專利名稱：用于改進(jìn)薄膜太陽(yáng)能電池互連的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電設(shè)備，更具體地涉及用于在薄膜光電設(shè)備中改進(jìn)互連
(interconnect)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
薄膜太陽(yáng)能模塊提供一種有吸引力的方式在具有合理效率的條件下降低 成本。這些模塊由多種材料制成，這些材料包括非晶硅鍺、銅銦鎵硒(CIGS) 和碲化鎘。太陽(yáng)能模塊的通用特征是在諸如玻璃板的大面積絕緣體上的沉積。
這些模塊的另一個(gè)通用特征是使用劃線器(scribe)和互連以將大面積沉 積層分為一些單元和/或子單元。圖1示出了以這種方式分割的典型的模塊的 俯視圖。如圖1所示，模塊100分為多個(gè)單元102 (即長(zhǎng)條)，其通過(guò)互連104 串聯(lián)(例如，在該圖中，以水平方向電連接在一起)。使用劃線器和導(dǎo)體在模 塊中形成互連，以下將進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。然而，應(yīng)該注意到模塊100的長(zhǎng)度 L可以是l米或更長(zhǎng)。同時(shí)，通常幾乎覆蓋模塊整個(gè)長(zhǎng)度L的互連寬度，典型 地在700-100(Hmi左右，并且單元的寬度(即長(zhǎng)條)通常約為lcm。熟悉本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，圖1為典型模塊的簡(jiǎn)化圖，并且模塊還包括圖1中未 示出的其它無(wú)源和有源元件，諸如電極和終端。
將模塊分為單元有幾個(gè)原因， 一個(gè)主要原因是產(chǎn)生的串聯(lián)互連提供高電壓 輸出(相當(dāng)于單個(gè)單元電壓和)，同時(shí)減小了電流(相當(dāng)于單個(gè)單元的電流)， 并且低電流減小了用于這些單元中的相對(duì)高阻抗的透明傳導(dǎo)的串聯(lián)效果。更具 體地，通過(guò)Ohm定律，P=IV=I2R (P二電流I流過(guò)阻抗R時(shí)消耗的功率)， 從而電流平方的減小，減小了串聯(lián)電阻之間的功率損失。
圖2A-F示出了傳統(tǒng)互連工藝流程的示例。這些流程用于由諸如CIGS的 材料制成的模塊，圖2A-F從圖1中橫跨互連線104的透視橫截面圖示出了用 于顯著擴(kuò)大圖1的106部分的工藝流程。
在圖2A的第一步驟中，諸如鉬的傳導(dǎo)金屬202利用真空濺射系統(tǒng)沉積在諸如玻璃204的襯底上。圖2B中的第二歩驟，橫跨模塊(如上面所提到的， 該切割長(zhǎng)度可以大于1米)在線形切口 206內(nèi)對(duì)金屬202激光劃線。如圖2C 所示，隨后沉積CIGS半導(dǎo)體層208。如圖2D所示，第二劃線210平行第一 劃線，將CIGS層隔離為幾個(gè)獨(dú)立的單元。如圖2E所示，隨后沉積透明導(dǎo)電 氧化物(TCO) 212;在一個(gè)示例中，TCO由ZnO組成。最后，如圖2F所示， 進(jìn)行第三劃線以形成串聯(lián)連接216，其中來(lái)自層212的沉積的ZnO將一個(gè)單元 218的頂部連接到下一個(gè)單元220的底部。
