本發(fā)明涉及諸如光伏模塊的電池之間的薄膜光電子器件中的通孔和單片互連。

背景技術(shù)：

薄膜光伏模塊通常由許多電互連的光電子部件組成。這種部件可以是光電子器件(諸如光伏電池)和額外的可選部件(諸如二極管以及其它電子器件)。光伏模塊通常還包括電互連部件(諸如電池至電池連接器)和母線。

多層薄膜技術(shù)使若干光電子部件和相關(guān)聯(lián)的部件能夠在同一襯底上單片集成和互連。使用一系列層沉積和刻劃技術(shù)(scribing technique)在原位產(chǎn)生該集成。薄膜光電子或者光伏部件或器件基本上由三個材料層的疊層組成：導電背接觸電極層、半導體光伏材料層(也稱為吸收體)和另一個導電前接觸電極層，所述前接觸層通常是透明的。與傳統(tǒng)基于晶片的硅光伏器件或者太陽能電池相比，基于半導體材料(諸如Cu(In,Ga)Se₂(縮寫為CIGS))的光伏電池顯示出太陽能電力成本較低、能量回收時間較少和改進的壽命周期影響(life-cycle impact)的高潛能。

與基于晶片的光伏器件相比，單片光伏模塊可以由于用于形成薄膜(薄膜形成光伏部件的一部分)的材料量減少、單片集成勞務(wù)成本減少以及自動化生產(chǎn)大量光伏模塊的便利(例如使用卷對卷(roll-to-roll)制造技術(shù))而具有較低的成本?？梢酝ㄟ^增大曝露于光的光伏部件的相對面積(例如，通過減小由收集光伏電池的前接觸電極上的電流的前接觸柵格、光電子部件之間的電互連以及母線所占據(jù)的面積)以獲得額外的節(jié)省。光伏模塊生產(chǎn)量還可以由于生產(chǎn)步驟數(shù)量的減少(例如，通過減少勾畫和構(gòu)造薄膜單片光伏模塊中的光電子部件的互連需要的刻劃操作數(shù)量)而增大。

美國專利號7276724描述了由于形成繞通型通孔(例如，使用激光燒蝕)、添加導電材料以驅(qū)動電極之間的電流以及添加導電材料至相鄰模塊而串聯(lián)互連的光電子器件模塊。繞通型通孔通常需要鉆進和后續(xù)金屬化。這需要可能增加成本以及降低產(chǎn)量的額外的生產(chǎn)步驟。利用WO2011/148346的單片光電子模塊生產(chǎn)方法得以避免這些步驟中的一些，該方法描述了形成具有富銅CIGS型壁的通孔，所述富銅CIGS型壁是通過吸收體層的CIGS材料的部分熔融得到的。

對于一些應(yīng)用，需要包括形狀為線段和其變型的通孔的薄膜光電子器件以及形成該薄膜光電子器件的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

單片光伏模塊生產(chǎn)領(lǐng)域中的問題涉及可靠地制造光伏部件(諸如光伏電池)之間的高導電通孔互連。此處提供的實施例可以包括用以以降低的成本和高產(chǎn)量可靠地使薄膜單片光伏模塊裝置的電池互連的方法。該方法還可以用于制造單片光伏模塊的各種部件之間的互連，各種部件可以包括光伏電池、二極管、柵格和母線。該方法的速度和大處理窗口對使用卷對卷生產(chǎn)方法進行單片光伏模塊裝置的工業(yè)生產(chǎn)是有利的。此處提供的公開的實施例還可以包括具有通孔線段的薄膜光電子器件以及可靠地高速地制造這種線段的方法。

使用激光器制造單片互連的領(lǐng)域中的問題是處理窗口需要非常小心地調(diào)節(jié)激光刻劃參數(shù)，當激光刻劃在柔性襯底上形成的光伏材料時更需要這樣。

在激光刻劃在柔性襯底上形成的光伏材料時強調(diào)的另一個的問題是單片互連在重復制造時可能呈現(xiàn)的單片互連的導電性的差異。

又一個問題是激光刻劃可能損壞各種光伏材料層以及導致材料發(fā)生裂紋和從柔性襯底局部脫層。這在用脈沖激光器進行刻劃時尤其如此。

因此，本公開的實施例可以利用優(yōu)選為使用激光器的刻劃方法，在使用激光器的刻劃方法中，由刻劃處理生成的熱量使圍繞刻劃空腔的材料層轉(zhuǎn)變以使導電性增大，從而能夠設(shè)計和生產(chǎn)有成本效率的串聯(lián)互連的光電子部件和后續(xù)的單片光電子模塊裝置。

本發(fā)明的一個實施例通過以下步驟得到：提供薄膜光伏材料，諸如CIGS電池或者其中可能已經(jīng)用電池對背接觸層進行了圖案化的模塊；以及將線段通孔刻劃到薄膜材料中以在背接觸層的一部分與前接觸層的一部分之間形成至少一個導電單片互連。

因此，本公開的實施例可以提供制造單片集成光電子模塊的方法，該制造單片集成光電子模塊的方法包括形成至少一個薄膜CIGS器件的方法，所述形成至少一個薄膜CIGS器件的方法包括在所述薄膜CIGS器件的區(qū)域中形成至少一個線段通孔，所述器件包括至少一個前接觸層、一個半導體光電子有源層、一個背接觸層和一個襯底；以及其中至少一個線段通孔通過由至少一個激光器進行鉆孔形成并且穿過至少一個半導體光電子有源層和至少一個前接觸層的至少一個部分；以及其中由至少一個激光器鉆孔使得在內(nèi)襯于所述至少一個線段通孔的內(nèi)表面的有源層的層級處形成導電的永久金屬化的富銅CIGS型合金的至少一個CIGS型壁，所述CIGS型合金通過鉆孔處的CIGS半導體光電子有源層的化學組成的永久性改變而產(chǎn)生，在至少一個前接觸層的至少一個部分與至少一個背接觸層的至少一個部分之間形成導電通路，沿著所述線段通孔的內(nèi)表面的邊緣在前接觸層的表面處形成前接觸凸塊形凸起部分，以及在所述線段通孔的內(nèi)表面的基底處形成朝向前接觸層凸起的背接觸層的凸起部分。

