這是由於金屬膜16的存在。當於背側上增加介電膜12，基底開始變平坦，且於例如為640奈米的厚度，而所有的應力達成平衡。根據一些示例性實施例，在可撓性單體整合CIGS裝置的比例放大中，沉積某一種膜是重大的進步，而當此膜生存於高溫CIGS沉積製程時，仍可保持足夠的導電性，而其在富含硒(Se)的環境中經歷高溫(超過400℃)。
鉬(Mo)呈現一種挑戰，不僅因為製程參數變化而可在材料表現出 顯著不同的固有應力(inherent stress)，且於鉬(Mo)與底層基板之間的熱膨脹係數(thermal expansion,CTE)的不匹配，隨著高溫製程、基底剛性以及最終隨後膜的機械特性，都可在合成的多層結構中導致龐大應力。如圖1中所示，鉬(Mo)可沉積在不同的本質應力狀態中，範圍從本質的張力至壓縮。隨著如此沉積鉬(Mo)膜，鉬(Mo)中於張力本質應力與壓縮本質應力之間的轉換約在6毫托(mTorr)發生，且壓縮應力狀態呈現最大值約在1.2帕(Pa)。然而，無論在高分子上鉬(Mo)的如此沉積應力狀態如何，在高溫暴露(例如CIGS沉積溫度)之後，高分子上鉬(Mo)的結果是壓縮應力狀態。這些應力可導致薄膜或甚至基板的破裂，尤其當外在應力是以彎曲形式或以其他方式撓曲塗覆基板而附加時。在考量到隨後的沉積步驟，高壓縮鉬(Mo)背接觸的應力平衡是藉由沉積壓縮膜至基板背側而實現。儘管在大多數情況下，在背側上使用鉬(Mo)膜的類型(用於應力平衡)是以不同方式沉積，且與在前側上鉬(Mo)膜(用於背側導電)的厚度不同，但為求實現平坦材料，應力狀態是平衡的，且如頂部表面具有多層金屬、半導體及氧化物層，施加對應的鉬(Mo)層至基板底側是必須的，以平衡在頂側上的多層結構。減少皺折是主要原因之一是，執行經由圖樣化電池(patterning cell)而批量處理形成電池板，以避免損壞精密移動墨水頭的列印操作。然而，當於高應力位準時，前後應力的平衡是更加困難。
表1說明沉積金屬(特別是鉬)於高溫高分子基板上的挑戰。當鋁與高分子(相較於鉬)之間的熱膨脹可較為緊密匹配時，鉬(Mo)及鋁(Al)具有比高分子高出數個量級的模數。更重要的是，鋁(Al)的屈服應力(yield stress)是遠低於鉬(Mo)，且高分子在5%拉伸時的應力更接近鋁(相較於鉬)。最後，鉬(Mo)的極限應力(ultimate stress)幾乎是高分子的兩倍。
根據一些示例性實施例，高分子中的總體應力狀態是減小的，且作為結果而提供更平坦而無皺折的基板。因為鉬(Mo)是用於對CIGS的適當介面，但亦是在基板上針對高應力的一個主要原因，根據本發明的概念，其用途已被最小化，而以最低需求遮罩(mask)底層主要金屬膜的工作函數(work function)，如表2所示。在一些示例性實施例中，儘管可使用銅(Cu)及其他高導電性材料(例如黃銅或青銅)作為配方，但主要金屬膜的選擇是鋁(Al)。CIGS裝置依賴其金屬背接觸的正常工作函數以適當地作用。當其可能使用金屬箔(無絕緣層)搭配隨後的鉬沉積以遮罩金屬箔基板的工作函數，而在沒有鉬(Mo)應力覆沒(overwhelming)基板的情況下，非高分子基板的固有剛性能實現能力以應用更厚的鉬(Mo)膜。利用根據本發明概念的實施例的高分子製程及其較低的機械特性，藉由底層主要薄膜背接觸材料(鋁，鉬等)的鉬(Mo)工作函數的期望遮罩效應是仔細平衡在鉬(Mo)中的高應力，以能增加較大的鉬(Mo)厚度。再者，在無絕緣層的情況下使用金屬箔直接排除單體整合光伏裝置的能力，因此，限制裝置結構以離散各個電池。
一些示例性實施例的鋁鉬(AlMo)堆疊提供優於傳統單層或多層鉬背接觸的幾個優點。
(1)可藉由鋁膜16所指示的應力狀態堆積下製成膜，而鋁膜16的厚度遠厚於鉬覆蓋層18。因此減少在前側金屬化中的整體應力狀態。
(2)相較於基準鉬(Mo)膜，鋁鉬(AlMo)堆疊實現更大的平面導電性，超過數量級的改善而顯示於表2中。這導致在能力上相較於習知裝置可傳送更大電流，且對於單體整合模組能實現更大的電池間距(寬度)。較大的電池等同 於較少的互連，從而降低了互連相關的損失。測量用的樣品表明在片電阻(sheet resistance)中數量級的減少，從基準2(Ω/平方米)下降至0.2(Ω/平方米)。這種改善在基準狀態下對於電池間距(寬度)證實允許增加將近一倍，從而同時降低由兩個因素造成的互連。
