專利名稱：用于薄膜光伏電池的無凸臺結(jié)構(gòu)的圖案化電極材料的制作方法
用于薄膜光伏電池的無凸臺結(jié)構(gòu)的圖案化電極材料相關申請的引用本申請要求發(fā)明人Robert D. Wieting于2008年9月30日提交的名為 "PATTERNING ELECTRODE MATERIALS FREE FROM BERMSTRUCTURES FOR THIN FILM PHOTOVOLTAIC CELLS”的美國臨時專利申請第61/101，650的優(yōu)先權(quán)，其被共同轉(zhuǎn)讓并出于
所有目的結(jié)合于此供參考。關于在聯(lián)邦政府贊助的研究和開發(fā)下作出的發(fā)明的權(quán)利的聲明不適用對“序列表”、表格，或在光盤上提交的計算機步驟列表附錄的參考不適用
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及光伏材料和制造方法。更具體地，本發(fā)明提供了用于制作薄膜太陽能電池的方法和結(jié)構(gòu)。僅以舉例方式，本發(fā)明方法包括圖案化用于制造薄膜光伏電池的無凸臺結(jié)構(gòu)(突起結(jié)構(gòu)，berm structures)的電極材料，但應認識到本發(fā)明可具有其它構(gòu)造。從一開始，人類就已經(jīng)應對挑戰(zhàn)來尋找利用能量的方式。能量來自于例如，以石化產(chǎn)品、水力發(fā)電、核能、風、生物質(zhì)、太陽能的形式，以及更原始的形式，例如，木材和煤。在過去的一個世紀中，現(xiàn)代文明已依賴于作為重要能源的石化能量。石化能量包括天然氣和石油。天然氣包括更輕的形式，例如，丁烷和丙烷，通常用于加熱住宅并用作用于烹飪的燃料。 天然氣還包括通常用于運輸目的的汽油、柴油和噴氣燃料。石化產(chǎn)品的更重的形式也可以用來加熱某些地方的住宅。遺憾的是，基于在行星地球上可獲得的量，石化燃料的供應是有限的并且基本上是固定的。另外，由于更多的人以增長的量使用石油產(chǎn)品，所以其迅速地變成稀缺資源，并隨著時間最終被耗盡。近年來，已經(jīng)期望環(huán)境上清潔且可再生的能量來源。清潔能量來源的一個實例是水電力(水力發(fā)電)。水電力來自由水壩例如在內(nèi)華達州的胡佛水壩(Hoover Dam)產(chǎn)生的水流驅(qū)動的發(fā)電機。所產(chǎn)生的電力用來對在加利福尼亞州洛杉磯市的大部分城市供電。清潔且可再生的能量來源還包括風能、波能、生物質(zhì)能等。也就是說，風車將風能轉(zhuǎn)化成更有用形式的能量，例如電能。清潔能源還有的其它類型包括太陽能。在整個本發(fā)明背景并且更具體地在以下內(nèi)容中可以找到關于太陽能的具體細節(jié)。太陽能技術(shù)通常將來自太陽的電磁輻射轉(zhuǎn)化成其它有用形式的能量。這些其它形式的能量包括熱能和電力。對于電力應用，經(jīng)常使用太陽能電池。雖然太陽能在環(huán)境上是清潔的并且從某種角度上已經(jīng)成功，但是，在將其廣泛應用于全世界之前，仍有許多限制有待解決。作為一個實例，一種類型的太陽能電池使用來自半導體材料錠(ingots)的晶體材料。這些晶體材料可以用來制造包括將電磁輻射轉(zhuǎn)化成電力的光伏和光電二極管裝置的光電裝置。然而，晶體材料經(jīng)常是昂貴的并且難以大規(guī)模制造。另外，由這樣的晶體材料制造的裝置經(jīng)常具有較低的能量轉(zhuǎn)換效率。其它類型的太陽能電池使用“薄膜”技術(shù)來形成待
4用于將電磁輻射轉(zhuǎn)化成電力的光敏材料的薄膜。在使用薄膜技術(shù)制造太陽能電池時，存在類似的限制。也就是說，效率經(jīng)常較低。另外，薄膜的可靠性經(jīng)常較差，并且在傳統(tǒng)的環(huán)境應用中不能長時間使用。通常，薄膜難以彼此機械地結(jié)合。并且，薄膜經(jīng)常難于以成本有效的、高效且可靠的方式制造。在整個本說明書并且更具體地在以下內(nèi)容中，可以找到這些傳統(tǒng)技術(shù)的這些和其它限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體上涉及光伏材料和制造方法。更具體地，本發(fā)明提供了用于制作薄膜太陽能電池的方法和結(jié)構(gòu)。僅以舉例方式，本發(fā)明方法包括圖案化用于制造薄膜光伏電池的無凸臺結(jié)構(gòu)(突起結(jié)構(gòu)，berm structures)的電極材料，但應認識到本發(fā)明可具有其它構(gòu)造。在具體實施方式