在所述方法中，至少一個通孔的形成可以去除背接觸層在通孔內(nèi)的一部分，從而曝露襯底的一部分。此外，至少一個通孔的形成可以去除背接觸層在通孔內(nèi)的一部分，從而曝露襯底的一部分，以及其中背接觸層的一部分的凸起使得在襯底的曝露部分的外圍處形成背接觸層的至少一部分的至少一個槽形向上卷曲部。更確切地，至少一個通孔的形成可以包括在襯底的曝露部分的外圍處形成背接觸層的至少第一部分的至少一個槽形僅向上卷曲部以及形成背接觸層的至少第二部分的至少一個槽形向上且向后(curl-up-and-back)卷曲部。在所述方法中，襯底可以是聚酰亞胺。更詳細地，可以用至少一個連續(xù)波激光器進行至少一個通孔的鉆孔。此外，可以用在所述薄膜CIGS器件上形成具有不對稱激光光斑圖的至少一個激光器形成至少一個通孔。更確切地，在襯底的層級處測量的用于至少一個通孔的鉆孔的激光功率可以包括在向通孔傳遞激光功率的時間的一部分內(nèi)逐漸增大的激光功率。此外，由至少一個激光器進行至少一個通孔的鉆孔可以包括在薄膜CIGS器件的表面處移動至少一個激光光斑，其中在與所述通孔的鉆孔開始相對應(yīng)的末端處，在向通孔傳遞激光功率的距離的功率增大距離部分上存在逐漸增大的激光功率。根據(jù)從器件的曝光側(cè)看時的顯微鏡檢查，至少一個通孔的鉆孔可以形成勾勒(describe)橢圓形圖案的CIGS型合金的內(nèi)表面，該橢圓形圖案具有在與所述通孔線段的鉆孔開始相對應(yīng)的末端處比在結(jié)束末端處更小的曲率半徑。在實踐中，由至少一個激光器進行的至少一個通孔的鉆孔可以包括移動至少一個連續(xù)波激光器的至少一個激光光斑，使得傳遞至通孔的至少一個部分的激光能量包括在1J/m與8J/m之間。更具體地，由至少一個激光器進行的至少一個通孔的鉆孔可以包括激光提供(laser-provided)的通量(fluence)在從5×10⁸J/m²至41×10⁸J/m²的范圍中的時間間隔。更確切地，由至少一個激光器進行的至少一個通孔的鉆孔可以包括激光提供的穩(wěn)定狀態(tài)通量在從7.5×10⁸J/m²至11×10⁸J/m²的范圍中的時間間隔。此外，可以用至少一個皮秒脈沖激光器進行至少一個通孔的鉆孔。對于更大的制造生產(chǎn)量，可以在將相鄰的燒蝕線激光器刻劃到前接觸層中的同時完成至少一個通孔的鉆孔。以更廣的方式，形成所述薄膜CIGS器件可以包括形成包括所述薄膜CIGS器件的區(qū)域中的多個所述線段通孔的至少一個短劃線。

本公開的實施例還涉及可以由所描述的方法獲得的薄膜CIGS器件，所述薄膜CIGS器件包括所述薄膜CIGS器件的區(qū)域中的至少一個線段通孔，所述器件包括至少一個前接觸層、一個半導體光電子有源層、一個背接觸層和一個襯底；以及其中至少一個通孔穿過至少一個半導體光電子有源層和至少一個前接觸層的至少一個部分，包括由在內(nèi)襯于所述至少一個通孔的內(nèi)表面的有源層的層級處的導電的永久金屬化的富銅CIGS型合金形成的至少一個CIGS型壁，所述CIGS型合金通過鉆孔時產(chǎn)生的CIGS半導體光電子有源層的化學組成的永久性改變而產(chǎn)生，包括在至少一個前接觸層的至少一個部分與至少一個背接觸層的至少一個部分之間的導電通路，包括沿著所述線段通孔的內(nèi)表面的邊緣在前接觸層的表面處的前接觸凸塊形凸起部分，以及包括朝向前接觸層凸起的背接觸層的凸起部分。

在所述器件中，襯底的一部分可以曝露在通孔內(nèi)。此外，襯底的一部分可以曝露在通孔內(nèi)，以及背接觸層的至少凸起部分可以在襯底的曝露部分的外圍處形成至少一個槽形向上卷曲部。更進一步地，至少一個通孔可以包括在襯底的曝露部分的外圍處的背接觸層的至少第一部分的至少一個槽形僅向上卷曲部以及背接觸層的至少第二部分的至少一個槽形向上且向后卷曲部。更具體地，襯底可以是聚酰亞胺。更詳細地，根據(jù)從器件的曝光側(cè)的顯微鏡檢查，CIGS型壁的內(nèi)表面的形狀可以具有在可識別為與所述通孔的鉆孔開始的位置相對應(yīng)的通孔線段的末端處比在結(jié)束末端處小的曲率半徑。此外，至少一個線段通孔可以包括至少覆蓋前接觸層的表面的一部分的導電CIGS型合金的至少一個凸起部分。以更廣的方式，所述器件可以包括所述薄膜CIGS器件的區(qū)域中的至少一個短劃線，所述至少一個短劃線包括多個所述線段通孔。

本公開的實施例還可以包括單片集成光電子模塊，該單片集成光電子模塊包括非遮蔽母線、各種大小和數(shù)量的集電流柵格、包封材料以及各種深度和/或形狀和/或位置和/或數(shù)量的通孔。

優(yōu)點

此處提供的本公開的實施例可以有利地解決薄膜光伏器件制造領(lǐng)域以及更具體地光伏器件或者互光電子部件的模塊(諸如柔性光伏模塊)的卷對卷制造領(lǐng)域中的若干問題。對于使用此處描述的一個或者多個實施例或者方法制造的薄膜柔性光伏器件，可通過常規(guī)器件獲得的優(yōu)點可以包括：

