專(zhuān)利名稱：包括具有可變厚度的透明導(dǎo)電電極的光生伏打模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光生伏打電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及透明電極的領(lǐng)域，該透明電極是光生伏打電池的必要元件。
背景技術(shù)：
光生伏打電池由于其能源效率的改進(jìn)而越來(lái)越受到人們的關(guān)注。這種光生伏打電池是基于對(duì)活性材料的光生伏打堆的使用，其吸收光能(例如太陽(yáng)能)并且將其轉(zhuǎn)換成來(lái)自活性層之間的電氣化學(xué)效應(yīng)電勢(shì)差的電流。光生伏打堆可以形成于塊狀材料(水晶堆或多晶硅)內(nèi)部或者由作為薄層沉積在基板上的材料形成。電勢(shì)差可能源于材料摻雜或?qū)Σ煌牧系氖褂?。光生伏打電池也包括在光生伏打堆兩?cè)的電極用以收集如此生成的電流并且將其側(cè)向地傳送到電池邊緣。光生伏打模塊是通過(guò)串聯(lián)和/或并聯(lián)連接幾個(gè)光生伏打電池來(lái)形成的。金屬電極通常對(duì)于可見(jiàn)光是不透明的。然而，電極已經(jīng)被開(kāi)發(fā)成透明且導(dǎo)電并且可以被置于暴露于光生伏打堆的光輻射下的表面上。對(duì)于塊狀材料電池而言，對(duì)著光源的摻雜層(該層在后文將稱作“發(fā)射器”)的導(dǎo)電性的強(qiáng)度足以(例如如果它由摻雜的塊狀材料構(gòu)成)在毫米級(jí)的距離內(nèi)側(cè)向傳送電荷載體。然后，金屬網(wǎng)格被用來(lái)在去往電池邊緣的剩余路徑上傳輸電流。通常，對(duì)于薄層而言，摻雜活性層的導(dǎo)電性強(qiáng)度不足以有效地執(zhí)行這個(gè)傳輸，并且需要另一種透明且導(dǎo)電的電極材料。用于透明電極的材料特別地是金屬氧化物(TC0，透明導(dǎo)電氧化物)，其通常是摻雜了另一元素(例如摻氟氧化錫(SnO2 = F)或摻鋁氧化鋅(Ζη0:Α1))的金屬氧化物。另一種經(jīng)常使用的TCO是氧化銦錫(ITO)，其具有高導(dǎo)電性并且具有低表面粗糙度，這使得它可以有利地用于平板顯示器。這種低表面粗糙度使得ITP 對(duì)于“覆蓋層(superstrate) ”型的光生伏打電池較不有利，其中入射光在進(jìn)入電池之前經(jīng)過(guò)支撐基板。實(shí)際上，期望活性層與前端電極之間的接口處的表面粗糙度能夠改進(jìn)入射光子在光生伏打材料內(nèi)的擴(kuò)散，并且因而改進(jìn)其吸收率。從氣相前體沉積的活性薄層保形地沉積在基板拓?fù)渖稀Ｒ虼?，期望的粗糙度必須?lái)自基板或TC0。在這種情況下只有當(dāng)基板已經(jīng)被施加以圖案時(shí)才能夠使用平滑的TC0。另一方面，摻氟氧化錫(SnO2 = F)給出了被施加以圖案的沉積。摻鋁氧化鋅(Ζη0:Α1)當(dāng)通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)而被沉積時(shí)是粗糙的，并且當(dāng)受到濺射沉積時(shí)是平滑的，但是其粗糙度可以通過(guò)非原位化學(xué)處理而增加。對(duì)于通過(guò)堆積薄層而獲得的光生伏打電池而言，存在兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)第一種“覆蓋層”型結(jié)構(gòu)，透明的基板用作光生伏打電池的窗口。在這種情況下，透明電極作為透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄層而被沉積在透明基板(例如玻璃板)上。光生伏打堆和后端電極然后按照已知沉積方法而被相繼沉積。根據(jù)第二種“基板”型結(jié)構(gòu)，金屬電極被沉積在基板(不必是透明的)上，然后將光生伏打材料薄層沉積于其上，并且最后將透明電極沉積在光生伏打堆上。如此形成的電池因而是被封裝的。在基于塊狀光生伏打材料的光生伏打電池中，這種材料用作基板，金屬電極被沉積在材料后表面上，并且(通過(guò)摻雜物的熱擴(kuò)散或通過(guò)離子注入而制成的)前表面上的發(fā)射器參與了載體的側(cè)向傳輸。金屬網(wǎng)格被沉積以將用于載體的傳導(dǎo)電路延伸至外部電極。 HIT(有本征薄層的異質(zhì)結(jié))電池構(gòu)成了特定的情形，因?yàn)樗鼈兪褂脡K狀材料但是摻雜層是從氣相前體沉積的并且導(dǎo)電性不強(qiáng)。因此，這種電池需要TCO層用以側(cè)向傳輸載體，如基于沉積在基板上的薄層的電池的情形那樣。此外，塊狀硅電池也可以使用TCO層作為抗反射層。為了進(jìn)入光生伏打電池，不管使用什么類(lèi)型的電池，光經(jīng)過(guò)必須滿足兩種功能的窗口 它必須盡可能地透明以使得最大光流通過(guò)，并且它必須有盡可能強(qiáng)的導(dǎo)電性以當(dāng)光電流被收集時(shí)最小化電阻性損耗。