(3)當鉬(Mo)對於某些應用具有充分的導電性，其強制(constrain)CIGS具有高電流密度(>30毫安培/平方厘米)的效能。藉由僅使用薄的鉬覆蓋層18，並依賴鋁的導電性以提供大量導電性，使得實施例的堆疊材料提供非常小的片電阻。亦比較[銅(Cu)(未列於表2)]、鋁(Al)及鉬(Mo)的電特性。鉬(Mo)具有大約鋁(Al)一半的導電率以及小於銅(Cu)三分之一的導電性。然而，由於鋁的工作函數顯著低於鉬(Mo)且鋁容易擴散到CIGS，使得鉬的覆蓋從CIGS保持屏蔽鋁的低工作函數。同樣地，當使用銅(Cu)、黃銅或青銅作為金屬層16時，銅(Cu)在沉積期間將擴散到CIGS。因此，藉由使用鉬覆蓋，當提供適當工作函數介面以確保成功的光電效應時，最佳的電特性同時被保留。
(4)作為在導電結構中的額外好處，薄的鉬覆蓋層18在經由第二道雷射畫線(P2 laser scribe)(例如經由畫線)呈現非常低的電阻通道，進入鋁的(Al)較高導電率。因此，當製程紀錄下的(process of record,POR)的基準P2互連電阻是標稱(nominally)在500-1000(毫歐姆-厘米)之間，但用於此新互連的P2電阻下降至2(毫歐姆-厘米)。僅此一項將大約提升5%的電源輸出，用於特定模組以降低模組損耗。
根據示例性實施例，由於鉬(Mo)足夠厚以在高分子上提供適當的導電性，而高分子在光伏堆疊中相反地貢獻至應力狀態，因此最小化背接觸裝置之鉬(Mo)含量允許另一種不同於鉬(Mo)的材料作為背側膜。根據本揭露內容，藉由消除在背側膜上對於鉬(Mo)的依賴，並藉由在背接觸終將其最小化，得以實現相較於現有技術而顯著的優點。
(a)鉬(Mo)作為介面至CIGS，且因此遮罩鋁(Al)的工作函數以允許裝置最佳化地工作。可利用其他金屬元素或合金做為新基板，此乃因為其變得可用。
(b)在背接觸膜中整體降低應力狀態對於背側膜提供選項。在某一情況下，非昂貴的氧化鋁(Al2O3)膜即是良好的絕緣體，並對高分子提供一定程度的防潮保護，而可被採用。然而，其他的氧化膜亦可採用以增強接合強度至 封裝，且亦可替代為氧氮化物而用於更佳的防潮保護。
(c)憑藉在高分子基板的任一側上減小在膜中的應力狀態，由高分子所經歷的合應力(resultant stress)亦會降低。特別是對於使用於成捲連續式(roll-to-roll)沉積中的高溫高分子，減少的應力狀態將導致降低覆網的皺折及波紋，特別是諸如在CIGS沉積中經歷高溫偏移之後。
(d)當開發新的可撓式不導電基板底(例如苯並雙噁唑(Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole))(PBO)，並引入至可撓式CIGS市場時，降低由背接觸所施加應力的經驗可導致在結構上可完全消除背側膜的需求。
(e)由於實現期望的鉬(Mo)應力狀態是很重要的，沉積速率會受限於標準鉬(Mo)膜，經常需要多個較薄的通道以實現所期望的電氣及應力特性。使用製程紀錄(process of record,POR)的現狀技術膜是在基板之前側上390奈米，及背側上620奈米，合計約稍微超過1微米(1010奈米)。根據示例性實施例中具有新結構的標稱(nominal)鉬(Mo)厚度是大約100-200奈米，或在裝置中減少80-90%鉬的含量。使用示例性實施例的背接觸顯著減少在多層結構中沉積的需求，此外，由於膜顯著變薄，因此從背接觸腔室應導致至少5倍的輸出增加，使得鋁(Al)更容易以高覆網速率進行沉積。
(f)鉬(Mo)在CIGS中視相對昂貴，且大約為鋁(Al)的35倍成本。如上所述，減少鉬(Mo)並以常見元素(鋁、氧化鋁Al2O3)取代顯著地降低背接觸的成本。即使以氧化鋁(Al2O3)替代背側的鉬(Mo)應具有顯著的效果。
如上所述，鋁-鉬(Al-Mo)背接觸已經證明顯著降低片電阻及P2互連電阻。綜合起來，當模組設計最佳化以充分利用這些效果時，這些效果將達到效率的一定比例。即使採用相同的模組設計，模組電源應該會因為減少的P2電阻而增加5%。