-放大的激光刻劃處理窗口，

-激光刻劃處理的更大的可重復性，

-更高的光伏轉(zhuǎn)換效率，

-更大的單片互連強度，

-更大的制造產(chǎn)量，

-更大的設(shè)計范圍，

-更大的光伏模塊可靠性，

-更低的生產(chǎn)成本。

上面提供的所列優(yōu)點不應(yīng)該被認為是必需用于此處描述的一個或者多個實施例的，以及并不旨在對此處描述的本發(fā)明的范圍進行限制。

此處描述的實施例的益處中的一個包括線段通孔的形成，這可以對薄膜器件中的單片互連以及提供到母線和甚至到非遮蔽母線的連接而言尤其有用。

附圖說明

圖1A-1B示出了具有凸起的CIGS型通孔壁表面的薄膜CIGS器件中的線段通孔的實施例的剖面視圖。

圖2示出了包括多個線段通孔的薄膜CIGS模塊的剖面視圖。

圖3示出了圖2所示的包括多個線段通孔的薄膜CIGS模塊的俯視圖或者曝光側(cè)的視圖。

圖4A-4B示出了線段通孔的俯視圖或者曝光側(cè)的視圖以及用于對線段通孔進行激光刻劃的相應(yīng)的激光功率的曲線圖。

圖5是用于刻劃一系列線段通孔的激光功率對比時間的曲線圖。

圖6A-6E分別地呈現(xiàn)了圖2、圖1A、圖1B和圖4A的變型，其中凸起的CIGS型通孔壁表面更大并且在前接觸層上形成。

具體實施方式

圖1A至圖1B描繪了此處提供的公開的兩個示例性實施例，每個圖代表如何執(zhí)行形成線段通孔的方法以形成單片集成光電子模塊的技術(shù)變型。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖中表示的各種部件的比例已經(jīng)被調(diào)節(jié)以提高清晰度，并且因此并不旨在對此處提供的本發(fā)明的范圍進行限制。此外，圖中部件的數(shù)量和區(qū)域被示意性地示出并且因此還可以被調(diào)節(jié)或者調(diào)適以形成有值得工業(yè)生產(chǎn)的單片集成光電子模塊。針對圖1A和圖1B描述的大多數(shù)特征還適用于圖6B和圖6C，區(qū)別是圖6B和圖6C的實施例包括至少部分地覆蓋前接觸層150的表面的CIGS型合金155’的至少一個凸起部分，而圖1A和圖1B的前接觸凸起部分155的凸塊在圖6B和圖6C中編號為157。

圖1A示出了優(yōu)選地使用激光器已經(jīng)刻劃了線段通孔165的薄膜器件100的一部分的剖面。薄膜器件包括至少一個電絕緣襯底110、至少一個導電背接觸層120、至少一個吸收體層130、至少一個緩沖層140(可選)和至少一個導電前接觸層150。

電絕緣襯底110可以是剛性或者柔性的以及具有各種材料或者涂敷材料，諸如玻璃、涂敷金屬、塑料涂敷的金屬、塑料、涂敷塑料(諸如金屬涂敷的塑料)或者柔性玻璃。優(yōu)選柔性襯底材料是聚酰亞胺，因為它非常柔韌，承受制造高效率光電子器件需要的溫度，需要比涂敷金屬的襯底少的處理以及呈現(xiàn)與沉積在所述柔性襯底上的光伏材料層的熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)。工業(yè)上可用的聚酰亞胺襯底通常可具有范圍為從7μm到150μm的厚度，可以承受大約400-600℃的溫度以及允許卷對卷生產(chǎn)。

至少一個導電背接觸層120涂敷襯底110。背接觸層120優(yōu)選地具有高光學反射率以及通常由鉬(Mo)制成，然而還可以有利地使用或者包括若干其它薄膜材料，諸如金屬硫族化物、鉬的硫族化物、硒化鉬(諸如MoSe₂)、鈉(Na)摻雜Mo、鉀(K)摻雜Mo、Na和K摻雜的Mo、過渡金屬硫族化物、錫摻雜的氧化銦(ITO)、摻雜或者非摻雜氧化銦、摻雜或者非摻雜氧化鋅、氮化鋯、氧化錫、氮化鈦、鈦(Ti)、鎢(W)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)和鈮(Nb)。

至少一個吸收體層130涂敷導電層120。吸收體層130典型地由ABC材料制成，其中A表示由國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會定義的化學元素周期表第11族中的元素(包括銅(Cu)或者銀(Ag))，B表示周期表第13族中的元素(包括銦(In)、鎵(Ga)或者鋁(Al))，以及C表示周期表第16族中的元素(包括硫(S)、硒(Se)或者碲(Te))。ABC材料的示例(如ABC₂材料)是Cu(In,Ga)Se₂半導體，也稱為CIGS。

可選地，至少一個半導體緩沖層140涂敷吸收體層130。所述緩沖層通常具有高于1.5eV的能帶隙以及例如由CdS、Cd(S,OH)、CdZnS、硫化銦、硫化鋅、硒化鎵、硒化銦、(銦，鎵)-硫的化合物、(銦，鎵)-硒的化合物、氧化錫、氧化鋅、Zn(Mg,O)S、Zn(O,S)材料或者它們的變型制成。

至少一個透明導電層150涂敷緩沖層140。所述透明導電層(也稱為前接觸)通常包括透明導電氧化物(TCO)層，例如由材料(諸如氧化銦、氧化錫或者氧化鋅)的摻雜或者非摻雜變型制成。

線段通孔165是通常在沉積前接觸層150之后形成的薄膜微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地使用至少一個激光器(優(yōu)選為至少一個連續(xù)波激光器)刻劃線段通孔165，使得由刻劃引起的局部熱量使得內(nèi)襯于所述線段通孔165的內(nèi)表面的CIGS吸收體層130的層級處的CIGS材料永久地變?yōu)閷щ姡瑥亩纬蒀IGS型壁134。CIGS型壁134的材料由局部熱量引起的吸收體層130的CIGS材料的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生。熱量引起的轉(zhuǎn)變可以被描述為CIGS材料的化學成分的部分熔融和部分汽化，從而使得CIGS型壁134由富銅CIGS型合金形成。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以使用掃描電子顯微術(shù)、能量分散X射線光譜學(EDS)和圖像處理軟件觀察并且定量薄膜微結(jié)構(gòu)和材料的分布。富銅CIGS型合金的能量分散X射線光譜學(EDS)表征表明它包括至少硒化銅和銅。