在其它單元設(shè)計(jì)中，諸如使用非晶硅的那些，逆序沉積這些層。圖3A-F 示出了用于這種設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)工藝的一個(gè)示例。通常該工藝使用相同數(shù)量的劃 線，但TCO和金屬的沉積順序相反。具體地，在圖3A中，TCO層302首先 沉積在玻璃304上。接F來(lái)，在圖3B中，橫跨模塊(如上面所提到的，該切 割長(zhǎng)度可以大于1米)在線形切口 306中對(duì)TCO層302激光劃線。如圖3C 所示，隨后沉積半導(dǎo)體層308 (例如非晶硅)。如圖3D所示，平行于第一劃 線306的第二劃線310將半導(dǎo)體層隔離為獨(dú)立的單元。如圖3E所示，隨后沉 積諸如鋁的金屬層312以形成背面接觸。最后，如圖3F所示，在金屬層312 中進(jìn)行第三劃線314，其形成串聯(lián)連接316，其中來(lái)自層312的Al將一個(gè)單元 318連接到另一個(gè)單元320。
圖4中示意性示出了圖2和3中的傳統(tǒng)工藝流程。如圖4所示，有三個(gè)真 空沉積402、 406、 410，每一個(gè)分別經(jīng)過(guò)劃線步驟404、 408和412。傳統(tǒng)工藝 和諸如上面所提到的那些模塊具有一些缺點(diǎn)。參考K. Bred等人"A Detailed
Study of Monolithic Contacts and Electrical Losses in a Large-area Thin-film
Module (大面積薄膜模塊中的單塊接觸和電氣損失的詳細(xì)研究)"Prog. Photovolt.Res.Appl., Vol. 13, pp. 297-310 (2005)。
參見(jiàn)圖3F，工藝中產(chǎn)生的模塊互連的寬度W相當(dāng)大——可以達(dá)到lmm。 這促使使用較寬單元來(lái)保持可接受的有源區(qū)的比率和，并最小化TCO中的電 阻損耗，以及更厚的TCO層。這增加了通過(guò)TCO的光學(xué)傳輸損耗，引起模塊 效率損失約10%。己經(jīng)做了大量嘗試來(lái)減小這些連接的寬度，諸如在T. M. Walsh等人的"Novel Method for the Interconnection of Thin-Film Silicon Solar
Cells on Glass(用于在玻璃上薄膜硅太陽(yáng)能電池連接的新方法)"第31屆IEEE 光電專家會(huì)議的會(huì)議記錄，2005年1月3-7， 1229-32頁(yè)。然而，這些嘗試都
5不令人滿意，因?yàn)?，例如?1)它們依賴于多條劃線，其必須彼此對(duì)準(zhǔn)(由 于在長(zhǎng)距離的劃線中由于配準(zhǔn)誤差，這很難做到)以及(2)它們沒(méi)有抑制寄 生電阻，將在下面描述。
模塊互連中的另一個(gè)問(wèn)題是在整個(gè)半導(dǎo)體的有源層，它們含有寄生反向電 阻器，其大大降級(jí)了電池的性能。更具體地，如圖5所示，這些寄生電阻允許
分路電流502流回有源層，通過(guò)互連減速主電流504的流動(dòng)。這促使使用寬劃 線來(lái)增加寄生電路元件的長(zhǎng)度——從而增加寄生電路元件的電阻(因此，減小 分路電流)。寬劃線還導(dǎo)致需要上面討論的較寬的單元。
對(duì)于傳統(tǒng)工藝流程本身，三種不同的劃線步驟是污染(dirty)工藝，留有 殘?jiān)皖w粒。這將導(dǎo)致劃線器邊緣附近的損壞，還減小產(chǎn)生模塊的效率。此外， 真空和空氣之間的多次傳輸將進(jìn)一步污染產(chǎn)生的模塊，并由于需要多個(gè)負(fù)載互 鎖而增加整個(gè)工藝的費(fèi)用。此外，在有源層的沉積期間空氣暴露將降低產(chǎn)生的 模塊的性能。
盡管與薄膜太陽(yáng)能電池模塊和它們的工藝技術(shù)非常不同，其它類型的太陽(yáng) 能電池能夠使用獨(dú)立工藝用于沉積層并在電池之間形成互連。例如，美國(guó)專利 No. 4,278,473中講授成功形成在半絕緣GaAs襯底上含有太陽(yáng)能電池的基部和 定部區(qū)域的外延層，并隨后使用含有具有掩膜的平版印刷術(shù)的IC制造步驟在 電池之間形成互連。然而，涉及IC制造和具有掩膜的平版印刷術(shù)的技術(shù)不適 用于薄膜模塊，其在一側(cè)上通常大于10cm。此外，這些技術(shù)對(duì)于薄膜太陽(yáng)能 電池不易于擴(kuò)展，因?yàn)镚aAs太陽(yáng)能電池不具有金屬接觸層(例如，圖2中與 202和212對(duì)應(yīng)的層，在圖3中與302和312對(duì)應(yīng)的層)。