中，本發(fā)明提供一種用于形成具有圖案化電極膜的薄膜光伏裝置的方法。該方法包括提供包含表面區(qū)域的鈉鈣玻璃基板和形成覆蓋表面區(qū)域的包含鉬材料的下電極層。該方法還包括對下電極層施加來自激光源的一個或多個電磁輻射脈沖。該一個或多個電磁輻射脈沖能夠從下電極層燒蝕一個或多個圖案。該一個或多個圖案包括一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)(berm structures) 0此外，該方法包括使用機械刷裝置(mechanical brushdevice)處理包括一個或多個圖案的下電極層，以去除該一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)。該方法還包括處理包含一個或多個去除掉該一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的圖案的下電極層。此外，該方法包括形成覆蓋下電極層的光伏材料層。光伏材料層包括基于下電極層中一個或多個圖案的互連結(jié)構(gòu)。此外，該方法包括形成覆蓋光伏材料層的第一氧化鋅層。在另一個具體實施方式
中，本發(fā)明提供一種用于形成具有圖案化電極膜的薄膜光伏裝置的方法。該方法包括提供包含表面區(qū)域的鈉鈣玻璃基板和形成覆蓋表面區(qū)域的包含鉬材料的下電極層。該方法還包括對下電極層施加來自激光源的一個或多個電磁輻射脈沖用于從下電極層燒蝕一個或多個圖案。該一個或多個圖案包括一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)(berm structures)。此外，該方法包括使用機械刷裝置和清潔液處理包括一個或多個圖案的下電極層，以去除一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)。此外，該方法包括使用氣刀(gasknife)處理包括去除掉一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的一個或多個圖案的下電極層。氣刀被設置為從下電極層的表面基本上去除包括液滴的任何液體，以干燥包括去除掉一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的一個或多個圖案的下電極層。通過本發(fā)明可實現(xiàn)多種益處。例如，本發(fā)明使用可商購的原材料從而覆蓋合適的基板元件而形成具有半導體材料的薄膜。具有半導體材料的薄膜可被進一步處理形成理想特性(如原子化學計量、雜質(zhì)濃度、載體濃度、摻雜等)的半導體薄膜材料。在具體實施方式
中，本發(fā)明提供了可靠的去除掉凸臺結(jié)構(gòu)等的最終結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明使用通常使用的工具和工藝技術(shù)。取決于實施方式，可實現(xiàn)一種或多種益處。在整個本說明書并且更具體地在以下內(nèi)容中，描述了這些和其它益處。僅以舉例方式，本發(fā)明方法和材料包括由銅銦二硫(copper indiumdisulfide) 物種、銅錫硫(copper tin sulfide)、二硫化鐵等制成的用于單結(jié)電池(single junction cells)或多結(jié)電池(multi-juntion cells)的吸收劑材料。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式制作薄膜光伏電池的方法的簡化流程圖。圖2_4、4A、5、5A、6、6A和7_11是示出根據(jù)本發(fā)明某些實施方式包括用于制作薄膜光伏電池的一系列步驟和結(jié)構(gòu)的方法的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明總體上涉及光伏材料和制造方法。更具體地，本發(fā)明提供了用于制造薄膜太陽能電池的方法和結(jié)構(gòu)。僅以舉例方式，本方法包括使用電磁輻射使形成在鈉鈣玻璃基板上的電極材料圖案化以及將用于制造薄膜光伏電池的電極材料處理為去除掉凸臺結(jié)構(gòu)， 但應認識到本發(fā)明可具有其它構(gòu)造。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式制作薄膜光伏電池的方法的簡化流程圖。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。方法1000包括以下步驟1.步驟1010用于提供具有表面區(qū)域的鈉鈣玻璃基板；2.步驟1020用于形成覆蓋表面區(qū)域的下電極層；3.步驟1030用于對下電極層施加激光輻射以燒蝕一個或多個圖案；4.步驟1040用于處理下電極層以去除一個或多個圖案中的一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)；5.步驟1050用于處理具有去除掉一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的一個或多個圖案的下電極層；6.步驟1060用于形成包括基于一個或多個圖案中每一個的互連結(jié)構(gòu)的光伏材料層；7.步驟1070用于形成覆蓋光伏材料層的第一氧化鋅層；8.步驟1080用于進行其它步驟。以上順序的步驟提供了使電極層圖案化和處理電極層以形成一個或多個去除掉凸臺結(jié)構(gòu)的圖案，用于制造根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的薄膜光伏電池的方法。在一個具體實施方式