因此，所述CIGS型合金形成線段通孔165的金屬化CIGS型壁134。金屬化CIGS型壁134沿薄膜厚度的方向在線段通孔165內(nèi)從背接觸層120延伸到至少前接觸層150。因此，金屬化CIGS型壁134在背接觸層120與前接觸層150之間提供導電通路。CIGS型壁134的電阻率通常在具有大約1.68×10^-8Ω·m的電阻率的銅的電阻率與大約2×10^-2Ω·m之間的范圍中，其中適合的值在大約1.9×10^-3Ω·m至2.1×10^-3Ω·m的范圍內(nèi)。

因此，通過控制激光器刻劃處理期間傳遞的能量，可以合乎需要地形成分段通孔165。通過優(yōu)選地使用至少一個激光器(優(yōu)選為至少一個連續(xù)波激光器)進行的刻劃處理生成的局部熱量還導致朝向前接觸層150凸起的背接觸層120的至少一個凸起部分125的形成。凸起部分125可以提供與CIGS型壁134的改進的機械接觸和電接觸。

此外，通過刻劃處理生成的局部熱量可以可選地導致在前接觸層150的表面處形成前接觸凸起部分155。前接觸凸起部分通常類似沿著通孔外圍的大部分的凸塊。凸塊的形狀通常與通孔的CIGS型壁134的內(nèi)表面135融合以及朝外側(cè)可以與前接觸層逐漸地融合或者形成鈍角接合。凸塊外側(cè)的剖面可以例如通過可選截頂凸塊函數(shù)建模：對于|x|＜1(或者如果截頂，則|x|＜＜1)，y＝exp(-1/(1-x²))，否則y＝0。所述前接觸凸起部分155可以包括從下層吸收體層130的擴散的銦。由于來自施加激光能量的位置的熱輻射和擴散以及來自由激光刻劃處理期間下層背接觸層120的存在引起的熱板效應(yīng)的熱輻射兩者，可以存在所述銦，因此使得銦從吸收體層130擴散到前接觸層150中。

圖1B示出了圖1A的變型的剖面，其中在通孔165’內(nèi)曝露襯底110的一部分，以及背接觸層120的至少一個凸起部分在襯底的曝露部分的外圍117處形成槽形向上卷曲部127、127’。曝露襯底110以及形成背接觸層120的槽形向上卷曲部127、127’可以給予比圖1A中呈現(xiàn)的實施例更大的激光刻劃制造窗口、更大的生產(chǎn)量和機械阻力。圖1B呈現(xiàn)CIGS型壁134、134’的兩個變型以及背接觸層120的槽形向上卷曲部127、127’的對應(yīng)凸起部分。CIGS型壁134和槽形向上卷曲部127的背接觸凸起部分中的變型的特點在于其凸起部分向上卷曲并且向后卷曲，從而形成向上且向后卷曲127類型的向上卷曲部，從而圍繞內(nèi)表面134的材料以及可能地與內(nèi)表面134的材料局部地融合以形成包括銅、硒化銅和鉬的非均勻化合物。內(nèi)表面134’和槽形向上卷曲部127’的背接觸凸起部分中的變型的特點在于凸起部分向上卷曲但不向后卷曲，從而形成僅向上卷曲127’類型的向上卷曲部，以及該變型包括的材料融合比向上且向后卷曲部127少。

可以在分開的通孔或者同一通孔中存在兩個CIGS型壁的變型134、134’和槽形向上卷曲部127、127’的凸起部分。例如，通孔165’的一個長邊的至少一個部分可以代表變型134、127，而另一個長邊的至少一個部分可以代表變型134’、127’。與圖1A相比，在一些實施例中，背接觸層120的槽形向上卷曲部127、127’的凸起部分的形成可以使內(nèi)表面134、134’凸起得相對更高以及還可選地使前接觸凸起部分155凸起得更高。

槽形向上卷曲部127、127’可以有利于相對于薄膜層的脫層增大通孔的導電性和強度。實際上，槽形向上卷曲部127、127’形成焊接部，通常包括非均勻分布的鉬、銅以及可以包括硒化銅，該非均勻分布局部地加強薄膜層的彼此貼合，尤其是附近的非熔融CIGS半導體光電子有源層到背接觸鉬層的貼合。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造的通孔或者單片互連的凹槽(尤其是使用脈沖激光器而不是連續(xù)波激光器制造的那些通孔或者單片互連凹槽)可以呈現(xiàn)通?？赏ㄟ^光伏器件的薄膜層中的脫層、剝落和裂紋識別的較小機械強度。

形成變型134、127和134’、127’可以有利于設(shè)計通孔段的導電性的局部調(diào)適，或者如果通孔段足夠長，則通過改變向上卷曲部的高度1273和寬度1275、富銅CIGS型合金1345的寬度和擴散到前接觸150的凸塊形凸起部分155中的銦量以設(shè)計沿著通孔段長度的導電性的局部調(diào)適。例如，在一個實施例中，使通孔段的一側(cè)(諸如最靠近電池的曝露于光的前接觸區(qū)域的大部分的一側(cè))比另一側(cè)(諸如最靠近前接觸層凹槽151的一側(cè)(圖2和圖3中示出的))導電性更強可以是有利的。定制通孔段的側(cè)面的導電性以適應(yīng)電池表面處的局部導電性的變化(諸如通過前接觸導電柵格部件的存在、接近或者鄰接提供的變化)也可以是有利的。實施例可以例如包括各種長度的通孔段，可以包括勾勒曲線的通孔段，其中任何一個通孔段中的任何一個側(cè)面包括變型134、127和134’、127’的組合。

制造包括所述變型中的至少一個的至少一個通孔線段的方法可以包括使用激光光斑，其中，當考慮要激光刻劃的器件表面處的激光光斑圖時，關(guān)于激光光斑圖的中心不對稱地設(shè)置激光光斑的最高激光光強的區(qū)域?？梢岳缤ㄟ^調(diào)節(jié)激光束光學路徑內(nèi)安置的激光束成形器或者激光束擴展器以獲得激光光斑圖的不對稱性。通過選擇或者控制激光光斑內(nèi)最高激光強度的區(qū)域的位置，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇或者控制向上卷曲部變型127和127’的形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以期望地改變激光光斑內(nèi)最高激光強度的區(qū)域的位置以改變線段通孔的形成，諸如，形成至少一個線段通孔內(nèi)的不同特征的多個槽形向上卷曲部。