因此，應(yīng)該需要克服傳統(tǒng)在薄膜光電設(shè)備中形成互連方法中的這些缺點(diǎn)。 本發(fā)明目的在于此。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在光電模塊中形成互連的系統(tǒng)和方法。
根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明的一種方法包括在所有有源層沉積之后，利用獨(dú)立
切割工藝形成模塊互連。從而將整個(gè)工藝簡(jiǎn)化為一系列互連歩驟之后的一系列
真空步驟，并大大改進(jìn)了模塊質(zhì)量和產(chǎn)量。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明的一種方法包括絕緣體的自對(duì)準(zhǔn)沉積，由于不需要自對(duì)準(zhǔn)從而簡(jiǎn)化了工藝，由于不需要對(duì)準(zhǔn)誤差所需的寬度，從而減小用于互連 的面積。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明的一種方法形成互連的方法包括劃線工藝，其產(chǎn)生 更窄的互連，將大大推進(jìn)電池的效率，并允許具有更窄的電池尺寸。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明的互連包括絕緣體層，其大大減小流過(guò)有源層的分 路電流，從而大大提高了模塊效率。
本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，一種形成用于薄膜太陽(yáng)能電池的互連的方法包
括沉積電池的一堆(stack)有源層和導(dǎo)電層，其中以獨(dú)立工藝序列進(jìn)行所述沉
積歩驟，并形成所述互連。
本發(fā)明的其它實(shí)施方式中，用于薄膜太陽(yáng)能電池的形成互連的系統(tǒng)包括劃 線器和沉積系統(tǒng)，其中所述沉積系統(tǒng)以獨(dú)立真空工藝沉積電池的一堆有源層和 導(dǎo)體層。
本發(fā)明的又一實(shí)施方式中，在薄膜太陽(yáng)能電池的模塊中，至少一個(gè)單元在 襯底上包括含有至少一個(gè)有源層和頂部導(dǎo)體層的堆，該單元具有與堆的所有層 相鄰的壁并延伸到襯底的表面，與相鄰的一個(gè)單元互連，該互連包括襯底表面 上的傳導(dǎo)凸緣，其連接到鄰近的單元上，并通過(guò)孔隙沿襯底的壁設(shè)置，以及連 接孔隙的導(dǎo)體，該孔隙在頂部導(dǎo)電層和傳導(dǎo)邊緣之間形成電連接。
根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方式， 一種用于為薄膜太陽(yáng)能電池形成互連的方 法，包括在電池的底部導(dǎo)電層上沉積有源層，利用成型的激光束穿過(guò)層構(gòu)成切 口 ，從而切口的第一部分穿過(guò)所述底部傳導(dǎo)層，而所述切口的第二部分則不然， 其露出連接到相鄰單元的傳導(dǎo)凸緣。
這些和本發(fā)明的其它方面和特征，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)研究本
發(fā)明的具體實(shí)施方式
的描述并結(jié)合附圖，將顯而易見(jiàn)，其中
圖1示出了通過(guò)互連分隔的薄膜光電電池的傳統(tǒng)模塊的俯視圖； 圖2A-F示出了在薄膜光電電池之間形成互連的傳統(tǒng)工藝； 圖3A-F示出了在薄膜光電電池之間形成互連的傳統(tǒng)工藝；