中，該方法包括利用激光輻射從連續(xù)的電極層燒蝕一個或多個圖案。在另一個具體實施方式
中，該方法還包括使用機械刷裝置來處理一個或多個圖案。還可提供其它可替換方案，其中增加步驟，去除一個或多個步驟，或以不同順序提供一個或多個步驟，而不會偏離本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。例如，可在形成下電極層之前，形成阻擋層。可在光伏材料層和第一氧化鋅層之間插入具有不同材料組成的更多功能層，等等。在整個本說明書并且更具體地在以下內(nèi)容中，可找到本方法的其它細節(jié)。在步驟1010中，提供鈉鈣玻璃基板。該步驟通過圖2可視化示出。圖2是示出了提供用于制造本發(fā)明一種實施方式的薄膜光伏電池的鈉鈣玻璃基板的簡圖。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。如圖所示，提供包含表面區(qū)域101的鈉鈣玻璃基板100。鈉鈣玻璃被廣泛用作窗玻璃。除簡單的經(jīng)濟考量之外，選擇鈉鈣玻璃作為形成薄膜光伏電池的基板的一個重要原因是堿性離子(例如，Na+)對高效薄膜光伏材料的晶粒生長的正面影響。例如， 黃銅礦結(jié)構(gòu)Cdn (Ga) Se2或Cdr^e2材料的多晶化合物半導體膜可在鈉鈣玻璃基板上形成， 具有1微米或更大的粗晶粒尺寸，從而通過這些光伏膜可收集高的電池電流，而具有17%
6或更高的光轉(zhuǎn)換效率。不摻雜鈉原子，在其它類型的基板上形成的相同的膜材料具有尺寸細得多的晶粒。在某些實施方式中，對表面區(qū)域101進行特定的預處理步驟，使得表面區(qū)域 101被基本上清潔為沒有表面污染物、油脂、污垢、灰塵和尺寸大于3微米的顆粒。在步驟1020中，形成覆蓋鈉鈣玻璃基板表面區(qū)域的下電極層。該步驟通過圖3可視化示出。如圖所示，形成覆蓋鈉鈣玻璃基板100的表面區(qū)域101的下電極層200。下電極層200用作后續(xù)步驟中形成的薄膜光伏電池的背電極。在本文中“下”僅是用于在基板上形成薄膜的現(xiàn)有實施例的詞匯，該薄膜將成為底太陽能電池?！跋隆彪姌O可對應于位于窗口層頂部的“上”或“前”電極。當基板在形成頂太陽能電池的應用中用作“覆蓋層(上層，superstrate)”時，下或上電極可以相反方式布置。在某些情況下，當不會發(fā)生混淆時，僅涉及一個電極層。具體地，下或上電極層可以是光學上透明的(透光的)。例如，下電極層由厚度在0.2微米至1 微米范圍內(nèi)的鉬材料制成。在其它實施例中，透明的導電氧化物可用作上電極層的材料。在某些實施方式中，可使用沉積工藝實現(xiàn)電極層的形成，如濺射、鍍覆、蒸發(fā)、等離子體沉積等以及任何其它合適的技術(shù)。當然，可以有其它的變型、修改和替換。在接下來的步驟(1030)中，方法1000包括對下電極層施加激光輻射以燒蝕一個或多個圖案。這種激光圖案化或燒蝕步驟可通過圖4可視化示出。圖4是示出制造根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的薄膜光伏電池的步驟的簡圖。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。如圖所示，下電極層200在某些預定位置進行激光輻射120。激光輻射120可以是脈沖激光或 CW激光束?？蓮南码姌O層200上方，或者由于玻璃是光學上透明的而從鈉鈣玻璃基板100 的背表面區(qū)域，對準激光束。激光對準(laseralignment)選擇取決于制造系統(tǒng)的設計和特定的薄膜生長過程。典型地，從波長約1065nm的Nd:YAG紅外Q-開關(switched)脈沖激光源產(chǎn)生激光束。當然，取決于應用，也可使用不同波長和脈沖頻率的其它類型的激光源。在一個實施方式中，輻射下電極層200的激光束120產(chǎn)生燒蝕過程，其中激光束下方的一部分下電極層從鈉鈣玻璃基板100中去除。具體地，激光能量造成射束點(beam spot)下的電極層材料(例如，鉬)蒸發(fā)或簡單地從基板100吹走。激光束120可沿著預定圖案掃描，隨后額外量的電極層材料被去除。每次在激光束燒蝕一個點(spot)的電極層材料之后，將光束(可關掉脈沖)移到下一個點，然后激光功率脈沖開啟從而再次輻射(照射)新的點，以造成新(射束)點下的電極層材料被去除。結(jié)果，電極層200(其最初覆蓋鈉鈣玻璃基板100的表面區(qū)域101而沉積為連續(xù)的膜)，經(jīng)過激光圖案化步驟而形成一個或多個圖案(或激光燒蝕圖案)。如圖4的側(cè)視圖部分所示，示意性示出了一個或多個圖案250中的一個，將電極層200分隔成左部分200A和右部分200B。放大的頂視圖示出將下電極層200分隔成兩個部分200A和200B的特定圖案250的圈出部分的更多細節(jié)。具體地，放大圖示出了 圖案 250事實上是通過激光燒蝕步驟從玻璃基板上基本去除的下電極層中寬度約25至50微米的連續(xù)線(連續(xù)縫隙，continuous line)。結(jié)果，在電極層200中形成了街道結(jié)構(gòu)(芯片間隔結(jié)構(gòu)，street structure)。在某些實施方式中，在覆蓋鈉鈣玻璃基板整個表面區(qū)域的電極層中形成平均間隔約6mm的多個街道(street)，在每相鄰的街道之間限定條形單元 (stripe-shaped cell)。