圖2示出了包括多個線段通孔163、165、165’、167的薄膜CIGS光伏模塊200的剖面。線段通孔165能夠?qū)崿F(xiàn)光伏模塊的相鄰電池之間的串聯(lián)單片互連。線段通孔163、167能夠?qū)崿F(xiàn)前接觸層或者背接觸層部件到下層母線182、188的電互連。至少一個線段通孔163、165、165’、167包括如針對圖1A-1B中的至少一個描述的由吸收體層的CIGS材料的熱量引起的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的富銅CIGS型壁132、134、136、138以及背接觸層的至少一個凸起部分125、127。所述通孔163、165、165’、167中的任何一個可以可選地包括如也在圖1A-1B中示出的前接觸層部件156上形成的至少一個前接觸凸起部分155。任何一個通孔163、165、165’、167可以可選地包括如也在圖1B中示出的與槽形向上卷曲部127、127’一起形成的至少一個背接觸層部件128。

與圖1A的描述類似地，光伏模塊200包括至少一個電絕緣襯底110、至少一個導電背接觸層(在這里由背接觸層部件124、126、128、129表示)、至少一個吸收體層130、可選地至少一個緩沖層(在這里由緩沖層部件142、144、146、148表示)以及至少一個導電前接觸層(在這里由前接觸層部件152、154、156、158表示)。通常在沉積吸收體層之前對形成電隔離的背接觸層部件的背接觸層凹槽121進行激光刻劃。通常優(yōu)選地用脈沖激光器(更優(yōu)選地用皮秒脈沖激光器)對至少形成電隔離的前接觸層部件的前接觸層凹槽151進行激光刻劃，以及所述凹槽可以在深度上延伸到所述背接觸層部件的表面。

線段通孔165在至少一個第一前接觸層部件154、156與至少一個第二背接觸層部件126、128之間建立單片互連?？梢栽诳虅澢敖佑|層凹槽151之前、之后或者同時對所述通孔進行刻劃。此外，可以使用相同的激光源對通孔165和前接觸層凹槽151進行刻劃。

線段通孔163、167能夠?qū)崿F(xiàn)與至少一個母線182、188的電接觸。通孔165、165’可以比通孔163、167刻劃得更深以燒蝕襯底110的一部分?？梢苑謩e地使用導電膏(conductive paste)172、178在通孔163、167的薄膜層與母線182、188之間建立電路徑。所述導電膏還可以用作至少一個通孔163、165、165’、167中的填充物以增大由所述通孔163、165、165’、167內(nèi)的內(nèi)表面132、134、136、138提供的連接的導電性。

圖3示出了包括具有交替取向的多個線段通孔163、165、165’、167的薄膜CIGS模塊200的示意性俯視圖或平面視圖或者曝光側(cè)的視圖，其剖面在圖2中示出。已經(jīng)沿方向101刻劃了線210的線段通孔163、165’以及已經(jīng)沿相反方向102刻劃了線段通孔165、167?？虅澋姆较蚩梢愿鶕?jù)以下特點識別：與線段通孔的鉆孔的開始相對應(yīng)的末端105具有小于結(jié)束末端106的曲率半徑。與鉆孔的開始相對應(yīng)的末端105的長度和形狀是激光運動和激光功率逐漸增大的結(jié)果。激光功率逐漸增大優(yōu)選產(chǎn)生導電CIGS型合金，同時將產(chǎn)生使用脈沖激光器時頻繁產(chǎn)生的不期望的裂紋和脫層的風險最小化。對于一些激光刻劃參數(shù)和薄膜CIGS器件而言，刻劃方向還可以根據(jù)以下特點識別：與鉆孔的開始相對應(yīng)的末端105具有比在與鉆孔的結(jié)束相對應(yīng)的末端106處更細長的CIGS型壁132、134、136、138的內(nèi)表面135。線段通孔163、165、165’、167的特點還可以在于：除去結(jié)束末端106處的部分，在與鉆孔的開始相對應(yīng)的末端105處的通孔長度部分比通孔的平均寬度窄。還用背接觸層部件128的槽形向上卷曲部127或者127’以及襯底110的可見部分的俯視圖圖示線段通孔165’。前接觸層凹槽151展現(xiàn)吸收體層130的部分?？梢园凑张c用于制造線段通孔的相同生產(chǎn)步驟制造使前接觸部件分隔開的前接觸層凹槽151，從而有利地減小生產(chǎn)復雜度、時間、成本和工具數(shù)量。

盡管可以沿任何方向刻劃線段通孔，但是沿第一方向101刻劃線段通孔的第一線以及隨后沿第二且相反方向102刻劃線段通孔的第二線(諸如，相鄰線)對提高制造速度可以是有利的。此外，線段通孔可以具有不同變型(如針對圖1A-1B、圖2和圖3的描述中提出的)、不同尺寸(諸如長度和/或?qū)挾?以及不論在給定線上的線段通孔之間還是在線段通孔的線之間具有不同間隔。

圖4A示出了線段通孔165’的實施例的俯視圖或者曝光側(cè)的視圖，以及圖4B是用于對線段通孔進行激光刻劃的相應(yīng)的激光功率400的曲線圖。沿方向101將線段通孔165’激光刻劃到薄膜器件100中。在圖4A中，所使用的激光功率在襯底曝露部分的外圍117處形成包括背接觸層120的凸起的槽形向上卷曲部127的通孔。向上卷曲部127可以包括圖1B中示出的向上卷曲部變型的部分，向上且向后卷曲部127或者僅向上卷曲部127’。由于背接觸層120的部分燒蝕，下層襯底110也是可見的。圖4A還圖示了由覆蓋前接觸層150的一部分的至少一個前接觸凸起部分155封蓋的CIGS型壁134。圖4A中還可見的是，在激光功率增大距離部分405內(nèi)，比通孔外圍的其余部分更細長的CIGS型壁134的內(nèi)表面135。在跟隨與鉆孔的開始相對應(yīng)的末端105的所述激光功率增大距離部分405內(nèi)的是，通孔除去通向結(jié)束末端106的端部長度406的部分通常比通孔的平均寬度窄。