然而，透明電極具有比金屬電極低的電屬性。為了增強(qiáng)透明電極的電流收集，一些設(shè)備使用包括以薄層透明導(dǎo)電氧化物(TCO) 的窗口，其被單獨(dú)使用或與金屬網(wǎng)格結(jié)合使用。這種金屬網(wǎng)格的使用例如在專(zhuān)利文件 CA1244120中描述。在接近于電流可能被提取的連接的電池區(qū)域中，網(wǎng)格指狀物占用的表面區(qū)域增加指狀物在此處彼此更接近和/或更寬。網(wǎng)格指狀物占用的表面區(qū)域變得更大，并且因此更大的電池表面區(qū)域被指狀物掩蔽，然而所獲得的側(cè)向?qū)щ娦栽鰪?qiáng)對(duì)于電池效率而言顯然是有利的。對(duì)于薄層電池，通常只使用不具有金屬網(wǎng)格的TCO層。通常使用的TCO材料和其厚度例如是:Sn02:F(800nm)、ZnO:Al (600nm)和IT0(200nm)。ZnO Al優(yōu)選地被用于這樣的應(yīng)用中其中光生伏打薄層在富含氫氣的條件下被沉積在TCO層之上，因?yàn)檫@個(gè)TCO層獨(dú)自抵抗由于在沉積期間的等離子區(qū)中產(chǎn)生的原子氫所造成的減少。然而，Ζη0:Α1層中的吸收在大波長(zhǎng)處增加，同時(shí)摻雜率增加，如Berginski等人(SPIE Photonics2006)所描述的那樣，以至于低吸收和低電阻率的約束在其本身的材料屬性的級(jí)別上彼此相反。這種約束是與這一事實(shí)有關(guān)的明顯約束厚層具有較高的側(cè)向?qū)щ娦缘且簿哂休^高的吸收率。因此， 必須在電池或光生伏打模塊的結(jié)構(gòu)中找到這兩種屬性之間的折衷。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了特定的結(jié)構(gòu)以試圖避免這些缺陷。專(zhuān)利US4647711描述了包括TCO層中的電流收集器金屬網(wǎng)格。文件WO 2008/005027描述了包括利用梯形接觸區(qū)電連接到電極網(wǎng)格的導(dǎo)電層。具體地，對(duì)于基于水晶硅晶圓的電池，文件JP2004214442描述了包括具有均勻厚度的沉積在ITO層上的收集器金屬網(wǎng)格，但是其氧濃度按照ITO區(qū)域是否位于金屬網(wǎng)格之下而在兩個(gè)值之間變化，以使得不在網(wǎng)格之下的區(qū)域的光吸收系數(shù)要小于位于網(wǎng)格之下的區(qū)域。在這種情況下，發(fā)射器由塊狀水晶材料制成并且因而導(dǎo)電性的強(qiáng)度足以實(shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)щ?。制造光生伏打模塊的另一個(gè)關(guān)鍵元素是電池間的互連。單個(gè)電池通過(guò)其電極提供接近于電池中的兩種摻雜材料的費(fèi)米能級(jí)之間的間隔( IV或更小)，其中電流與其表面區(qū)域成比例(10-30mA/cm2)并且因而相對(duì)較高(例如對(duì)于直徑20cm的電池而言是10A)。所述實(shí)施例中的電功率在實(shí)踐中是不充足的，并且因此為了獲得更高的電壓，電池串聯(lián)地互連以制造模塊。對(duì)于基于水晶硅晶圓的龐大的電池而言，每個(gè)電池都包括完整的晶圓。構(gòu)成光生伏打模塊的串聯(lián)連接因而通過(guò)將來(lái)自每個(gè)獨(dú)立電池的導(dǎo)體連接在一起而獲得。對(duì)于薄層光生伏打模塊而言，如使用一層由無(wú)定形硅、微晶硅、無(wú)定形或微晶硅和鍺合金、基于鎘的合金或銅、銦、鎵和硫磺合金制成的吸收性材料的模塊，電池間的互連是通過(guò)遮蔽、沉積和/或蝕刻步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的。許多公開(kāi)文本描述了利用例如剝離(lift-off)、暴露或以不同材料填充的技術(shù)(W02008074879、W02008038553、W02008016042、US2001037823)以及激光蝕刻步驟 (P2002280580.US5981864.EP0422511)的優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法。其他文件描述了其中電池并聯(lián)連接的模塊(US6011215, CA122786U US4652693, US4745078)。市場(chǎng)上可以獲得的薄層光生伏打電池和模塊通常使用一層高質(zhì)量的透明導(dǎo)電氧化物，其厚度、透明度和導(dǎo)電性在電池表面區(qū)域上是均勻的。然而，這些電池的光生伏打效率不是最佳的。這些互連以及它們之間的距離被優(yōu)化以將互連內(nèi)不產(chǎn)生電流這一事實(shí)考慮在內(nèi)。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，互連之間的距離必須被最大化。