專利名稱：一種用于制備聚光薄膜電池的接收器的掩模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽(yáng)能聚光光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于制備聚光薄膜 電池的接收器的掩模板。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，太陽(yáng)能已成為現(xiàn)代社會(huì)資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，光伏發(fā)電在我國(guó)受到前所未有 的重視，太陽(yáng)能發(fā)電正在成為我國(guó)可再生能源利用中的一支生力軍。其中，對(duì)太陽(yáng)能聚光光 伏系統(tǒng)(CPV)的關(guān)注和研究發(fā)展，將光伏發(fā)電帶進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)代。太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng)通過(guò)光學(xué)元件把一定面積上的陽(yáng)光幾十倍甚至上千倍的會(huì) 聚在一個(gè)較小的電池芯片上，從而有效地減少了光電池的用量，大幅度降低電池成本。太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng)中，聚光組件中的接收器由一個(gè)或多個(gè)光伏電池組成，接受 匯聚后的陽(yáng)光，產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換。接收器主要為砷化鎵基多結(jié)電池和晶體硅電池。其中，砷化 鎵基多結(jié)電池被獨(dú)立用作點(diǎn)聚光CPV組件中的接收電池，而多晶硅電池則是通過(guò)外圍引線 連接形成線性接收器。薄膜電池也可用來(lái)作為CPV接收器，如銅銦鎵硒(Cu (In，Ga) Se2, CIGS)電池。但 是，在線聚光CPV系統(tǒng)中，由于CIGS電池的兩個(gè)電極均在襯底上表面，將各獨(dú)立CIGS聚光 電池互連形成線性接收器就極具困難。各電池之間的外圍接線會(huì)增加電池的陰影，也會(huì)由 于暴露于強(qiáng)光中而產(chǎn)生安全問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種用于制備太陽(yáng)能聚光薄膜電池的接收器的掩模板，實(shí)現(xiàn)多 個(gè)太陽(yáng)能聚光薄膜電池的分離和串聯(lián)互連，無(wú)需使用外部接線，有效節(jié)省了成本，并提高了 接收器的可靠性。—種用于制備聚光薄膜電池的接收器的掩模板，為由第一掩模板、第二掩模板和 第三掩模板構(gòu)成的成套掩模板，其中，(1)所述的第一掩模板用于在襯底上進(jìn)行背電極濺射，所述的第一掩模板上設(shè)有 若干條互相垂直的橫向主柵線和縱向主柵線，所述的橫向主柵線用于將所述的第一掩模板 分成若干組，所述的縱向主柵線用于將所述的第一掩模板分成若干列，這樣，所述的橫向主 柵線和縱向主柵線將所述的第一掩模板分成若干空格，每一個(gè)空格對(duì)應(yīng)一個(gè)電池的面積；所述的第一掩模板的長(zhǎng)度不小于襯底的長(zhǎng)度，所述的第一掩模板的寬度不小于襯 底的寬度，這樣所述的第一掩模板的長(zhǎng)度和寬度能夠覆蓋襯底的長(zhǎng)度和寬度。通常，所述的 第一掩模板的長(zhǎng)度等于襯底的長(zhǎng)度，所述的第一掩模板的寬度等于襯底的寬度，這樣所述 的第一掩模板的長(zhǎng)度和寬度剛好覆蓋襯底的長(zhǎng)度和寬度。