圖4B中的曲線圖示出了激光功率對比距離的曲線圖400通常如何包括激光功率增大部分415。所述激光功率增大部分從無功率內(nèi)的功率級以及不形成任何刻劃軌跡的功率級開始，以及以能夠形成與圖1A、1B、6B和6C的描述中給出的那些通孔段相似的任何通孔段的激光功率級結(jié)束。通常通過激光器的控制器控制激光功率的增大，但也可以借助于機械或者光電子快門(shutter)獲得激光功率的增大。作為距離的函數(shù)的激光功率的增大通常是漸進的以及通常形狀為阻尼的一階或者二階系統(tǒng)模型的斜坡或者階躍響應(yīng)。激光光斑通常在所述激光功率增大距離部分期間移動距離405。然而，激光功率可以可選地被設(shè)定為在激光光斑不運動的情況下增大。通常在激光功率增大距離部分之后是恒定功率的部分，其中激光光斑可以在任何長度上移動以及將任何圖案刻劃或者追刻(trace)到薄膜光伏器件100、200中。所述圖案通常包括至少一個線段但還可以包括轉(zhuǎn)彎、連接的段序列或者勾勒曲線。通孔的刻劃以形成線段通孔的結(jié)束末端106的激光功率減小階躍416結(jié)束。激光功率隨后減小(通常是突然的)到通常低于燒蝕閾值功率的不形成對通孔的任何刻劃(優(yōu)選地不形成任何刻劃軌跡)的功率級。

概括地說，激光功率增大部分415形成鉆孔開始的末端105，而激光功率減小階躍416形成結(jié)束末端106。在激光功率增大部分415期間供應(yīng)能量的速率是成功地形成具有高導電CIGS型壁134、134’和槽形向上卷曲部127、127’的通孔的重要參數(shù)。下面對一些期望的激光刻劃工藝參數(shù)的示例進行更詳細的討論。過高的速率可能導致脫層、過度的層燒蝕以及不規(guī)則通孔，該不規(guī)則通孔可能降低整個器件的光伏效率，促進薄膜層的剝落，產(chǎn)生故障點以及縮短器件壽命。突然的激光功率減小階躍416通常將能夠形成成功的導電結(jié)束末端106。激光功率減小的突然性并不是必要的，但在可以在能夠進行刻劃的功率級的激光功率輸出之間強制執(zhí)行最小持續(xù)時間(諸如，預(yù)燃持續(xù)時間)的電子控制器或者開關(guān)控制激光器的輸出時可以是有利的。

圖5是激光功率對比時間的曲線圖，其中在例如薄膜CIGS模塊200的不同部分中刻劃兩個線段通孔。曲線圖的比例與圖4B中的比例不同。曲線圖圖示了用以刻劃至少一個線段通孔的線段通孔刻劃序列。如由激光功率曲線圖500圖示的，用以刻劃至少一個線段通孔的序列包括至少一個激光功率增大時間部分515，其中激光功率逐漸地增大以發(fā)起第一線段通孔的刻劃。作為時間的函數(shù)的激光功率的增大優(yōu)選地是漸進的以及通常形狀為阻尼的一階或者二階系統(tǒng)模型的斜坡或者階躍響應(yīng)。激光功率增大時間部分515可以用于形成與圖3和圖4A中圖示的激光功率增大距離部分405內(nèi)的開始部分在形狀上相似的開始部分。激光功率隨后可選地到達穩(wěn)定狀態(tài)。序列通常隨后包括通常具有突然的激光功率減小階躍(通常到低于燒蝕閾值功率的激光功率級)的激光功率減小部分516。這隨后是減小的功率級部分517，該減小功率級部分517通常維持在不形成通孔或者優(yōu)選地不形成任何刻劃軌跡的功率級處。隨后根據(jù)所需的線段數(shù)多次重復線段通孔刻劃序列。如圖5所圖示的，由于大處理窗口，激光功率級、激光刻劃持續(xù)時間、激光功率增大和減小部分持續(xù)時間和輪廓對于各線段通孔不需要彼此都相同。

可能想要調(diào)整制造過程的本領(lǐng)域技術(shù)人員今后將能夠以高速度制造大量線段通孔并且進而測量每個通孔的特定電阻，盡管這對于制造薄膜光伏器件的線段通孔并不是需要的。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以制備和切割出具有特定特征的通孔的部分(諸如，向上卷曲部變型(向上且向后卷曲部127或者僅向上卷曲部127’)、向上卷曲部的高度1273和寬度1275以及富銅CIGS型合金的層內(nèi)廣度(in-layer extent)1345)，以測量通孔部分的特定電阻以及隨后選擇最適當?shù)募す夤獍咝螤詈图す夤獍邇?nèi)激光強度最高的區(qū)域的位置。合適的過程產(chǎn)生標準偏差為0.06的3.2x10^-3Ω·m(更優(yōu)選地，2×10^-3Ω·m)的CIGS型壁的電阻率的平均值。

作為示例，使用向器件表面?zhèn)鬟f6W和50μm直徑的激光光斑的連續(xù)波激光器的激光功率增大時間部分515優(yōu)選地以3m/s與5m/s之間的激光掃描速度持續(xù)10μs到4μs，以及優(yōu)選地以0.5m/s與3m/s之間的激光掃描速度持續(xù)50μs到7μs。在器件表面處測量的相應(yīng)的激光功率增大速率因此在大約1×10⁸W/m·s^-2與17×10⁸W/m·s^-2之間的范圍中。對于大約3.7m/s的優(yōu)選的激光掃描速度，優(yōu)選的激光功率增大時間部分515以形狀為阻尼的一階或者二階系統(tǒng)模型的階躍響應(yīng)的激光功率的增大持續(xù)大約7μs。優(yōu)選的激光功率減小階躍416是激光功率突然減小到低于燒蝕閾值功率的功率級。

激光功率增大距離部分405、415通常為至少5μm長?？梢砸栽谝虅澋钠骷谋砻嫣幍睦绱蠹s7W的測量功率以及例如大約3.7m/s的激光掃描速度設(shè)置激光恒定功率或者穩(wěn)定狀態(tài)的部分。在該情況下，在要使用具有能夠測量從10μW上至30kW的熱電堆傳感器的激光功率計進行激光刻劃的器件的表面處測量激光功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇更大的激光功率，可以與更大的激光刻劃光斑速度結(jié)合。通常以從0.2W至20W、優(yōu)選地從2W至10W、更優(yōu)選地從5W到8W的范圍中的測量功率設(shè)置穩(wěn)定狀態(tài)激光功率。激光的波長通常在532nm至1064nm的范圍中。激光刻劃光斑直徑通常在從5μm到1000μm、優(yōu)選地在5μm與300μm之間、更優(yōu)選地在30μm與50μm之間的范圍中。