另一方面，互連之間的大距離導(dǎo)致了由于TCO層所造成的較大的串聯(lián)電阻。使用均勻的TCO層因而導(dǎo)致了用于互連間的優(yōu)化距離的單一解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在均勻TCO層的假說(shuō)框架之外的。相反，根據(jù)本發(fā)明，使用TCO的最佳特性，其隨著TCO層中的位置而變化。具體地，本發(fā)明涉及一種包括至少兩個(gè)串聯(lián)的光生伏打電池的光生伏打模塊，每個(gè)電池是矩形的并且各自包括薄層后端電極、位于所述后端電極與第二薄層透明導(dǎo)電(TC)電極之間的至少兩個(gè)光生伏打活性材料堆，所述TC電極能夠收集和發(fā)送由光生伏打堆生成的電流，并且兩個(gè)光生伏打電池通過(guò)在第一電池的TC電極與第二電池的后端電極之間的沿著與這兩個(gè)電池相鄰的一側(cè)延伸的電接觸帶而被串聯(lián)地電連接。根據(jù)本發(fā)明，所述電池的薄層透明電極的局部厚度隨著距電接觸帶的距離的不同而變化。有利地，薄層透明電極的光電屬性隨著至所述電接觸帶的距離的不同而變化。根據(jù)第一實(shí)施例，電池的薄層透明電極的局部厚度和/或光電屬性從該接觸帶開(kāi)始沿著所述薄層透明電極的平面內(nèi)的一個(gè)方向線性地減小。根據(jù)第二實(shí)施例，電池的薄層透明電極的局部厚度和/或光電屬性從該接觸帶開(kāi)始沿著所述薄層透明電極的平面內(nèi)的一個(gè)方向非線性地減小。有利地，所述第一電極是金屬電極。有利地，TC電極的材料是從以下材料中選出的透明導(dǎo)電氧化物摻氟氧化錫(SnO2 = F)、摻鋁氧化鋅(Ζη0:Α1)或金屬氧化物合金，例如氧化銦錫(ITO)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的光生伏打模塊包括沉積在同一個(gè)基板上的一組相同的光生伏打電池，活性材料的光生伏打堆包括無(wú)定形硅(a_Si:H)(摻雜的或本征的)。本發(fā)明還涉及用于制造包括一組寬度為L(zhǎng)的N個(gè)矩形光生伏打電池的光生伏打模塊的各種不同的方法。根據(jù)第一沉積方法，光生伏打模塊的一組N個(gè)電池的可變厚度的薄透明導(dǎo)電層， 是穿過(guò)包括N個(gè)寬度為L(zhǎng)的鋸齒的半透明掩膜通過(guò)TC材料的陰極濺射而被沉積在基板上的，當(dāng)實(shí)施時(shí)，在濺射期間，掩膜與基板之間在鋸齒的方向上相對(duì)平移。根據(jù)第二沉積方法，具有可變厚度的薄透明導(dǎo)電層是穿過(guò)包括一組N個(gè)寬度為L(zhǎng) 的切口和N個(gè)寬度為L(zhǎng)的屏蔽區(qū)的兩個(gè)掩膜通過(guò)TC材料的陰極濺射而被沉積的，所述掩膜然后在兩個(gè)相反的方向上平移。
根據(jù)另一種制造方法，具有可變厚度的薄透明導(dǎo)電層是穿過(guò)包括N個(gè)寬度為L(zhǎng)的鋸齒的掩膜通過(guò)氣體前體的熱分解而被沉積在基板上的(或化學(xué)氣相沉積)，在實(shí)施時(shí)，在熱分解期間，所述掩膜與所述基板之間在鋸齒的方向中相對(duì)平移。根據(jù)另一種制造方法，該方法包括均勻地沉積薄透明導(dǎo)電層的步驟和通過(guò)將所述均勻?qū)邮┘拥饺萜鞯纳线吘壣蟻?lái)對(duì)所述TC薄層進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的步驟，其中所述容器包括N個(gè)蝕刻槽、用于每個(gè)槽的用于填充和排空能夠蝕刻透明導(dǎo)電材料的液體的裝置和在每個(gè)槽之間的密封裝置。根據(jù)這個(gè)方法，所述槽的上邊緣構(gòu)成相對(duì)于所述槽中的液體的水平面傾斜的平面，以使得對(duì)槽的填充和逐漸排空能夠?qū)ν该鲗?dǎo)電層進(jìn)行不均勻的蝕刻。根據(jù)又另一種制造方法，該方法包括均勻沉積薄透明導(dǎo)電層的步驟和通過(guò)將所述均勻?qū)邮┘拥饺萜鞯纳线吘壣蟻?lái)對(duì)所述薄層進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的步驟，其中所述容器包括 N個(gè)蝕刻槽，這N個(gè)槽包括用于填充和排空能夠蝕刻所述透明導(dǎo)電層的液體的共用裝置，以及用于將空氣從每個(gè)槽中排出的裝置。根據(jù)這個(gè)方法，所述槽的上邊緣構(gòu)成相對(duì)于該槽中的液體的水平面傾斜的平面，以使得空氣從所述槽中的逐漸排出能夠?qū)λ鐾该鲗?dǎo)電層進(jìn)行不均勻的蝕刻。根據(jù)又另一種制造方法，該方法包括沉積薄透明導(dǎo)電層的步驟和使得所述薄透明導(dǎo)電層暴露于強(qiáng)光束中的步驟，例如激光光束，該強(qiáng)光束包括被所述薄透明導(dǎo)電層吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)。根據(jù)又另一種制造方法，該方法包括與薄透明導(dǎo)電層相鄰地沉積附加層的步驟以及使得該相鄰層暴露于強(qiáng)光束中的步驟，例如激光光束，該強(qiáng)光束包括被所述相鄰層吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)，從而將由該相鄰層吸收的能量傳送至所述薄透明導(dǎo)電層。