所述的第一掩模板的組數(shù)可以由 每組的寬度、橫向主柵線的寬度及第一掩模板的寬度來(lái)確定，每組最后成為包含若干個(gè)依 次串聯(lián)的單體電池的一個(gè)線性接收器；所述的第一掩模板的列的數(shù)目，即每組的電池?cái)?shù)目， 由每塊電池的長(zhǎng)度、縱向主柵線的寬度及第一掩模板的長(zhǎng)度決定。在所述的每一個(gè)空格的兩個(gè)左側(cè)角上設(shè)有矩形標(biāo)簽，所述的矩形標(biāo)簽的長(zhǎng)度L滿足0. 05mm < L < lmm,寬度W滿 足0. 05mm < W < lmm。用所述的第一掩模板在襯底上沉積薄膜后，在橫向主柵線和縱向主柵線及矩形標(biāo) 簽覆蓋的區(qū)域沒(méi)有背電極材料，在襯底的其它區(qū)域均沉積有背電極材料。這樣，縱向主柵線 的寬度決定了在同一線性接收器上相鄰電池之間的距離。由于相鄰電池之間的區(qū)域雖然被 光照到但是不會(huì)產(chǎn)生光電流，因此這個(gè)距離需要盡量縮小。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，可以省去縱向主柵線(或者說(shuō)設(shè)置縱向主柵線的寬度為零)， 但在完成背電極薄膜制備之后，要利用激光劃線來(lái)進(jìn)行每排中的背電極的分離，由于激光 的寬度可以在毫米量級(jí)，這樣在相鄰電池之間只會(huì)產(chǎn)生極小的死區(qū)。所述的襯底為絕緣襯底或鍍有介電層的導(dǎo)電襯底。(2)所述的第二掩模板用于制備銅銦鎵硒吸收層、緩沖層和透明導(dǎo)電層，所述的第 二掩模板與所述的第一掩模板左右對(duì)稱，或者說(shuō)互為鏡像。同樣，如果采用省去縱向主柵線的第一掩模板，則所述的第二掩模板也省去縱向 主柵線(或者說(shuō)設(shè)置縱向主柵線的寬度為零)。這樣，使用所述的第二掩模板完成上述銅銦 鎵硒吸收層、緩沖層和透明導(dǎo)電層三層材料的制備后，需要通過(guò)機(jī)械或激光劃線來(lái)進(jìn)行每 排中這三層材料的分離，以盡可能的減少相鄰電池之間的死區(qū)。用所述的第二掩模板在背電極和襯底上沉積薄膜后，形成銅銦鎵硒吸收層、緩沖 層和透明導(dǎo)電層；(3)所述的第三掩模板用于制備金屬柵線；所述的第三掩模板上設(shè)有若干條主柵 和若干條細(xì)柵，光生電子通過(guò)所述的細(xì)柵匯集到所述的主柵上。所述的細(xì)柵為梯形，越接近主柵，細(xì)柵的寬度越大，梯形細(xì)柵的面電阻越小，避免 因電流密度的增加引起串聯(lián)損耗增大。該設(shè)計(jì)在降低細(xì)柵覆蓋面積的同時(shí)，有效降低了細(xì) 柵的串聯(lián)損耗。一方面，由于細(xì)柵位于光照區(qū)域內(nèi)，細(xì)柵的覆蓋面積應(yīng)該盡量降低，以減少陰影損 失；另一方面，細(xì)柵也要有足夠大的尺寸以獲得低電阻，來(lái)降低光電流流經(jīng)細(xì)柵時(shí)的電阻損 失。這兩方面的權(quán)衡要求細(xì)柵設(shè)計(jì)(尺寸、間距、材料)要根據(jù)特定條件進(jìn)行調(diào)整，這些條 件包括電池的尺寸，聚光倍數(shù)和前電極的表面電阻等等。由于主柵沒(méi)有被光照到，主柵面積不用降到最低；但是，較小的主柵寬度意味著在 相同面積襯底上可以制備更多的電池，即獲得更高的開(kāi)路電壓，因此，主柵的寬度要適中。 此外，主柵尺寸(厚度及寬度)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的另一個(gè)因素，就是要使光電流在主柵上的 電阻損失能夠降到最低。所述的第三掩模板的長(zhǎng)度不小于襯底的長(zhǎng)度，所述的第三掩模板的寬度不小于襯 底的寬度，通常，所述的第三掩模板的長(zhǎng)度等于襯底的長(zhǎng)度，所述的第三掩模板的寬度等于 襯底的寬度。