根據示例性實施例，取消金屬背側膜並用介電層代替它乃在裝置中提供應力管理以外的熱管理(thermal management)，而在此詳細描述。在真空中加熱基板包括傳導加熱(直接接觸基底)及/或輻射加熱(從某一源頭輻射能量到另一個)。輻射加熱是將熱能量轉移到基板的最常見手段，但能量輸送的程度取決於基板的吸收率(吸收能量的能力)及發射率(輻射熱量至環境中的能力)。例如相較於氧化膜，金屬典型地具有較低的發射率，因此，相較於氧化物，金屬表面較不容易移出其熱量。]因此，在兩側塗佈金屬的高分子可在夾層式高分子基 板中捕獲熱量。在真空中，塗佈高發射率塗層(例如氧化物或氮化物)的表面表能提供輻射冷卻至表面及基板。較涼的背側塗層及基板有助於在高裝置側溫度期間使基板避免劣化及脆化，因此能夠實現更高的裝置側溫度，而產生更高品質的太陽能吸收層。
申請人已經另外地確定理想的是，鉬覆蓋層18是相對密集，以最小化金屬(如鋁或銅)從金屬薄膜層16擴散至CIGS層20。舉例來說，在一些實施例中，鉬覆蓋層18具有至少85%的鉬堆積密度，使得鉬覆蓋層18作為擴散障壁(diffusion barrier)，從而潛在地使金屬薄膜層16之鋁、銅或其他金屬在沒有顯著經由鉬覆蓋層18金屬擴散下，而沉積鄰接至鉬覆蓋層18。例如藉由利用低壓基於真空濺鍍沉積製程，以沉積鉬覆蓋層18而獲得高密度的鉬覆蓋層18。舉例而言，在特定實施例中，鉬覆蓋層18是藉由基於真空濺鍍沉積製程而在低於20毫托(mTorr)的壓力下沉積，且更佳是在低於6毫托下，以獲得高密度的鉬覆蓋層18。
在一些實施例中，鉬覆蓋層18包括多個子層，其中最接近金屬薄膜層16的子層具有較高的密度，而一個或更多其他較遠離金屬薄膜層16的子層具有較低的密度。舉例來說，圖4是裝置400的示意性剖視圖，而其類似於圖2的裝置10，但其中鉬覆蓋層18被替換為雙層鉬覆蓋層418。鉬覆蓋層418包括第一子層426及第二子層428，第一子層426是配置於金屬薄膜層16上，且第二子層428是配置於第一子層426上。第一子層426具有高密度，因此作為擴散障壁以避免金屬從金屬薄膜層16擴散至CIGS層20。另一方面，相較於第一子層426，第二子層428具有較低的密度，因此基本上不禁止擴散。在一特定實施例中，第一子層426是藉由基於真空濺鍍沉積製程而在低於20毫托的壓力下沉積，且更佳是在低於6毫托下，以獲得高密度；且第二子層428是藉由基於真空濺鍍沉積製程而在高於沉積第一子層426所使用的壓力下進行沉積，使得第二子層428具有相較於第一子層426為低的密度。
再者，申請人已經另外地確定，在包括可選的黏著層13的實施例中，其可為期望的理想的是，在金屬薄膜層16和鉬覆蓋層18(或雙層鉬覆蓋層418)之前沉積介電層12。特別地，黏著層13通常至少略微具有導電性，如果金屬薄膜層16及/或鉬覆蓋層18是藉由濺鍍製程而沉積，則黏著層13的存在因此可能會導致產生電弧。然而，沉積介電層12以絕緣黏著層13。因此，在沉積 金屬薄膜層16和鉬覆蓋層18之前，沉積介電層12以在金屬薄膜層16和鉬覆蓋層18的濺鍍沉積期間電弧的可能性。
圖5繪示用於形成光伏元件的方法500。在步驟502中，第一黏著層是配置於高分子基板之背側上。在步驟502的一示例中，黏著層13是配置於高分子基板14之背側上(圖2)。在步驟504中，介電層是配置於黏著層上。在步驟504的一示例中，介電層12是配置於黏著層13上。在步驟506中，於配置介電層的步驟之後，金屬結構是配置於高分子基板之裝置側上，其中裝置側是相對於背側。在步驟506的一示例中，在黏著層13和介電層12配置於基板14之背側之後，金屬薄膜層16和鉬覆蓋層18是配置於基板14的裝置側。在步驟508中，硒化銅銦鎵光伏結構是配置於金屬結構上。在步驟508的一示例中，CIGS層20是配置於鉬覆蓋層18上。
圖6繪示用於形成光伏元件的另一方法600。在步驟602中，介電層是配置於高分子基板之背側上。在步驟602的一示例中，介電層12是配置於高分子基板14之背側上(圖2)。在步驟604中，金屬薄膜層是配置於高分子基板之裝置側上，其中裝置側是相對於背側。在步驟604的一示例中，金屬薄膜層16是配置於基板14之裝置側。在步驟606中，鉬覆蓋層是利用基於真空濺鍍沉積製程，而在低於20毫托的壓力下配置於金屬薄膜層上。在步驟606的一示例中，鉬覆蓋層18是利用基於真空濺鍍沉積製程，而在低於20毫托的壓力下配置於金屬薄膜層16上。在步驟608中，硒化銅銦鎵光伏結構是配置於鉬覆蓋層上。在步驟608的一示例中，CIGS層20是配置於鉬覆蓋層18上。