參考附圖，本描述是作為非限制性例子給出的并且使之能夠更好地理解本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，其中-圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的光生伏打模塊的剖視圖(圖1A)和頂視圖(圖 1B)；-圖2示意性地示出了光生伏打電池透明導(dǎo)電層的光和電屬性；-圖3A示意性地示出了第一實(shí)施例中的具有連續(xù)厚度變化的透明導(dǎo)電層的一組光生伏打電池(該電池的其他層未顯示)，圖3B示意性地示出了第二實(shí)施例中的具有不連續(xù)TC層厚度變化的一組光生伏打電池，圖3C和3D分別示出了第一和第二實(shí)施例中的光電屬性的空間變化；-圖4A-4E以側(cè)視圖(4A)、頂視圖(4B)、不同的剖面(4C)、透視圖(4D)和具有另一個(gè)掩膜的頂視圖GE)示意性地示出了第一濺射沉積方法，在該沉積方法的不同步驟中使用鋸齒狀的掩膜和/或活動(dòng)的基板；-圖5A-5F示意性地示出了第二濺射沉積方法，其中兩個(gè)掩膜按照?qǐng)D5C_5D_5E_5F 所示的順序移動(dòng)；-圖6是用于對(duì)光生伏打模塊進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的第一方法中的容器的四分之三視圖；-圖7A-7D示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)光生伏打模塊進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的第一方法的各步驟；-圖8是用于對(duì)光生伏打模塊進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的第二方法中的容器的四分之三視圖；-圖9A-9E示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)光生伏打模塊進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的第二方法的各步驟。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種包括串聯(lián)的PV電池的光生伏打模塊，每個(gè)電池都包括薄層透明導(dǎo)電(TC)電極。本發(fā)明還涉及用于制造這種光生伏打模塊TC層的各種不同的方法。本發(fā)明首先涉及用于光生伏打模塊的透明導(dǎo)電(TC)層。在包括單個(gè)電池的模塊中，導(dǎo)電TC層既用作窗口也用作電極。在包括串聯(lián)連接的幾個(gè)電池的光生伏打模塊中，TC層電連接到下一個(gè)電池的后端電極的觸頭。前端接觸材料優(yōu)選地被指定為透明導(dǎo)電(TC)材料，而不是透明導(dǎo)電氧化物 (TCO)，因?yàn)閷?duì)于本發(fā)明而言它是氧化物并非必要。不是氧化物的TC層(例如非常薄的金屬層)也將受益于本發(fā)明的特征。圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明的包括幾個(gè)光生伏打電池7、7'...的光生伏打模塊1的剖面圖，而圖IB示意性地示出了這個(gè)模塊1的頂視圖。光生伏打電池7和7’在該例子中被顯示成沉積在同一個(gè)基板2上并且彼此串聯(lián)地電連接。光生伏打電池7包括沉積在基板 2上的TC材料層4、沉積在TC層4上的光生伏打材料堆3以及金屬電極5。該電池通過(guò)由電池7的TC電極4與下一個(gè)電池7’的金屬后端電極5’之間的電接觸帶所構(gòu)成的互連來(lái)彼此連接?；?是位于CTZ坐標(biāo)系統(tǒng)中的XY平面中的平坦基板。圖IB透明地示出了接觸帶6，該帶6在電池7的整個(gè)長(zhǎng)度L’上延伸。圖IA的光生伏打電池的TC層4在其表面區(qū)域上具有不均勻的厚度。更確切地說(shuō)， 該TC層的厚度e在互連6處最大并且根據(jù)這個(gè)互連的距離dx而減小。TC層4的這種結(jié)構(gòu)使之能夠獲得層4的光與電屬性之間的折衷。實(shí)際上，TC層4 的屬性關(guān)于所述模塊中的互連隨著位置的不同而變化，如圖IA中示意性顯示的那樣。接近所述互連，由光生伏打模塊生成并且由該電池中的透明導(dǎo)電電極收集(以箭頭顯示)的電流(10)彼此相加，并且相對(duì)較厚的TC層使之能夠增加其導(dǎo)電性(或降低其層阻抗民)。