用所述的第三掩模板沉積金屬柵線后，每組中的若干個(gè)單體電池通過(guò)金屬柵線構(gòu) 成串聯(lián)電流，形成線性接收器。相對(duì)于噴墨_打印法，采用上述的第三掩模板制備金屬柵線，能避免高溫退火過(guò) 程，從而避免對(duì)電池造成損害；相對(duì)于光刻法，采用所述的第三掩模板制備金屬柵線，可以 不受柵線厚度的限制，也不會(huì)對(duì)透明導(dǎo)電層造成影響。[0023]本實(shí)用新型的用于制備聚光薄膜電池的接收器的掩模板，可以在薄膜沉積的過(guò)程 中，形成多個(gè)單體電池，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電池之間的串聯(lián)，無(wú)需使用外部接線，有效節(jié)省 了成本，并提高了接收器的可靠性。
圖1是單個(gè)銅銦鎵硒薄膜電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 (a)和圖2 (b)是第一掩模板的兩種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 (a)和圖3 (b)是第二掩模板的兩種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)是第三掩模板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(b)是圖4(a)的一角的放大圖；圖5是每個(gè)工藝步驟對(duì)應(yīng)的器件截面示意圖；圖6是制備的薄膜電池的表面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型，但本實(shí)用新型并不僅限于此。圖1是典型的銅銦鎵硒電池結(jié)構(gòu)示意圖。在襯底110上依次沉積背電極120 (通 常為鉬)，銅銦鎵硒吸收層130，緩沖層140和透明導(dǎo)電層150(通常為透明導(dǎo)電膜TC0)及 金屬柵線160。產(chǎn)生的光生電子被金屬柵線160收集，并通過(guò)外部負(fù)載電路170，然后回到 背電極120。為了在同一襯底上制備多個(gè)獨(dú)立的電池，需要依次進(jìn)行背電極120的制備；銅銦 鎵硒吸收層130、緩沖層140和透明導(dǎo)電層150的制備；和金屬柵線160的制備。圖2(a)所示的掩模板可以用來(lái)在襯底110上制備背電極120。圖2(a)是第一掩模板210的結(jié)構(gòu)示意圖。第一掩模板210上設(shè)有若干條互相垂 直的橫向主柵線230和縱向主柵線250。第一掩模板210的長(zhǎng)度等于襯底長(zhǎng)度270，第一掩模板210的寬度等于襯底寬度 260,因此第一掩模板210能夠覆蓋襯底110 ；橫向主柵線230將第一掩模板210分成若干 組，組數(shù)可以由每組的寬度觀0(即每個(gè)銅銦鎵硒電池的寬度)、橫向主柵線230的寬度及襯 底寬度260來(lái)確定。第一掩模板210還包括縱向主柵線250，縱向主柵線250與橫向主柵 線230垂直并將第一掩模板210分為若干列，列的數(shù)目，即每排的電池?cái)?shù)目，由每塊電池的 長(zhǎng)度四0、縱向主柵線250的寬度及襯底長(zhǎng)度270確定。這樣，縱向主柵線250與橫向主柵 線230將第一掩模板210分為若干空格，每一個(gè)空格對(duì)應(yīng)一個(gè)電池的面積。在每個(gè)空格的 兩個(gè)左側(cè)角各有一個(gè)矩形標(biāo)簽對(duì)0，矩形標(biāo)簽MO的長(zhǎng)度為0. 5mm,寬度為0. 5mm。用第一掩模板210在襯底110上制備薄膜后，在縱向主柵線250、橫向主柵線230 及矩形標(biāo)簽240覆蓋的區(qū)域沒(méi)有背電極材料，在襯底110的其它區(qū)域均沉積有背電極120。 