圖4示出了傳統(tǒng)工藝流程的方框圖5示出了在通過(guò)傳統(tǒng)工藝形成的具有互連的模塊中的分路電流問(wèn)題；圖6A-E示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式形成互連的方法；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式形成互連的可選方法；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的整個(gè)工藝流程的方框圖9示出了根據(jù)本發(fā)明工廠制造光電模塊的方框圖。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的互連形成方法能夠減小的分路電流；
圖IIA-F示出了根據(jù)本發(fā)明第一可選實(shí)施方式形成互連的方法；
圖12A-C示出了根據(jù)本發(fā)明的第二可選實(shí)施方式形成互連的方法。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，附圖為本發(fā)明提供說(shuō)明性示例，從而熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。顯然，以下的附圖和示例并不意欲將本 發(fā)明的范圍限定在單一實(shí)施方式，也可以應(yīng)用其它實(shí)施方式替換所述一些或所 有元素。此外，本發(fā)明的一些元素可以部分地或全部地利用己知的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)， 在此只描述對(duì)于理解本發(fā)明所必須的那些已知元件的部分，為了不混淆本發(fā) 明，將省略對(duì)已知元件的其它部分的詳細(xì)描述。在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中，示出單
一元件的實(shí)施方式并不作為限制；更確切地，除在此明確陳述，則本發(fā)明意在 包含多個(gè)含有相同元件的其它實(shí)施方式。此外，說(shuō)明書(shū)或權(quán)利要求中的任何術(shù) 語(yǔ)，除明確表述之外，申請(qǐng)人沒(méi)有意欲表示不一般的或特殊的意義。此外，本 發(fā)明包括在此說(shuō)明中所參考的已知元件的現(xiàn)有和未來(lái)已知的等同物。
圖6A-E示出了根據(jù)本發(fā)明能夠改進(jìn)薄膜光電設(shè)備的改進(jìn)工藝順序。 在圖6A的第一步驟中，整個(gè)導(dǎo)體和半導(dǎo)體堆602-606沉積在襯底608上， 其在一些實(shí)施方式中可以是諸如玻璃的絕緣體，在其它實(shí)施方式中可以是具有 沉積的絕緣體的金屬箔。在一個(gè)實(shí)施方式中，層602是諸如鉬的金屬或?yàn)橹T如 ZnO的TCO，層604是諸如CIGS的半導(dǎo)體，層606是諸如ZnO的TCO。在 一些實(shí)施方式中，整個(gè)堆大約為2-3mm厚。在其它實(shí)施方式中，諸如鈀的非 常薄的金屬的層進(jìn)一步沉積在堆的頂部。該層只能夠?yàn)閹装：?，從而它們可?充分透明，然而，仍然具有足夠的厚度從而能輔助頂層接觸到互連，如下面所 述。應(yīng)該注意到，在堆中有其它層，諸如在CIGS層和TCO層之間，用于提 高光電電池堆的電氣性能(例如，中間CdS層形成異質(zhì)結(jié)用于載流子限制， 以及iZnO層提供更高的阻抗層，其減小CIGS中缺點(diǎn)的影響)，熟悉本領(lǐng)域
8的技術(shù)人員應(yīng)該理解在學(xué)習(xí)本公開(kāi)之后可以做出多種選擇。