相反，在距離互連較遠(yuǎn)的地方，由于層4的厚度較小而只有較小的電流，其透明度得到改進(jìn)， 這使之能夠最大化光收集。圖2示意性地示出了這種雙重效應(yīng)。圖2示出了 TC層的剖面圖，其光(吸收率α)和電(Rs)屬性在光生伏打電池的寬度L上變化。在這個(gè)圖中，層4的光電屬性隨著位置改變而變化。透明導(dǎo)電電極層4的局部厚度和/或光電屬性的變化使之能夠優(yōu)化導(dǎo)電性與透明度之間的折衷。本發(fā)明還涉及光生伏打模塊TC層的各種不同的實(shí)施例，模塊的每個(gè)電池的TC層關(guān)于串聯(lián)連接的電池之間的互連的電接觸區(qū)域都具有不均勻的厚度和/或光電特性。圖3Α和;3Β以剖面圖示意性地示出了 TC層4的這種厚度不均勻性的兩個(gè)實(shí)施例。 根據(jù)第一實(shí)施例(圖3Α)，層4的厚度變化是層厚度相對(duì)于每個(gè)電池的互連點(diǎn)的連續(xù)變化。 在第一實(shí)施例中，在與頁(yè)面平面垂直的方向中的厚度變化不提供任何優(yōu)勢(shì)，但是可能存在。 該第一實(shí)施例對(duì)應(yīng)于TC材料屬性的連續(xù)變化，如圖3C中示意性顯示的那樣。
根據(jù)第二實(shí)施例(圖IBB)，層4的厚度變化是以固定厚度的間隔逐步地或不連續(xù)地變化的。在這個(gè)第二實(shí)施例中，在與頁(yè)面垂直的方向中的厚度變化不提供任何優(yōu)勢(shì)，但是可能存在。該第二實(shí)施例對(duì)應(yīng)于TC材料屬性的不連續(xù)變化，如圖3D示意性顯示的那樣。TC層的厚度變化的其他剖面可以被有利地用來(lái)優(yōu)化光生伏打模塊的屬性。本發(fā)明還涉及用于制造具有不均勻厚度的光生伏打模塊TC層的各種不同的方法。所描述的方法旨在修改光生伏打電池TC層的局部厚度而不是其本征物理屬性。所描述的技術(shù)不排除使用電隔離電極的附加步驟，例如通過(guò)激光蝕刻來(lái)隔離。用于制造光生伏打模塊TC層的第一種方法涉及沉積方法。通常使用的沉積技術(shù)是將目標(biāo)材料11濺射到基板2上。在基于水晶或多晶硅晶圓的電池的情形中，TC層沉積在活性層上，該活性層事先被沉積在基板上。提出了各種不同的濺射方法，其使之能夠直接獲得具有期望的厚度剖面的TC層。在第一連續(xù)濺射方法中，其中基板2在沉積期間是可移動(dòng)的，使用掩膜8，該掩膜的側(cè)視圖在圖4A中顯示。該掩膜呈鋸齒形，兩個(gè)齒之間的間隔對(duì)應(yīng)于光生伏打電池的寬度 L(圖4B)。每個(gè)齒的側(cè)面都是平坦的以適當(dāng)?shù)叵薅▋蓚€(gè)電池間的間隔。該掩膜可以用薄金屬制成，并且齒末端可以是自支撐的(圖4B的頂視圖)或由側(cè)桿8’來(lái)支撐(圖4E)，這取決于該掩膜的剛性和大小。由于基板能夠在濺射期間在方向X中平移，表面被逐步地暴露， 層4僅被沉積在暴露的表面上，并且獲得了在一個(gè)方向中變化的厚度剖面。圖4C是在三個(gè)位置(a、b和c)沉積的材料(a’、b’和c’)的輪廓的剖視圖，即在處理的三個(gè)時(shí)刻?；逑鄬?duì)于掩膜8的移動(dòng)優(yōu)選地是連續(xù)的以使得TC層4的厚度變化僅出現(xiàn)在一個(gè)方向中。通過(guò)連續(xù)移動(dòng)，掩膜的圖案被復(fù)制到被沉積的層的厚度中；包括直角三角形的圖案制造了該厚度中的線性變化(圖3A)、包括曲線的圖案制造了非線性變化，以及不連續(xù)的圖案制造了不連續(xù)的厚度輪廓，例如圖3B所示。這個(gè)方法也可以用于其中掩膜可平移的實(shí)施例中。在第二固定濺射方法中，其中基板在沉積期間固定不動(dòng)，提出另一種使用如圖5B 所示的兩個(gè)互補(bǔ)掩膜9和9’的遮蔽技術(shù)。每個(gè)掩膜9、9’包括寬度與光生伏打電池的寬度 L相對(duì)應(yīng)的開(kāi)口，以及具有相同寬度L的遮蔽區(qū)。掩膜9和9’的表面覆蓋了光生伏打模塊的表面。掩膜9和9’最初被放置成使得它們的開(kāi)口彼此重合。在TCO層4的濺射期間，第一掩膜9在一個(gè)方向中移動(dòng)直到掩膜9和9’的開(kāi)口不再彼此重疊(順序5C-5D)。然后，第二掩膜9’在相反方向中移動(dòng)，直到掩膜9和9’的開(kāi)口再次重合(順序5E-5F)。這種方法使之能夠按照掩膜9和9’的移動(dòng)方向來(lái)制造具有可變厚度的TC層4。在這種方法中，掩膜的移動(dòng)速度限定了所產(chǎn)生的層的厚度輪廓-固定速度產(chǎn)生線性輪廓、可變速度產(chǎn)生非線性輪廓、以及停止產(chǎn)生具有不連續(xù)厚度的輪廓。第二種制造方法涉及用于在沉積后蝕刻TC材料的方法。用于蝕刻特定TC層和為其添加圖案的通常使用的技術(shù)是一種液相化學(xué)處理。例如，使用稀釋的HCI溶液(0. 5% )以約為60 Λ/S的蝕刻速度來(lái)對(duì)ZnO進(jìn)行蝕刻。