由于激光束的空間分布和脈沖/掃描變化，在圖案250中形成一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)(突起結(jié)構(gòu)，berm structures) 255。在具體實施方式
中，該一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255通常位于圖案250的邊緣附近，而也有一些被留在圖案250的中間區(qū)域附近。如圖所示，一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255具有不規(guī)則形狀。取決于應用，一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255可包括電極層250的殘余材料或是來源于容納(housing)鈉鈣玻璃基板的系統(tǒng)的污染物。由于凸臺結(jié)構(gòu)255是導電的，如果不通過合適的步驟基本上清潔或去除，其可能造成薄膜裝置電短路。圖4A是示出在玻璃基板上的薄膜上形成的激光燒蝕圖案的顯微圖像。如圖所示， 通過在薄膜上輻射(照射)圓激光點來至少部分地去除該點下的薄膜材料從而產(chǎn)生激光燒蝕圖案。此外，可以使激光點從一個點掃描到下一個，從而沿著該路徑去除薄膜材料。激光束提供有特定掃描速度，形成街道或溝道狀(channeled)圖案。如圖4A的頂視圖，街道(結(jié)構(gòu))255對應于圖4的側(cè)視圖中所見的下電極層200中的激光燒蝕圖案250。但是，激光燒蝕工藝過程中的瑕疵可能會留下一定量的殘余物/再沉積物(red印osit)或薄膜材料的未去除部分，形成激光燒蝕圖案250內(nèi)部或周圍的一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255。這些凸臺結(jié)構(gòu) 255可能造成薄膜裝置劣化、短路或其它問題。本發(fā)明的實施方式提供了將這些凸臺結(jié)構(gòu)從激光燒蝕圖案基本上清除的方法。在整個本說明書并且更具體地在以下內(nèi)容中，可找到本方法的更多細節(jié)。在接下來的步驟1040中，方法1000包括處理具有一個或多個圖案的下電極層以去除其中的一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)。該步驟可通過圖5可視化示出。圖5是示出用于制作根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的薄膜光伏電池的步驟的示意圖。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。如圖5所示，方法1000的具體實施方式
提供了布置在下電極層200上的機械刷裝置 (mechanical brush device) 300o機械刷裝置300包括轉(zhuǎn)子301，其攜帶有包括多個刷毛 (bristles) 305的外緣。在一個實施方式中，為轉(zhuǎn)子301供能使其沿順時針方向310旋轉(zhuǎn)， 同時將其設置為沿基本上平行于鈉鈣玻璃基板表面的方向320側(cè)向(橫向，laterally)移動。在具體實施方式
中，出于有效去除圖案內(nèi)碎片或顆粒的目的，刷移動方向320可以平行于或垂直于激光燒蝕圖案250。還示出了，在刷掃(brushing)步驟期間，噴霧器350與機械刷裝置300的運行聯(lián)合起來，提供液體，在一個優(yōu)選的實施方式中，提供去離子水。在步驟1040的某些實施方式中，機械刷裝置300可布置在下電極層200上方的合適高度，并以預定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)多個刷毛305(沿方向310)，同時以預定側(cè)向速度側(cè)向移動(沿方向320)。隨后，將機械刷裝置300設置為調(diào)整其高度和側(cè)向移動方向，使得一個或多個圖案250內(nèi)部或周圍的各個方向和密度的一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255可被恰當且盡可能徹底地去除。當然，在旋轉(zhuǎn)/側(cè)向方向/速度的控制，和機械刷裝置的設置(包括轉(zhuǎn)子的相對位置、每一刷毛的長度)、噴霧器350的液體供給等方面，可以存在其它變型、替換和修改。例如，刷子刷毛的長度可選擇為足以達到激光劃刻溝槽(laser scribed trench)的深度，以便除了去除表面區(qū)域上的凸臺結(jié)構(gòu)之外，還能夠基本上清除劃刻區(qū)域(scribed region)內(nèi)的(由激光燒蝕造成的)碎片。在具體實施方式