可以在單個(gè)真空沉積系統(tǒng)進(jìn)行堆沉積，諸如群組化工具或直列式涂料器。 由于堆中的三個(gè)或更多層中所有的層不需要插入傳統(tǒng)方法中的劃線步驟的條 件性按序沉積，只需要系統(tǒng)的一個(gè)負(fù)載互鎖傳輸。應(yīng)該注意到其它步驟，諸如 可以在真空系統(tǒng)中進(jìn)行熱退火或燈退火，這些步驟可以在不同的壓強(qiáng)下在可控 的周圍環(huán)境中進(jìn)行，由于真空系統(tǒng)通常包括閘門(mén)閥以隔離獨(dú)立的腔室。
在圖6B中所示的下一步驟，對(duì)底部導(dǎo)體602進(jìn)行劃線610。如圖6C所示， 使用較小的切口進(jìn)行第二劃線612以產(chǎn)生暴露的導(dǎo)體凸緣614。這些劃線610 和612都可以使用激光或機(jī)械劃線器或二者的組合進(jìn)行。在可選實(shí)施方式中， 兩個(gè)劃線可以同時(shí)進(jìn)行。
在同時(shí)進(jìn)行這些劃線的一個(gè)實(shí)施方式中，使用具有偏斜密集分布(profile) 的激光束，其中左側(cè)的激光束比右側(cè)的更密集(參見(jiàn)附圖的方向)。這使得左 側(cè)切口深度大于右側(cè)，形成凸緣614。在另一實(shí)施方式中，兩個(gè)激光源連接到 單個(gè)光纖上。 一個(gè)為紅外源，諸如波長(zhǎng)為1064nm的Nd:YAG，例如，其穿透 該堆，這是因?yàn)榧t外源光子能量低于半導(dǎo)體的帶隙。優(yōu)選地穿過(guò)導(dǎo)體602切割。 第二為短波源，例如為兩倍于Nd:YAG和532 nm，其切割穿過(guò)半導(dǎo)體604 (例 如CIGS)但沒(méi)有穿過(guò)導(dǎo)體602。第二切口的寬度為20到50lam。在第26屆IEEE 光學(xué)專家會(huì)議的會(huì)議記錄，29 Sept. - 3 Oct 1997, pp. 491-494， I. Matulionis等 人"Wavelength and Pulse Duration Effects in Laser Scribing of Thin Films (薄膜 的激光劃線中波長(zhǎng)和脈沖的持續(xù)影響)"中描述了用于各種薄膜材料的激光技 術(shù)的一些示例，可用于本發(fā)明的該步驟。
在其它實(shí)施方式中，在樣本上一個(gè)激光從上面發(fā)光另一個(gè)激光從下面發(fā) 光。上面的光束寬于下面的光束以形成凸緣614。在另一實(shí)施方式中，使用機(jī) 械劃線從頂部切割有源層604和606，使用激光從底部切割導(dǎo)體602，通過(guò)玻 璃608發(fā)光。
如圖6D所示，劃線之后，絕緣體616沉積在一個(gè)壁上。在優(yōu)選的實(shí)施方 式中，使用隨后的自對(duì)準(zhǔn)方法沉積絕緣體616。使用任何數(shù)量的已知方法，諸 如噴墨、噴鍍或滾筒，將諸如聚酰亞胺或光刻膠的感光聚合體施加到整個(gè)模塊。 所用的一些適合的聚酰亞胺是來(lái)自AZ電子材料的PIMEI^聚酰亞胺。聚合體 穿過(guò)玻璃從后側(cè)露出，在凹槽中執(zhí)行自對(duì)準(zhǔn)曝光(exposure)(即，導(dǎo)體層602阻止除了凹槽中的部分之外的所有光刻膠的曝光)。接下來(lái)洗相(develop) 聚合體，只在左壁留下一涂層(相對(duì)于附圖中所示的方向)，左壁穿過(guò)凹槽露 出。在另一實(shí)施方式中，使用噴墨進(jìn)行沉積。在其它情況下，沒(méi)有自對(duì)準(zhǔn)。然 而，如果噴墨頭相對(duì)于激光束固定，則噴墨可以對(duì)切口自對(duì)準(zhǔn)。例如，夾具可 以?shī)A持光纖和噴墨，從而噴墨相對(duì)于從光纖發(fā)出的激光束保持恒定間隔。