暴露于液態(tài)混合物18的持續(xù)時(shí)間限定了蝕刻的持續(xù)時(shí)間。然而，蝕刻在暴露于該溶液的整個(gè)表面上通常是均勻的。本發(fā)明提出兩種液態(tài)蝕刻方法，其使用不同的蝕刻容器以同時(shí)制造幾個(gè)光生伏打電池7，其中TC層4具有關(guān)于電接觸區(qū)或帶6的可變的厚度輪廓，如上文所述。圖6示意性地示出了第一蝕刻容器結(jié)構(gòu)12。容器12包括一組槽13、13'、13"， 其數(shù)目對(duì)應(yīng)于光生伏打模塊的電池?cái)?shù)。每個(gè)槽13、13'、13"的上邊緣14構(gòu)成相對(duì)于槽的水平底部?jī)A斜的矩形。槽的矩形開(kāi)口對(duì)應(yīng)于電池的表面并且被密封。槽13、13'、13"彼此相連以使得一個(gè)槽的上邊緣對(duì)應(yīng)于下一個(gè)槽的下邊緣(圖7A)。槽的底部相對(duì)于彼此而偏移(圖7A)。每個(gè)槽具有至少兩個(gè)流體連接槽底部的填充15和排空連接16以及盡可能接近于槽頂部的空氣排放連接17。圖7A-7D示出了使用圖6的容器12的第一液態(tài)蝕刻方法。沉積有厚度均勻的TC 層4的基板2被置于容器12上以實(shí)現(xiàn)圍繞基板以及每個(gè)槽之間的密封接觸(圖7A-7B)。 槽13、13'、13"因而被同時(shí)地、逐步地填充以液態(tài)溶液18 (圖7C)。由于溶液18與每個(gè)槽的下部接觸時(shí)間更長(zhǎng)，因此層4的蝕刻在此比在每個(gè)槽的上部更多。這可以通過(guò)從空氣排放口 17從每個(gè)槽中取出固定量的空氣來(lái)獲得。槽被填充的速度限定了在暴露于液態(tài)溶液的表面的不同點(diǎn)處的相對(duì)蝕刻(圖7C)，并且可以被用來(lái)控制TC的輪廓。槽然后被同時(shí)排空(圖7D)，以使得如此制成的被施加以圖案的蝕刻后的基板能夠移出。槽的同時(shí)填充和排空使之能夠針對(duì)同一基板2上的模塊的每個(gè)電池獲得相同的蝕刻輪廓。具有第二結(jié)構(gòu)的蝕刻容器12’在圖8中顯示并且也包括彼此相連的一組槽13、 13'、13"。限定槽的邊緣14的矩形周邊也相對(duì)于槽底部而傾斜。容器12’只有一個(gè)填充流體連接15和一個(gè)排空連接16，并且每個(gè)槽13、13'、13"具有盡可能接近于每個(gè)槽頂部的空氣排放輸入-輸出連接17。使用圖8的容器12’的第二液態(tài)蝕刻方法在圖9A-9E中顯示以獲得如第一部分中描述的輪廓。包括基板2和具有初始均勻厚度的TC層4的光生伏打模塊1以圍繞基板并且在每個(gè)槽之間對(duì)接且密封的方式被置于容器12，的邊緣14上?；ミB的槽13、13'、13〃 經(jīng)由填充連接15而被同時(shí)填充以液態(tài)溶液18 (圖9B)，然而每個(gè)槽中的空氣19阻止完全填充，這防止了在該步驟期間對(duì)層4的表面的任何不受控制的蝕刻。空氣19同時(shí)被逐步地從所有槽中排出(圖9C-9D)，這因而使得蝕刻溶液18能夠與TC層接觸并且蝕刻其表面。在蝕刻之后，該溶液通過(guò)“排空”而被排出(圖9D)。因此，槽被填充和排空的速度限定了在光生伏打模塊的每個(gè)電池的TC層的表面上被局部蝕刻的材料的相對(duì)量，并且因而可被用來(lái)控制TC的最終輪廓。槽的同時(shí)填充和排空使之能夠在同一個(gè)光生伏打模塊上的所有電池上獲得相同的蝕刻輪廓。根據(jù)本發(fā)明的光生伏打電池透明導(dǎo)電電極的結(jié)構(gòu)包括TC層4，該層4的厚度和/ 或光電屬性按照至該層4的電接觸區(qū)或點(diǎn)6的距離dx的變化而變化。這個(gè)接觸區(qū)6可以是TCO層4與外部電極之間的連接以從電池中提取電流，或者是第一電池7的TCO層與在光生伏打模塊1中和第一電池7串聯(lián)的第二電池V的金屬電極之間的互連。厚度和/或光電屬性的變化被選擇成能夠改進(jìn)電流強(qiáng)度較低的TCO層的光透明度，并且改進(jìn)電流強(qiáng)度較高的TCO層的導(dǎo)電屬性，從而優(yōu)化光生伏打模塊的總效率。根據(jù)另一個(gè)制造過(guò)程，具有可變光電屬性的薄透明導(dǎo)電層可以通過(guò)激光退火過(guò)程來(lái)獲得，該激光退火過(guò)程在于使得具有均勻光電屬性的薄透明導(dǎo)電層暴露于包含易于被該 TC材料吸收的波長(zhǎng)的激光光束中。TC層的特定區(qū)域的選擇性暴露因而使之能夠獲得具有其光電屬性隨著暴露持續(xù)時(shí)間和/或激光束的局部強(qiáng)度的變化而變化的TC層。根據(jù)這種制造方法的可選的實(shí)施例，該方法包括相鄰于薄透明導(dǎo)電層沉積附加層的步驟。如這里所使用的，“相鄰層”是沉積在薄透明導(dǎo)電層內(nèi)的一個(gè)層(以三明治的形式)，或者是沉積在薄透明導(dǎo)電層4與基板2之間的一個(gè)層，或者是沉積在薄透明導(dǎo)電層4與活性材料的光生伏打堆3之間的一個(gè)層。