這樣，縱向主柵線250的寬度決定了在同一線性接收器上的各個(gè)電池之間的距離。由于各 個(gè)電池之間的區(qū)域雖然被光照到但是不會(huì)產(chǎn)生光電流，同一線性接收器上的各個(gè)電池之間 的距離需要盡量縮小，因此縱向主柵線250的寬度應(yīng)盡可能小。光刻法是制作背電極的另一種方法。與本實(shí)用新型的技術(shù)方案相比，光刻法也需 要使用掩模，而且還需要額外的材料和時(shí)間。圖3(a)是第二掩模板310的結(jié)構(gòu)示意圖。第二掩模板310被用來(lái)制備銅銦鎵硒 吸收層130、緩沖層140和透明導(dǎo)電層150。從圖3(a)可以看出，第二掩模板310是第一掩模板210的左右對(duì)稱圖或鏡像。第二掩模板310上設(shè)有若干條互相垂直的橫向主柵線330和縱向主柵線350。同樣，第二掩模板310的長(zhǎng)度等于襯底長(zhǎng)度370 (與第一掩模板210上標(biāo)示的襯底 長(zhǎng)度270相同)，第二掩模板310的寬度等于襯底寬度360(與第一掩模板210上標(biāo)示的襯 底寬度260相同)，因此第二掩模板310能夠覆蓋襯底110 ；橫向主柵線330將第二掩模板 310分成若干組，組數(shù)可以由每組的寬度380(與第一掩模板210上標(biāo)示的每組的寬度280 相同，即每個(gè)銅銦鎵硒電池的寬度)、橫向主柵線330及襯底寬度360來(lái)確定。第二掩模板 310還包括縱向主柵線350，縱向主柵線350與橫向主柵線330垂直并將第二掩模板310分 為若干列，列的數(shù)目，即每排的電池?cái)?shù)目，由每塊電池的長(zhǎng)度390 (與第一掩模板210上標(biāo)示 的每塊電池的長(zhǎng)度290相同)、縱向主柵線350的寬度和襯底長(zhǎng)度370確定。這樣，縱向主 柵線350與橫向主柵線330將第二掩模板310分為若干空格，每一個(gè)空格對(duì)應(yīng)一個(gè)電池的 面積。在每個(gè)空格的兩個(gè)左側(cè)角各有一個(gè)矩形標(biāo)簽;340，矩形標(biāo)簽340的長(zhǎng)度為0. 5mm，寬 度為0. 5mmο圖4(a)是第三掩模板的表面結(jié)構(gòu)示意圖。第三掩模板被用來(lái)制備金屬柵線160。如圖4 (a)所示，用于沉積金屬柵線的第三掩模板上設(shè)有若干條主柵460和若干條 細(xì)柵470，光生電子通過(guò)細(xì)柵470匯集到所述的主柵460，然后通過(guò)主柵460到達(dá)上一個(gè)子 電池的背電極，以此構(gòu)成串聯(lián)電路。圖4(b)是第三掩模板的一角的放大圖，顯示了主柵460 和細(xì)柵470的形狀。由于主柵460沒(méi)有被光照到，所以其面積不需要降到最低；但是，主柵460面積較 小，則意味著在相同面積襯底上可以制備更多的電池。進(jìn)行主柵460的尺寸設(shè)計(jì)(厚度及 面積)時(shí)需要考慮的另一個(gè)因素是，盡量降低光電流在主柵上的串聯(lián)損失。由于細(xì)柵470位于光照區(qū)域內(nèi)，細(xì)柵470的尺寸應(yīng)該盡量降低，以減少陰影損失； 另一方面，細(xì)柵470也要有足夠大的尺寸，即低電阻來(lái)降低光電流流經(jīng)細(xì)柵470時(shí)的電阻損 失。這兩方面的權(quán)衡要求細(xì)柵設(shè)計(jì)(尺寸、間距、材料)要根據(jù)特定條件進(jìn)行調(diào)整。這些條 件包括電池的尺寸、聚光倍數(shù)和前電極的表面電阻等等。盡管對(duì)于不同的電池細(xì)柵470構(gòu)造也是不同的，但是對(duì)應(yīng)于不同的電池，均可采 取優(yōu)化的細(xì)柵形狀。如圖4(b)所示，細(xì)柵470是梯形的。