中，多個刷毛305由尼龍材料制成。尼龍基刷毛(nylon-based bristles)的機械強度提供了去除散布于基板周圍并以相對較小的力結(jié)合于基板的一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)所必需的力。由于尼龍基刷毛因其特性也具有相對的撓性(flexibility)，且取決于如何將一定數(shù)量的刷毛簇和(group)在一起以及如何將它們分布于機械刷裝置300 的外緣，使得這些刷毛產(chǎn)生的力不會對下電極層的剩余部分(例如，200A和200B)造成損害，所述剩余部分以強得多的力附接于基板上。根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的包括尼龍基刷毛305的機械刷裝置300能夠持續(xù)地從鉬材料制成的下電極層的一個或多個圖案250中去除一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255。在可替換的實施方式中，可從透明基板的兩側(cè)(兩面)應用機械刷裝置。如圖5A 示意性示出的，其是示出沿著成批系統(tǒng)(batch system)中的多個滾軸傳送的基板的側(cè)視圖。在該圖中，從上表面區(qū)域應用包括水噴霧器(water sprayer) 350A的機械刷裝置300A， 從基板的下表面區(qū)域應用另一個機械刷裝置300B，機械刷裝置300A和300B均可基本上與機械刷裝置300相同。在一個實施例中，上表面區(qū)域201是覆蓋基板100的下電極層200 的表面。在另一個實施例中，上表面區(qū)域201包括一個或多個部分(portions)，其作為形成在下電極層200內(nèi)的一個或多個圖案250的一部分。參照圖1，該方法1000還包括處理具有去除掉一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的一個或多個圖案的下電極層的步驟1050。該步驟可通過圖6可視化示出，該圖是示出用于制作根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的薄膜光伏電池的步驟的示意圖。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。如具體實施方式
所示，處理步驟1050的一部分涉及清潔步驟，在該步驟中覆蓋(涂覆，coated) 有電極層200的鈉鈣玻璃基板100暴露于清潔液400中。在一個實施方式中，清潔液400至少包括去離子(DI)水，其物理地洗掉以及反應性釋出(脫附，desorb)表面殘余物。隨后， 處理步驟1050的另一部分涉及使用氣刀送風器(air knife blower)去除電極層200表面區(qū)域留下的水分(濕氣，moisture)和任何灰塵的步驟。在一種實施方式中，如圖6示意性示出的，在使用清潔溶液400的清潔步驟之后， 在包括一個或多個圖案250的電極層200的表面區(qū)域附近布置氣刀送風器360。在一個實施例中，氣刀360是具有能夠提供有小平面外形(faceted profile)的高速空氣流365的加長噴嘴的氣刀(空氣刀，airknife)。具有有小平面外形的沖擊氣流(空氣流，air flow) 365 對于干燥和清潔包括一個或多個(條形)圖案的表面區(qū)域是非常有效的。在另一個實施例中，干燥的氮氣可以是氣刀中的氣體。在一個實施方式中，氣刀送風器360能夠調(diào)整相對于表面區(qū)域201的角度，用于實現(xiàn)所需的干燥/清潔效果。例如，有小平面外形的空氣相對于表面的角度可以在90度至差不多(約，somewhat)45度或30度以及更小度數(shù)之間調(diào)整從而提高干燥效果。在另一個實施例中，氣流方向和激光劃刻圖案之間的角度也可在0至90 度之間調(diào)整以提高碎片清潔效果。在一種可替換的實施方式中，在碎片去除步驟期間，尤其在用于去除激光劃刻的圖案區(qū)域內(nèi)的碎片期間，可利用氣刀送風器360的氣壓控制。在具體實施方式
中，使用氣刀送風器360來干燥表面區(qū)域，可基本上去除包括清潔液400的殘余物、水滴或其它液體形式化學物的任何液體。在另一具體實施方式