最后，如圖6E所示，導(dǎo)體618沉積在絕緣體616上，以將左側(cè)單元連的 頂部接到右側(cè)單元622的底部。從而在單元620和622之間具有串行連接。導(dǎo) 體618可以以多種方式中的任何一種方式沉積。在一種方法中，在上述的絕緣 體沉積工藝中，使用諸如Ni或Pd導(dǎo)體的薄的導(dǎo)體層，通過(guò)例如無(wú)電鍍沉積涂 覆感光聚合體。在曝光和洗相之后，留下一傳導(dǎo)表面，其可以是使用諸如無(wú)電 鍍沉積電鍍而成。在另一實(shí)施方式中，洗相聚合體之后，利用諸如CdS或ZnS 的基本透明(例如，50- 100 A厚)的光電導(dǎo)體，使用諸如無(wú)電鍍沉積涂覆。 隨后，光穿過(guò)后面發(fā)光，同時(shí)在厚導(dǎo)體的表面上進(jìn)行電鍍。當(dāng)光電導(dǎo)體基部導(dǎo) 電時(shí)，進(jìn)行電鍍，從而在整個(gè)絕緣體上形成厚金屬帶?？扇我飧g掉多余的光 電導(dǎo)體。在另一實(shí)施方式中，構(gòu)圖之后，聚合體為粘的，并使用諸如Ni或Cu 優(yōu)質(zhì)金屬噴粉噴射。留下導(dǎo)電沉淀物粘附在構(gòu)圖的聚合體上，從而形成基部用 于無(wú)電鍍沉積。在一些情況下，使用薄的導(dǎo)體涂覆TCO層608，該導(dǎo)體不接 受無(wú)電鍍涂層，但能改進(jìn)對(duì)于電鈹導(dǎo)體的接觸阻抗。在另一實(shí)施方式中，使用 噴墨將諸如Ru04的催化劑沉積在絕緣體616，并施加無(wú)電鍍涂層。
在這些沉積方法中的任何一種方法中，可以使用絕緣體和導(dǎo)體材料涂覆整 個(gè)切口的長(zhǎng)度(例如，在模塊中的切口長(zhǎng)度L)以形成互連。在另一實(shí)施方式 中，只涂覆某些部分。例如，如圖7所示,其可以看作圖6E中示出的堆的俯 視圖(在附圖中將模塊方向L水平旋轉(zhuǎn))，絕緣體616部分以平行于切口延長(zhǎng) 線的離散形狀沉積，導(dǎo)體部分618以垂直于切口延長(zhǎng)線的形狀沉積在絕緣體部 分616。在一個(gè)示例中，這些形狀約為20x50mm并間隔約200mm。
本發(fā)明的一個(gè)好處在于工藝上的簡(jiǎn)化。如上面所述，傳統(tǒng)工藝在大氣壓強(qiáng) 劃線之后進(jìn)行三個(gè)循環(huán)真空沉積。因此，襯底必須進(jìn)入真空并返回大氣壓強(qiáng)三 次。這增加了工藝成本，并且，在有源層完全沉積之前，從真空/通風(fēng)口循環(huán) 以及暴露到大氣壓過(guò)程中，產(chǎn)生了潛在的污染。例如，在半導(dǎo)體沉積之前第一 導(dǎo)體層由于暴露到空氣中而產(chǎn)生殘?jiān)?。此外，劃線為污染性(dirty)工藝，其
10留有顆粒和殘?jiān)?，將?dǎo)致有源層的缺點(diǎn)。
利用本發(fā)明，如圖8所示，整個(gè)有源層沉積在單個(gè)真空工藝802中，從大 氣到真空到大氣僅有一次轉(zhuǎn)換。此外，在有源層沉積之后，在獨(dú)立工藝804 中執(zhí)行切割，從而來(lái)自劃線的殘?jiān)退槠瑢⒉挥绊懓雽?dǎo)體層。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行改進(jìn)工藝流程的工程的一個(gè)示例圖。
如圖9所示，工廠900包括一工具對(duì)，其包括沉積系統(tǒng)902和劃線及連接 系統(tǒng)904?？梢酝ㄟ^(guò)改進(jìn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沉積系統(tǒng)902，其能夠處理第8代襯底(即 2160mmx2460mm類)，諸如由加里福尼亞州的圣克拉拉的AKT公司提供的 AKT-40K系統(tǒng)，其可以改進(jìn)并適用于本發(fā)明的原理。