儘管期望背側層為電介質，但在一些替代實施例中，介電層12是替換為背側金屬層，其中背側金屬層平衡由高分子基板14之裝置側上的膜層所導致的應力。舉例來說，圖7是裝置700的示意性剖視圖，其類似於圖2的裝置10，但其中介電層12被替換為背側鉬層712。在某些實施例中，背側鉬層712是藉由基於真空濺鍍沉積製程，而在低於6毫托(mTorr)的壓力下沉積，且更佳是在低於3毫托下。申請人已發現，在平衡從高分子基板14之裝置側上的膜層而來的應力，這些濺鍍沉積條件是特別有效。此外，藉由調整背側鉬層712的厚度，應力匹配可潛在地達成。此外，在一些實施例中，於沉積製程期間，背側鉬層712是在約10%至30%氧氣的環境氣體中，而氧的存在也可調整應力。在不脫離本發明的範圍下，背側鉬層712可用鉬以外的材料形成。
示例性實施例已於本文描述。舉例來說，示例性實施例已由具體的示例性高分子基板和特定的示例性塗層或膜層的形式來描述。應該理解的是，示例性實施例涉及應力平衡以在改良的光伏裝置中提供背接觸。因此，本揭露內容也適用於其他基板材料和其他背側塗層或膜層。事實上，本揭露內容可適用於其他結構，而這些結構具有其他基板及完全取消背側塗層。
特徵的組合
本揭露內容的各種特徵已在上面詳細描述。除非說明書明確排除特徵的組合，否則本揭露內容涵蓋本文所描述特徵的任何數量的任意或全部組合。下面的示例依據本揭露，而說明本文所揭露及所設想的特徵的某些組合。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，光伏元件可包括CIGS結構。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，介電質可包括二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)以及矽樹脂中至少一種。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，薄的黏著層可配置於介電層與高分子基板之背側之間。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，黏著層可包含鉬(Mo)、鉻(Cr)以及鈦(Ti)中至少一種。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，金屬結構可包括第一金屬層，第一金屬層包括鋁、黃銅、青銅以及銅中至少一個。在介電層配置於高分子基板上之後，金屬結構是選擇性地配置在高分子基板上。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，金屬結構可進一步包括形成於第一金屬層上的鉬層。鉬層選擇性地具有至少85%鉬的堆積密度。鉬層是選擇性地至少部分利用基於真空濺鍍沉積製程，而在低於20毫托的壓力下形成。鉬層選擇性地包括多個子層，其中最接近第一金屬層的子層是利用基於真空濺鍍沉積製程而在低於20毫托的壓力下形成，且遠離第一金屬層的一個或多個其他子層是利用基於真空濺鍍沉積製程，而在高於形成最靠近第一金屬層的子層所使用的壓力下形成。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，金屬結構可進一步包括薄的黏著層，配置於第一金屬層與高分子基板之裝置側之間。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，薄的黏著層可包含鉬、鋁、鈦以及鉻中至少一種。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，金屬結構可進一步包括薄的黏著層，而與高分子層之裝置側接觸。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，薄的黏著層可包含鉬、鋁、鉻、氮化鈦(TiN)、金屬氧化物以及金屬氮化物中至少一種。