根據(jù)這個(gè)可選實(shí)施例，該相鄰層對(duì)包括至少一個(gè)被該相鄰層吸收的波長(zhǎng)的強(qiáng)激光束的暴露使之能夠?qū)⒈辉撓噜弻游盏哪芰總魉偷剿霰⊥该鲗?dǎo)電層，以制造具有可變光電屬性的TC層。根據(jù)本發(fā)明的光生伏打模塊可以按照不同的沉積和/或蝕刻制造方法來(lái)制造。特別地，本發(fā)明提出了用于沉積透明導(dǎo)電(TC)層的方法和用于在沉積之后蝕刻的方法，這使之能夠同時(shí)制造同一模塊的幾個(gè)電池。該沉積方法包括用于生成厚度不均勻的結(jié)構(gòu)的遮蔽步驟，并且適合所有類(lèi)型的TC0。該蝕刻方法包括化學(xué)蝕刻的步驟，并且特別地適合也需要蝕刻步驟以生成用于光生伏打應(yīng)用的圖案(例如通過(guò)磁控管濺射制成的aiO:Ai)的TC0。這里描述的方法相對(duì)簡(jiǎn)單但是并不是只有這些方法才能夠制造根據(jù)本發(fā)明的光生伏打模塊。本發(fā)明通過(guò)應(yīng)用簡(jiǎn)單的制造方法而使之能夠使得光生伏打模塊的效率得到很大的改進(jìn)而不會(huì)大大增加這些模塊的復(fù)雜度。根據(jù)本發(fā)明的光生伏打模塊的電池不使用均勻的TCO層，而是相反使用了按照層的位置和至電池間的互連的距離的變化而變化的TCO層的最佳屬性。
權(quán)利要求
1.一種包括至少兩個(gè)串聯(lián)的光生伏打電池(7、7')的光生伏打模塊(1)，每個(gè)電池 (7,7')都是矩形的并且分別包括-薄層后端電極(5、5')，-位于所述后端電極(5、5')與薄層透明導(dǎo)電(TC)電極G、4')之間的至少兩個(gè)光生伏打活性材料的光生伏打堆(3、3')，-所述TC電極G、4')能夠收集和發(fā)送由所述光生伏打堆(3、3')生成的電流(10、 10')，并且兩個(gè)光生伏打電池(7、7')通過(guò)沿著相鄰于兩個(gè)電池(7、7')的一側(cè)延伸的電接觸帶(6)而串聯(lián)電連接，所述接觸帶(6)位于第一電池(7)的TC電極(4)與第二電池(7’ ) 的后端電極(5’ )之間，其特征在于，所述電池(7)的薄層透明電極(4)的局部厚度(e)按照至所述電接觸帶(6)的距離的變化而變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生伏打模塊(1)，其特征在于，所述薄層透明電極(4)的光電屬性按照至所述電接觸帶(6)的距離的變化而變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光生伏打模塊(1)，其特征在于，電池(7)的所述薄層透明電極(4)的局部厚度(e)和/或光電屬性從所述接觸帶(6)開(kāi)始沿著所述薄層透明電極 (4)的平面中的一個(gè)方向(X)線性地減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光生伏打模塊(1)，其特征在于，電池(7)的所述薄層透明電極(4)的局部厚度(e)和/或光電屬性從所述接觸帶(6)開(kāi)始沿著所述薄層透明電極 (4)的平面中的一個(gè)方向(X)非線性地減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的光生伏打模塊(1)，其特征在于，所述TC電極(4)的材料是從以下材料中選出的透明導(dǎo)電氧化物摻氟氧化錫(SnO2 = F)、摻鋁氧化鋅(Ζη0:Α1) 或金屬氧化物合金(ITO)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的光生伏打模塊(1)，其特征在于，包括沉積于同一個(gè)基板O)上的一組相同的光生伏打電池(7、7'、7"...)，并且活性材料的光生伏打堆(3、 3'、3"...)包括摻雜的或本征的無(wú)定形硅(a_Si:H)。
7.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，該光生伏打模塊包括一組N個(gè)寬度為L(zhǎng)的矩形光生伏打電池(7、7'、7"...)，其特征在于，具有可變厚度的薄透明導(dǎo)電層G、4'、4"...)穿過(guò)包括N個(gè)寬度為L(zhǎng)的鋸齒的掩膜(8)通過(guò)TC材料的陰極濺射而被沉積在基板上，當(dāng)實(shí)施時(shí)，在濺射期間，所述掩膜與所述基板在所述鋸齒的方向⑴中相對(duì)平移。
8.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，該光生伏打模塊包括一組N個(gè)寬度為L(zhǎng)的光生伏打電池(7、7'、7"...)，其特征在于，具有可變厚度的薄透明導(dǎo)電層G、4'、4"...)穿過(guò)包括一組N個(gè)寬度為L(zhǎng)的切口和N個(gè)寬度為L(zhǎng)的屏蔽區(qū)的兩個(gè)掩膜(9、9’ )通過(guò)TC材料的陰極濺射而被沉積，所述掩膜(9、9’ )在兩個(gè)相反的方向中順次地平移。