線段通孔刻劃序列可以優(yōu)選地形成例如大約200μm長以及在第一通孔的結(jié)束末端與第二通孔的開始末端之間具有大約50μm間隔的線段通孔。通常，通孔長度410可以在50μm至0.1m的范圍中，優(yōu)選地在50μm至1000μm的范圍中，更優(yōu)選地在180μm至220μm的范圍中，而間隔在10μm至1000μm的范圍中，優(yōu)選地在10μm至100μm的范圍中，更優(yōu)選地在40μm至60μm的范圍中。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以優(yōu)選指定刻劃與無刻劃的長度比，該長度比可以在1:1至100:1的范圍中，優(yōu)選地為4:1。包括CIGS型壁134的內(nèi)表面135和覆蓋前接觸層150的前接觸凸起部分155的線段寬度411通常在10μm至100μm的范圍中，優(yōu)選地在25μm至75μm的范圍中，更優(yōu)選地在45μm至55μm的范圍中，例如大約50μm。參照圖1B，前接觸層150的表面處的前接觸凸起部分155的凸塊具有從CIGS型壁的內(nèi)表面附近的前接觸邊緣測量到與前接觸層相遇的外融合或者鈍角接合的剖面寬度1555，該剖面寬度1555通常在3μm至25μm的范圍中，優(yōu)選地在10μm至15μm的范圍中(例如大約12μm)。前接觸層的平坦表面之上的前接觸凸起部分的厚度1553在從0.5μm到6μm的范圍中，優(yōu)選地在1μm至3μm的范圍中，更優(yōu)選地在1.5μm至2.5μm的范圍中(例如大約2μm)。從襯底110的表面開始測量的背接觸層槽形向上卷曲部127、127’的高度1273通常在0.5μm至10μm的范圍中，優(yōu)選地在0.5μm至5μm的范圍中，更優(yōu)選地在2μm至4μm的范圍中(例如大約3μm)。

激光掃描速度通常在0.1m/s至200m/s的范圍中，優(yōu)選地在0.5m/s至100m/s的范圍中，更優(yōu)選地在從0.5m/s到6m/s的范圍中。通過以穩(wěn)定狀態(tài)的激光功率進行鉆孔以傳遞的能量通常在從1J/m至8J/m的范圍中，優(yōu)選地從1.5J/m至2.2J/m的范圍中。穩(wěn)定狀態(tài)的激光通量通常在從5×10⁸J/m²到41×10⁸J/m²的范圍中，優(yōu)選地從7.5×10⁸J/m²到11×10⁸J/m²的范圍中。盡管優(yōu)選地使用連續(xù)波激光器對線段通孔進行刻劃，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以使用脈沖激光器(諸如皮秒激光器)。

可以使用X射線衍射(XRD)分析系統(tǒng)對激光刻劃的微結(jié)構(gòu)的組成進行分析。背接觸層槽形向上卷曲部的存在由58.5 2θ°與59.52θ°之間的范圍中的計數(shù)中的至少一個峰值表征，優(yōu)選地在58.7 2θ°處，更優(yōu)選地在與具有(220)密勒指數(shù)取向的Mo的存在相對應(yīng)的58.66 2θ°處。計數(shù)中的所述峰值比不包括根據(jù)本發(fā)明實施例制造的通孔或者刻劃的薄膜CIGS器件的計數(shù)的數(shù)量大至少5％。沒有向上卷曲的Mo薄膜通常具有(111)密勒指數(shù)取向。槽形向上卷曲部可以融合或者形成具有熔融的CIGS的合金，從而包括銅以及尤其包括在向上卷曲部內(nèi)具有不均勻濃度的硒化銅。

圖6A是圖2的變型以及示出了包括多個線段通孔163、165、165’、167的薄膜CIGS光伏模塊200的剖面。線段通孔165能夠?qū)崿F(xiàn)光伏模塊的相鄰電池之間的串聯(lián)單片互連。線段通孔163、167能夠?qū)崿F(xiàn)前接觸層或者背接觸層部件到下層母線182、188的電互連。至少一個線段通孔163、165、165’、167包括如針對圖6B-6C中的至少一個描述的由吸收體層的CIGS材料的熱量引起的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的富銅CIGS型壁132、134、136、138以及背接觸層的至少一個凸起部分125、127。所述通孔163、165、165’、167中的任何一個可以可選地包括如還在圖6B-6C中示出的前接觸層部件156上形成的CIGS型合金155’的至少一個凸起部分。任何一個通孔163、165、165’、167可以可選地包括如還在圖1B或者圖6C中示出的與槽形向上卷曲部127、127’一起形成的至少一個背接觸層部件128。在其它方面，圖6A與對圖2給出的描述相對應(yīng)。圖6A與圖2之間的差別是圖6A包括前接觸層部件156上形成的CIGS型合金155’的凸起部分。

圖6B和圖6C描繪了包括至少部分地覆蓋前接觸層150的表面的CIGS型合金155’的至少一個凸起部分的器件的兩個示例性實施例。CIGS型合金的凸起部分通常沿著通孔外圍的大部分產(chǎn)生前接觸凸起部分157的凸塊。前接觸凸起部分157的所述凸塊可以與CIGS型合金155’的凸起部分融合，以及朝向外側(cè)可以逐漸地與前接觸層融合或者與前接觸層形成鈍角接合159。前圖6B和圖6C的前接觸凸起部分157與圖1A和圖1B的前接觸凸起部分155相對應(yīng)。在其它方面，圖6B與對圖1A給出的描述相對應(yīng)。