中，可通過直接物理地吹走和通過造成任何蒸發(fā)而基本上清除，從而實現(xiàn)使用氣刀送風器360來去除處理步驟中引入的液體。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的以上實施的干燥效果致使包括一個或多個圖案的下電極層上基本上沒有任何潮濕殘余物。在另一種實施方式中，如圖6A示意性示出的，在以上干燥/清潔步驟中可在基板的兩側(cè)都應用氣刀送風器。如圖所示，沿著成批系統(tǒng)中多個滾軸傳送基板。該基板具有上表面區(qū)域201，其基本上是圖5中的覆蓋鈉鈣玻璃基板100的下電極層200的表面。從上表面區(qū)域201應用一個氣刀送風器360A，從基板底部應用另一個氣刀送風器360B。基本上，處理步驟1050是一個組合步驟，包括使基板暴露于清潔液400和使用氣刀送風器360來干燥包括具有一個或多個圖案250的下電極層200的基板。處理步驟產(chǎn)生了具有基本上去除掉一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)255及任何潮濕殘余物(moisture residues)的一個或多個圖案250 的下電極層200。再參照圖1，方法1000包括形成覆蓋電極層的光伏材料層的步驟(1060)。該步驟可通過圖7可視化示出，該圖是示出用于制造根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的薄膜光伏電池的步驟的示意圖。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。如圖所示，覆蓋下電極層200形成光伏材料層500。具體地，在形成光伏材料層500的步驟1060之前或期間，通過激光燒蝕(步驟 1030)在下電極層200中形成的圖案250可填充有導電材料以形成互連結(jié)構(gòu)(interconnect structure) 2700互聯(lián)結(jié)構(gòu)可用作電導線，用于從將形成有光伏材料層的薄膜太陽能電池收集電流。在具體實施方式
中，使用濺射和基于加溫熟煉(加溫退火，thermal annealing)的硒化工藝以銅銦二硒(CIQ材料制成光伏材料層500。在另一種具體實施方式
中，光伏材料層500包括使用一種或多種合適的薄膜沉積方法的銅銦鎵二硒(銅銦鎵硒，CIGS)材料或銅銦二硫材料。在一種典型的實施方式中，光伏材料層500是用作薄膜光伏裝置的光吸收劑(光吸收體，light absorber)的ρ型半導體材料。在一個實施方式中，以一定量的鈉含量摻雜其中，在鈉鈣玻璃基板上(下電極層上方)形成的CIGS材料層可具有大于1微米的大晶粒尺寸。因此，可預期高的電池電流，從而實現(xiàn)所得薄膜太陽能電池的17%或更高的效率。盡管上文對CIS和/或CIGS薄膜電池的具體結(jié)構(gòu)進行了一般性描述，但還可使用其它具體的CIS和/或CIGS構(gòu)造，如美國專利第4，612，411號和美國專利第4，611，091號中指出的那些，其通過引用結(jié)合到本文中作為參考，而不會偏離本發(fā)明權(quán)利要求描述的本發(fā)明。此外，方法1000包括在光伏材料層上方形成上電極層的步驟(1070)。這里，上電極層或第二電極層是第一氧化鋅層，其是一種透明的導電氧化物或TC0。如圖8所示，在步驟1060之后，步驟1070導致形成覆蓋光伏材料層500的第二電極層600。圖8僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。在具體實施方式
中，第二電極層600是第一氧化鋅層。在一個實施例中， 使用成批系統(tǒng)中的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)形成第一氧化鋅層。通過MOCVD形成的第一氧化鋅層是粗糙層，其可通過散射分散入射光，提高太陽能電池的效率。此外，第一氧化鋅層600可機械地圖案化以形成一個或多個圖案，其還被用于形成至少另一個用于薄膜光伏電池的互連結(jié)構(gòu)670，如圖8中的實施例所示。接下來，方法1000可包括步驟1070，用于制作薄膜光伏裝置的任何附加步驟。例如，步驟1070可以是另一種機械圖案化，用于構(gòu)造第二電極層或上電極層，可以是機械等切割(mechanical isocut)步驟，用于制備一個或多個單元電池(unit cells)，可以是機械 bus墊(bus pad)清潔步驟，用于組裝一個或多個單元電池。當然，可以有多種變型、替換和修改。該圖僅僅是實施例，不應以其過度限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。本領域中的普通技術(shù)人員會認識到多種變型、替換和修改。如圖所示，在下電極層200和鈉鈣玻璃基板100的表面區(qū)域101之間插入阻擋層150。由于過量的、不受控的量的鈉可減小鈉鈣玻璃基板上生長的光伏薄膜的晶粒尺寸，因而應用阻擋層150來防止鈉元素擴散至上層中，尤其是光伏材料層中。在一個實施方式中，阻擋層150是通過濺射方法形成的二氧化硅層，其用作厚度僅為約200埃或更大的有效的鈉擴散阻擋層。取決于應用，也可使用包括氧化鋁、氮化硅、 氮化鈦、氧化鈦或氧化鋯的其它材料。