光生電子被細(xì)柵470收集后沿縱 向匯集到主柵460，越靠近主柵460，細(xì)柵470上的電流密度越大。為了降低串聯(lián)損耗，需要 逐步增加細(xì)柵470的寬度，以降低串聯(lián)電阻，以此降低串聯(lián)損耗。相對(duì)于采用矩形的等寬細(xì) 柵，梯形細(xì)柵470可以實(shí)現(xiàn)受光面積與串聯(lián)損耗的最佳平衡。相對(duì)于噴墨-打印，采用上述的第三掩模板沉積金屬柵線，能避免高溫退火過(guò)程， 從而避免對(duì)電池造成損害；相對(duì)于光刻法，采用所述的第三掩模板沉積金屬柵線，可以不受 柵線厚度的限制，也不會(huì)對(duì)前電極層造成影響。圖5是采用上述的第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板制備薄膜太陽(yáng)能電池 時(shí)，每個(gè)工藝步驟對(duì)應(yīng)的器件橫斷面的示意圖。由于在第一掩模板210中使用了縱向主柵 線250和矩形標(biāo)簽M0，實(shí)現(xiàn)了對(duì)背電極120的分隔，其中，分隔區(qū)中的520是縱向主柵線 250覆蓋的區(qū)域，510是矩形標(biāo)簽240覆蓋的區(qū)域；由于在第二掩模板310中使用了縱向主 柵線350和矩形標(biāo)簽340，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅銦鎵硒吸收層130、緩沖層140和透明導(dǎo)電層150的 分隔，其中，分隔區(qū)中的520是縱向主柵線350覆蓋的區(qū)域，530是矩形標(biāo)簽340覆蓋的區(qū) 域。由于矩形標(biāo)簽340的覆蓋，背電極材料120中部分區(qū)域未被鍍上銅銦鎵硒吸收層130、緩沖層140和透明導(dǎo)電層150，而直接暴露在空氣中。第三掩模板中的各條主柵460除收集 對(duì)應(yīng)單體電池的表面電流外，還跨過(guò)縱向主柵線250和縱向主柵線350覆蓋的區(qū)域520，與 矩形標(biāo)簽340覆蓋的區(qū)域530(預(yù)留的Mo背電極材料)連接，以此實(shí)現(xiàn)各子電池之間的串 聯(lián)。因此，采用上述第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板，在電池制備過(guò)程中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電 池的內(nèi)部串聯(lián)，無(wú)需使用外部連線，成本低，而且接收器的可靠性更好。圖6是采用上述的第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板制備的薄膜太陽(yáng)能電池 的表面結(jié)構(gòu)示意圖。沿實(shí)線650、670和690進(jìn)行切割后，每組都成為由若干個(gè)單體電池串 聯(lián)而成的一個(gè)線性接收器。虛線640、660、680是每組電池中相鄰兩個(gè)電池的分割線，亦即 主柵線250和350覆蓋的區(qū)域。在這里提到的襯底110指絕緣襯底或鍍有介電層的導(dǎo)電襯底。需要說(shuō)明的是，上述的方案中，第一掩模板210可以采用如圖2(b)所示的第一掩 模板220替代，其區(qū)別就在于，第一掩模板220中縱向主柵線250的寬度為零(或者說(shuō)省略 了縱向主柵線250)，以減少位于光照區(qū)域卻不產(chǎn)生光電流的面積，以盡可能減少相鄰電池 之間的死區(qū)。采取第一掩模板220完成背電極制備后，需要通過(guò)激光劃線對(duì)背電極進(jìn)行縱 向分隔，由于激光的寬度可以在毫米量級(jí)，這樣在相鄰電池之間只會(huì)產(chǎn)生極小的死區(qū)。