9.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，該光生伏打模塊包括一組N個(gè)寬度為L(zhǎng)的矩形光生伏打電池(7、7'、7"...)，其特征在于，具有可變厚度的薄透明導(dǎo)電層G、4'、4"...)穿過(guò)包括N個(gè)寬度為L(zhǎng)的鋸齒的掩膜(8)通過(guò)氣相前體的熱分解而被沉積在基板( 上，當(dāng)實(shí)施時(shí)，在所述熱分解期間，所述掩膜與所述基板在所述鋸齒的方向(X)中相對(duì)平移。
10.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，其特征在于， 包括均勻地沉積薄透明導(dǎo)電(TC)層的步驟和通過(guò)將所述均勻?qū)邮┘拥饺萜?1 的上邊緣(14)上來(lái)對(duì)所述薄TC層進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的步驟，其中所述容器包括N個(gè)蝕刻槽(13、 13’、13”、13”’)、用于每個(gè)槽的用于填充(15)和排空(16)能夠蝕刻所述透明導(dǎo)電材料的液體(18)的裝置以及位于每個(gè)槽之間的密封裝置，所述上邊緣(14)構(gòu)成相對(duì)于所述槽(13、 13’、13”、13”’ )中的液體的水平面傾斜的平面，以使得對(duì)所述槽的填充和逐漸排空能夠?qū)λ鐾该鲗?dǎo)電層(4)進(jìn)行不均勻的蝕刻。
11.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，其特征在于，包括均勻地沉積薄透明導(dǎo)電層的步驟和通過(guò)將所述均勻?qū)邮┘拥饺萜?12’ )的上邊緣 (14)上來(lái)對(duì)所述薄層進(jìn)行液相化學(xué)蝕刻的步驟，其中所述容器包括N個(gè)蝕刻槽(13、13’、 13”、13”’)，這N個(gè)蝕刻槽包括用于填充(1 和排空(16)能夠蝕刻所述透明導(dǎo)電層的液體 (18)的共用裝置，以及用于將空氣從每個(gè)槽中排出的裝置(17)，所述上邊緣(14)構(gòu)成相對(duì)于該槽(13、13’、13”、13”’)中的液體(18)的水平面傾斜的平面，以使得空氣從所述槽中的逐漸排出(17)能夠?qū)λ鐾该鲗?dǎo)電層(4)進(jìn)行不均勻的蝕刻。
12.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，其特征在于， 包括沉積薄透明導(dǎo)電層的步驟和使得所述薄透明導(dǎo)電層暴露于強(qiáng)光束中的步驟，例如激光光束，該強(qiáng)光束包括被所述薄透明導(dǎo)電層吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)。
13.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光生伏打模塊(1)的方法，其特征在于， 還包括與薄透明導(dǎo)電層相鄰地沉積附加層的步驟以及使得該相鄰層暴露于強(qiáng)光束中的步驟，例如激光光束，該強(qiáng)光束包括被所述相鄰層吸收的至少一個(gè)波長(zhǎng)，從而將被該相鄰層吸收的能量傳送至所述薄透明導(dǎo)電層G)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括至少兩個(gè)串聯(lián)的光生伏打電池(7、7′)的光生伏打模塊(1)，每個(gè)電池都(7、7′)是矩形的并且分別包括第一薄層后端電極(5、5′)、位于所述后端電極(5)與薄層透明導(dǎo)電(TC)電極(4)之間的至少兩種活性材料的光生伏打堆(3)，所述TC電極(4、4′)能夠收集和發(fā)送由所述光生伏打堆(3、3′)生成的電流(10、10′)，兩個(gè)光生伏打電池(7、7′)通過(guò)第一電池(7)的TC電極(4)與第二電池(7’)的后端電極(5’)之間的電接觸帶(6)而串聯(lián)電連接。根據(jù)本發(fā)明，所述電池(7)的TC電極(4)的局部厚度(e)按照至所述電接觸帶(6)的距離的變化而變化。本發(fā)明還涉及用于沉積和蝕刻透明導(dǎo)電層(TC)以同時(shí)制造用于單個(gè)模塊(1)的多個(gè)電池(7、7’、7”...)的方法。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102301486SQ200980155922
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者E·V·約翰森, 伊 卡瓦魯卡斯 P·羅卡 申請(qǐng)人:科學(xué)研究國(guó)家中心, 綜合工科學(xué)校, 道達(dá)爾公司