在可替換的實施方式，可設計或調(diào)整阻擋層特性以提高阻斷鈉離子從玻璃擴散到光伏活性層中的效率。例如，阻擋層密度可以是可利用的因素。 可采用更高的阻擋層密度來提高擴散阻擋和限制鈉擴散的量。在另一個可替換的實施方式中，方法1000可包括在形成第一氧化鋅層之前形成覆蓋光伏材料層的硫化鎘層的步驟。具體地，如圖10所示，光伏材料層500是覆蓋下電極鉬層200的銅銦二硒材料層。在銅銦二硒材料層500上方形成表征為寬帶隙半導體的硫化鎘層505，用作薄膜光伏電池的窗口層，而銅銦二硒材料層500用作吸收劑層。在某些實施方式中，硫化鎘層505被認為是光伏材料層的一部分，其使用多層沉積和處理工藝形成。在一個實施例中，可使用濺射、真空蒸發(fā)或化學浴沉積(CBD)技術(shù)形成硫化鎘層505，并且可摻雜η+型雜質(zhì)用于導電性。取決于實施方式，窗口層可選自組中。在某些實施方式中，硫化鎘層505被認為是光伏材料層的一部分，其使用多層沉積和處理工藝形成。在一個實施例中，可使用濺射、真空蒸發(fā)或化學浴沉積(CBD)技術(shù)形成硫化鎘層505，并且可摻雜η+型雜質(zhì)用于導電性。取決于實施方式，窗口層可選自由硫化鎘 (CdS)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(a^e)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋅鎂(ZnMgO)等構(gòu)成的材料組中。在還有的另一個可替換的實施方式中，方法1000可包括在形成第一氧化鋅層之前形成第二氧化鋅層的步驟。如圖11所示，首先在光伏材料層上方，或尤其是在硫化鎘層 505上方形成第二氧化鋅層605，在第二氧化鋅層605上方形成第一氧化鋅層600。光伏材料層500是覆蓋下電極鉬層200的銅銦二硒材料層。在具體實施方式
中，第二氧化鋅層605 具有比第一氧化鋅層600更高的電阻率。功能上，第二氧化鋅層605更多地充當阻擋/保護層的角色，而電阻率較低的第一氧化鋅層600則更多地充當導電性電極層的角色。在特定實施方式中，也使用成批系統(tǒng)中的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)來形成第二氧化鋅層605。盡管以上已經(jīng)根據(jù)具體實施方式
進行說明，但是可以存在其它修改、替換和變型。 應該理解到，本文所描述的實施例和實施方式僅僅用于示例性目的，而根據(jù)其的各種修改或變化對于本領域技術(shù)人員將是顯而易見的，其應包含于本申請的精神和范圍內(nèi)以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于形成具有圖案化電極膜的薄膜光伏裝置的方法，所述方法包括提供包括表面區(qū)域的鈉鈣玻璃基板；形成覆蓋所述表面區(qū)域的包括鉬材料的下電極層；對所述下電極層施加來自激光源的一個或多個電磁輻射脈沖，所述一個或多個電磁輻射脈沖能夠從所述下電極層燒蝕一個或多個圖案，所述一個或多個圖案包括一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)；使用機械刷裝置處理包括所述一個或多個圖案的所述下電極層以去除所述一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)；處理包括去除掉所述一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的所述一個或多個圖案的所述下電極層；形成覆蓋所述下電極層的光伏材料層，所述光伏材料層包括基于所述下電極層內(nèi)的所述一個或多個圖案的互連結(jié)構(gòu)；以及形成覆蓋所述光伏材料層的第一氧化鋅層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以一個或多個清潔步驟處理所述表面區(qū)域從而去除一個或多個顆粒和/或污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成覆蓋所述表面區(qū)域的阻擋層，所述阻擋層的特征在于，將一個或多個鈉物種保持在所述鈉鈣玻璃基板中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述阻擋層包括厚度約200埃以上的二氧化硅材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述阻擋層包括選自氧化鋁、氮化硅、氮化鈦、氧化鈦和氧化鋯的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在形成所述第一氧化鋅層之前形成覆蓋所述光伏材料層的第二氧化鋅層，所述第一氧化鋅層具有比所述第二氧化鋅層更低的電阻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述光伏材料層包括銅銦二硒材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括在形成所述第一氧化鋅層之前形成覆蓋銅銦二硒層的硫化鎘層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光源是Q-開關紅外脈沖YAG激光。