在本文詳細描述及/或要求保護的任何實施例中，介電層可由背側金屬層替換，而背側金屬層是利用基於真空濺鍍沉積製程，而在低於6毫托的壓力下形成。背側金屬層可由鉬(Mo)層形成，其中於沉積製程期間，鉬(Mo)層是選擇性地在10%至30%氧氣的環境氣體中形成。
儘管本揭露內容提及示例性實施例，而其會被本領域通常技術人員所理解，在不脫離本揭露內容精神和範圍下，可在形式和細節上做出各種改變。
10‧‧‧裝置
12‧‧‧介電膜/介電層/背側介電膜/背側介電層/Al2O3
13、15‧‧‧黏著層
14‧‧‧高分子基板/高溫高分子/基板
16‧‧‧金屬薄膜層/金屬膜/鋁膜/鋁
18‧‧‧鉬覆蓋層/鉬
20‧‧‧CIGS層
22‧‧‧緩衝層
24‧‧‧透明導電氧化物層

Claims (27)

  1. 一種用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，用於形成一光伏元件，該用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法包含：配置一介電層於一高分子基板之一背側之上；於配置該介電層的步驟之後，配置一金屬結構於該高分子基板之一裝置側上，而該裝置側是相對於該背側；以及配置一硒化銅銦鎵光伏結構於該金屬結構上，配置該金屬結構的步驟包含：配置一金屬薄膜層於該高分子基板之該裝置側上；以及配置一金屬覆蓋層於該金屬薄膜層上，該金屬覆蓋層具有與該金屬薄膜層不同的成分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，在配置該介電層於該高分子基板之該背側之上的步驟之前，更包含配置一第一黏著層於該高分子基板之該背側上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該金屬覆蓋層包含鉬。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該金屬薄膜層包含鋁、黃銅、青銅以及銅中至少一種。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中配置該金屬覆蓋層的步驟包含：在低於20毫托的壓力下，利用一基於真空濺鍍沉積製程配置該金屬覆蓋層。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中：該金屬覆蓋層包含由鉬形成的一第一子層與一第二子層，該第一子層是配置於該金屬薄膜層上，該第二子層是配置於該第一子層上，且該硒化銅銦鎵光伏結構是配置於該第二子層上，以及 配置該金屬覆蓋層的步驟包含：(a)在低於20毫托的一第一壓力下，利用一基於真空濺鍍沉積製程配置該第一子層，以及(b)在一第二壓力下，利用該基於真空濺鍍沉積製程配置該第二子層，而該第二壓力是大於該第一壓力。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括退火(annealing)該高分子基板。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括電漿清洗(plasma cleaning)該高分子基板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括退火該高分子基板。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該介電層包含二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)以及矽樹脂中至少一種。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該第一黏著層包含鉬、鋁、鉻、鈦、氮化鈦(TiN)、金屬氧化物以及金屬氮化物中至少一種。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置該金屬結構於該高分子基板之該裝置側上之後，更包含配置一第二黏著層於該高分子基板之該裝置側上，該第二黏著層包含鉬、鋁、鉻、鈦、氮化鈦(TiN)、金屬氧化物以及金屬氮化物中至少一種。