圖6C示出了圖6B的變型的剖面，其中在通孔165’內(nèi)曝露襯底110的一部分，以及背接觸層120的至少一個凸起部分在襯底的曝露部分的外圍117處形成槽形向上卷曲部127、127’。曝露襯底110以及形成背接觸層120的槽形向上卷曲部127、127’可以給予比圖6B中呈現(xiàn)的實施例更大的激光刻劃制造窗口、更大的生產(chǎn)量和機械阻力。圖6C呈現(xiàn)CIGS型壁134、134’的兩個變型以及背接觸層120的槽形向上卷曲部127、127’的相應(yīng)的凸起部分。所述變型與針對圖1B描述的那些變型相似，區(qū)別是，在一些實施例中，背接觸層120的槽形向上卷曲部127、127’的凸起部分的形成可以使內(nèi)表面134、134’凸起得相對更高，成為CIGS型合金155’的凸起部分，以及還可以使接觸凸起部分157凸起。在其它方面，圖6C與對圖1A給出的描述相對應(yīng)。

形成變型134、127和134’、127’可以有利于設(shè)計通孔段的導電性的局部調(diào)適，或者如果通孔段足夠長，則通過改變向上卷曲部的高度1273和寬度1275、富銅CIGS型合金1345的寬度、導電CIGS型合金1355的凸緣的寬度和擴散到前接觸150的凸塊形凸起部分155中的銦量以設(shè)計沿著通孔段長度的導電性的局部調(diào)適。例如，在一個實施例中，使通孔段的一側(cè)(諸如最靠近電池的曝露于光的前接觸區(qū)域的大部分的一側(cè))比另一側(cè)(諸如最靠近前接觸層凹槽151的一側(cè)(圖2、圖3和圖6A中示出的))導電性更強可以是有利的。定制通孔段的側(cè)面的導電性以適應(yīng)電池表面處的局部導電性的變化(諸如通過前接觸導電柵格部件的存在、接近或者鄰接提供的變化)也可以是有利的。實施例可以例如包括各種長度的通孔段，可以包括勾勒曲線的通孔段，其中任何一個通孔段的任何一個側(cè)面包括變型134、127和134’、127’的組合。

圖6D示出了圖6C的線段通孔165’的實施例的俯視圖或者曝光側(cè)的視圖，以及圖4B是用于對線段通孔進行激光刻劃的相應(yīng)的激光功率400的曲線圖。沿方向101將線段通孔165’激光刻劃到薄膜器件100中。在圖6D中，所使用的激光功率在襯底曝露部分的外圍117處形成包括背接觸層120的凸起的槽形向上卷曲部127的通孔。向上卷曲部127可以包括圖6C中示出的向上卷曲部變型的部分，向上且向后卷曲部127或者僅向上卷曲部127’。由于背接觸層120的部分燒蝕，下層襯底110也是可見的。圖6D還圖示了覆蓋前接觸層150的一部分的CIGS型壁155’。在圖6D中還可見的是在激光功率增大距離部分405內(nèi)的比通孔外圍的其余部分更細長的CIGS型壁134的內(nèi)表面135。在跟隨與鉆孔的開始相對應(yīng)的末端105的所述激光功率增大距離部分405內(nèi)的是，通孔除去通向結(jié)束末端106的端部長度406的部分通常比通孔的平均寬度窄。鈍角接合159的輪廓標記線段通孔的外部界限。在其它方面，圖6D與對圖1A和圖4A給出的描述相對應(yīng)。

圖6E呈現(xiàn)了用具有攝像機的顯微鏡獲取的包括線段通孔165、165’的薄膜器件200的圖像。在圖像的左邊還可見的是第二線段通孔的一部分。因此，兩個線段通孔都是如圖3中呈現(xiàn)的線段通孔210的線的部分。在圖6E中突出顯示的是鉆孔開始的末端105的位置、鉆孔結(jié)束的末端106的位置、至少一個CIGS型合金155’的凸起部分的位置以及至少一個背接觸層部件128的槽形向上卷曲部127、127’的位置。因此，刻劃的方向是從左到右。本領(lǐng)域技術(shù)人員將注意刻劃方向101的左側(cè)處的線段通孔165’的特征部(以橢圓8001突出顯示)比所述刻劃方向右側(cè)處的線段通孔165’的特征部(以橢圓8002突出顯示)更細。因此，線段通孔165’呈現(xiàn)關(guān)于刻劃方向101的不對稱性。鈍角接合159的輪廓標記線段通孔的外部界限。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可能想要測量線段通孔165、165’的特征。例如，導電CIGS型合金155’的凸起部分的凸緣1355的寬度的測量值和背接觸層120、124、126、128、129的向上卷曲部1275的寬度的測量值中的至少一個可以提供正確地形成所述線段通孔的指示。所述測量值可以例如提供通過導電合金實現(xiàn)從背接觸層到前接觸層的期望的單片互連的視覺評估，所述導電合金由鉆得線段通孔的半導體光電子有源層的化學組成的永久性改變而產(chǎn)生。導電CIGS型合金1355的凸緣的寬度在從大約3μm到大約15μm的范圍中，優(yōu)選地從大約5μm至大約20μm，更優(yōu)選地從大約8μm至大約12μm。背接觸層的向上卷曲部1275的寬度在從大約2μm到大約15μm的范圍中，優(yōu)選地從大約4μm至大約10μm，更優(yōu)選地從大約6μm至大約8μm。

用以評估線段通孔165、165’形成得多好的另一個感興趣的測量涉及例如根據(jù)刻劃方向使相對特征部關(guān)于線段通孔的中線分隔開的距離。相對特征部可以是例如槽形向上卷曲部127、127’、CIGS型壁的內(nèi)表面135、前接觸層處的鈍角接合159或者在考慮中的線段通孔的襯底110的曝露部分的寬度。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以基于由所述特征部形成的可見輪廓通過測量鉆孔開始末端105處和結(jié)束末端106處的所述曲率半徑來形成對刻劃質(zhì)量的評估。例如，在鉆孔開始的末端105處，基于鈍角接合159的輪廓的曲率半徑在從大約7μm到大約40μm的范圍中，優(yōu)選地從大約12μm到大約25μm，更優(yōu)選地從大約15μm到大約20μm。在鉆孔結(jié)束的末端106處，基于鈍角接合159的輪廓的曲率半徑在從大約10μm到大約50μm的范圍中，優(yōu)選地從大約20μm到大約35μm，更優(yōu)選地從大約23μm到大約30μm。