相應(yīng)地，第二掩模板310可以采用如圖3(b)所示的第二掩模板320來(lái)替代，其區(qū) 別就在于，第二掩模板320中縱向主柵線350的寬度為零(或者說(shuō)省略了縱向主柵線350)， 同樣也是為了減少位于光照區(qū)域卻不產(chǎn)生光電流的面積，以盡可能減少相鄰電池之間的死 區(qū)。采取第二掩模板320制備銅銦鎵硒吸收層120、緩沖層130和透明導(dǎo)電層150后，需要 利用激光劃線來(lái)進(jìn)行這三層材料的分隔，由于激光的寬度可以在毫米量級(jí)，這樣在相鄰電 池之間只會(huì)產(chǎn)生極小的死區(qū)。
權(quán)利要求1.一種用于制備聚光薄膜電池的接收器的掩模板，其特征在于，為由第一掩模板、第二 掩模板和第三掩模板構(gòu)成的成套掩模板，其中，(1)所述的第一掩模板用于在襯底上進(jìn)行背電極濺射，所述的第一掩模板上設(shè)有若干 條互相垂直的橫向主柵線和縱向主柵線，所述的橫向主柵線用于將所述的第一掩模板分成 若干組，所述的縱向主柵線用于將所述的第一掩模板分成若干列，這樣，所述的橫向主柵線 和縱向主柵線將所述的第一掩模板分成若干空格，每一個(gè)空格對(duì)應(yīng)一個(gè)電池的面積；(2)所述的第二掩模板用于制備銅銦鎵硒吸收層、緩沖層和透明導(dǎo)電層，所述的第二掩 模板與所述的第一掩模板左右對(duì)稱；(3)所述的第三掩模板用于制備金屬柵線；所述的第三掩模板上設(shè)有若干條主柵和若 干條細(xì)柵，光生電子在流經(jīng)所述的細(xì)柵后匯聚到所述的主柵。
2.如權(quán)利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的第一掩模板的長(zhǎng)度等于襯底的長(zhǎng) 度，所述的第一掩模板的寬度等于襯底的寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的襯底為絕緣襯底或鍍有介電層的 導(dǎo)電襯底。
4.如權(quán)利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的細(xì)柵為梯形。
5.如權(quán)利要求1所述的掩模板，其特征在于，在所述的每一個(gè)空格的兩個(gè)左側(cè)角上各 有一個(gè)矩形標(biāo)簽，所述的矩形標(biāo)簽的長(zhǎng)度L滿足0. 05mm < L < 1mm，寬度W滿足0. 05mm < W < 1mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于制備聚光薄膜電池的接收器的掩模板，為由第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板構(gòu)成的成套掩模板，其中，第一掩模板用于制備背電極，設(shè)有若干條互相垂直的橫向主柵線和縱向主柵線，分別用于將第一掩模板分成若干組和若干列，從而將第一掩模板分成若干空格，每個(gè)空格對(duì)應(yīng)一個(gè)電池的面積；第二掩模板用于制備銅銦鎵硒吸收層、緩沖層和透明導(dǎo)電層，第二掩模板與第一掩模板左右對(duì)稱；第三掩模板用于制備金屬柵線，設(shè)有若干條主柵和若干條細(xì)柵。本實(shí)用新型的掩模板用于制備太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng)的接收器，在薄膜沉積過(guò)程中實(shí)現(xiàn)單體電池的分離和單體電池之間的串聯(lián)，無(wú)需使用外部接線，降低了生產(chǎn)成本，且提高了接收器的可靠性。
文檔編號(hào)H01L31/18GK201853727SQ20102053119
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者王東 申請(qǐng)人:普尼太陽(yáng)能(杭州)有限公司