  13. 一種用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，用於形成一光伏元件，該用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法包含：配置一介電層於一高分子基板之一背側上；配置一金屬薄膜層於該高分子基板之一裝置側上，而該裝置側是相對於該背 側；在低於20毫托的壓力下，利用一基於真空濺鍍沉積製程配置一鉬覆蓋層於該金屬薄膜層上；以及配置一硒化銅銦鎵光伏結構於該鉬覆蓋層上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該金屬薄膜層包含鋁、黃銅、青銅以及銅中至少一種。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括退火該高分子基板。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括電漿清洗該高分子基板。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括退火該高分子基板。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該介電層包含二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)以及矽樹脂中至少一種。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該鉬覆蓋層包含一第一鉬子層與一第二鉬子層，而配置該鉬覆蓋層於該金屬薄膜層上的步驟包含：在低於20毫托的一第一壓力下，利用一基於真空濺鍍沉積製程配置該第一鉬子層於該金屬薄膜層上；以及在一第二壓力下，利用該基於真空濺鍍沉積製程配置該第二鉬子層於該第一鉬子層上，而該第二壓力是大於該第一壓力。
  20. 一種用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，用於形成一光伏元件，該用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法包含： 在低於6毫托的壓力下，利用一基於真空濺鍍沉積製程配置一背側金屬層於一高分子基板之一背側上；配置一金屬薄膜層於該高分子基板之一裝置側上，而該裝置側是相對於該背側；配置一鉬覆蓋層於該金屬薄膜層上；以及配置一硒化銅銦鎵光伏結構於該鉬覆蓋層上。.
  21. 如申請專利範圍第20項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該背側金屬層包含鉬。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該金屬薄膜層包含鋁、黃銅、青銅以及銅中至少一種。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中配置該鉬覆蓋層的步驟包含：在低於20毫托的壓力下，並利用該基於真空濺鍍沉積製程。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，其中該鉬覆蓋層包含一第一鉬子層與一第二鉬子層，而配置該鉬覆蓋層於該金屬薄膜層上的步驟包含：在低於20毫托的一第一壓力下，利用一基於真空濺鍍沉積製程配置該第一鉬子層於該金屬薄膜層上；以及在一第二壓力下，利用該基於真空濺鍍沉積製程配置該第二鉬子層於該第一鉬子層上，而該第二壓力是大於該第一壓力。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括退火該高分子基板。
  26. 如申請專利範圍第22項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括電漿清洗該高分子基板。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之用於形成高分子基板上的可撓式光伏裝置的 多層薄膜背接觸系統之方法，於配置的步驟之前，更包括退火該高分子基板。
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