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述機械刷裝置包括多個含尼龍材料的刷毛。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理包括所述一個或多個圖案的所述下電極層包括對包括所述一個或多個圖案的所述下電極層施加清潔液。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述清潔液包括水。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述水是通過一個或多個噴霧器提供的去離子水。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括在處理包括所述一個或多個圖案的所述下電極層之后，使用一個或多個氣刀從所述下電極層去除所述清潔液，使得所述清潔液通過任何蒸發(fā)而基本上去除。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述一個或多個氣刀包括具有用于產(chǎn)生有小平面外形的空氣流的加長噴嘴的氣刀。
16.一種用于形成具有圖案化電極膜的薄膜光伏裝置的方法，所述方法包括提供包括表面區(qū)域的鈉鈣玻璃基板；形成覆蓋所述表面區(qū)域的包括鉬材料的下電極層；對所述下電極層施加來自激光源的一個或多個電磁輻射脈沖，所述一個或多個電磁輻射脈沖能夠從所述下電極層燒蝕一個或多個圖案，所述一個或多個圖案包括一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)；使用機械刷裝置和清潔液處理包括所述一個或多個圖案的所述下電極層以去除所述一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)；以及使用氣刀處理包括去除掉所述一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的所述一個或多個圖案的所述下電極層，所述氣刀設置為從所述下電極層的表面基本上去除包括液滴的任何液體，以干燥包括去除掉所述一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的所述一個或多個圖案的所述下電極層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以一種或多種清潔步驟處理所述表面區(qū)域從而去除一個或多個顆粒和/或污染物。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括形成覆蓋所述表面區(qū)域的阻擋層，所述阻擋層的特征在于，將一個或多個鈉物種保持在所述鈉鈣玻璃基板中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述阻擋層包括厚度約200埃以上的二氧化硅材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述機械刷裝置包括多個含尼龍材料的刷毛。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，使用所述氣刀包括將氣刀設置有加長噴嘴從而相對于所述表面區(qū)域以可調(diào)整角度提供有小平面外形的干燥空氣。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述包括液滴的任何液體包括包含來自所述清潔液的殘余物、冷凝水或濕氣的所有液體。
全文摘要
一種用于形成具有圖案化電極膜的薄膜光伏裝置的方法，包括提供具有包括鉬材料的覆蓋下電極層的鈉鈣玻璃基板。該方法還包括對下電極層施加來自激光源的一個或多個電磁輻射脈沖以從下電極層燒蝕一個或多個伴隨有一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的圖案。此外，該方法包括使用機械刷裝置處理包括一個或多個圖案的下電極層以去除一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)，隨后，處理包括去除掉一個或多個凸臺結(jié)構(gòu)的一個或多個圖案的下電極層。該方法還包括形成覆蓋下電極層的光伏材料層和形成覆蓋光伏材料層的第一氧化鋅層。
文檔編號H01L31/00GK102160186SQ200980136265
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月30日
發(fā)明者羅伯特·D·維廷 申請人:思陽公司