例如，當(dāng)現(xiàn)有ATK系統(tǒng) 具有環(huán)形中心傳遞室并最多具有五個(gè)工藝腔室時(shí)，該系統(tǒng)具有線性傳遞室以及 8個(gè)或更多工藝腔室。每一個(gè)工藝腔室在其入口具有獨(dú)立閥，從而其能夠獨(dú)立 于其它腔室，控制適宜的氣壓和氣體混合物。選擇腔室以平衡工藝流程。例如， Mo的PVD沉積為相對(duì)快的工藝，因此只提供一個(gè)腔室(然而也可以使用兩 個(gè)腔室在不停止工藝流程的條件下進(jìn)行維護(hù)或直接更換)。假設(shè)一個(gè)CIGS沉 積花費(fèi)的時(shí)間是一個(gè)Mo沉積花費(fèi)時(shí)間的三倍，提供3個(gè)CIGS腔室來(lái)平衡流。 為每一個(gè)層提供額外的腔室。系統(tǒng)具有入口和出口負(fù)載互鎖(laodlock)，在 傳送室中的軌跡上使用一個(gè)或多個(gè)傳遞機(jī)械手使得襯底的流從左側(cè)流到右側(cè)。
在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式用于堆沉積的系統(tǒng)902的一個(gè)示例中，系統(tǒng) 902包括腔室906用于分別沉積堆的各個(gè)層。如圖9所示，有獨(dú)立腔室用于諸 如鉬的金屬和諸如CIGS的半導(dǎo)體以及諸如ZnO的TCO層的導(dǎo)體層，也可以 根據(jù)需要包括諸如退火、硒化和CdS沉積的其它工藝腔室。熟悉本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該理解，每一層的腔室的數(shù)量粗略地反應(yīng)每一層需要沉積適當(dāng)厚度所 需的時(shí)間。
根據(jù)上面所討論的適用于本發(fā)明的實(shí)施方式，也可以使用傳統(tǒng)激光和/或 機(jī)械劃線、聚合體應(yīng)用和移除工具、無(wú)電鍍、噴墨和其它類型的導(dǎo)體沉積工具、 用于感光層曝光的燈來(lái)實(shí)現(xiàn)劃線和連接系統(tǒng)904。
如圖9所示，劃線系統(tǒng)904和沉積系統(tǒng)卯2與線性軌跡908連接，該線性 軌跡自動(dòng)將襯底從沉積系統(tǒng)卯2傳送到劃線系統(tǒng)904。
在劃線系統(tǒng)904中，在一些實(shí)施方式中，需要掃描劃線、絕緣體和/或與 模塊襯底相關(guān)的導(dǎo)體沉積系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，模塊襯底安裝在載物臺(tái)
li(stage)上，并能夠移動(dòng)。在另一實(shí)施方式中，襯底軸向垂直于劃線方向移動(dòng)，并將劃線器安裝在線性驅(qū)動(dòng)器上，并軸向垂直于劃線方向移動(dòng)。在一個(gè)可選的實(shí)施方式中，可以使用多于一個(gè)相同的線性驅(qū)動(dòng)器從而增加產(chǎn)量，例如，其中至少一個(gè)用于劃線，并且至少一個(gè)用于沉積。為了形成劃線切口，在一些層沉積實(shí)施方式中(例如，那些使用噴墨沉積的實(shí)施方式)，需要沿襯底掃描切割和沉積工具。在一個(gè)示例中，激光輸出為光纖耦合，并且光纖的端部固定在線性驅(qū)動(dòng)器上，該線性驅(qū)動(dòng)器沿襯底移動(dòng)激光束。在另一示例中，幾個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器并行運(yùn)行。在另一示例中，感光聚合體敷料器(噴墨、噴射或滾筒)安裝在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，以在形成切口之后施加感光聚合體。在另一示例中，固定激光束，同樣，固定噴墨機(jī)、噴射器和滾筒，并且移動(dòng)襯底。在一些實(shí)施方式中，線性驅(qū)動(dòng)器是指線性馬達(dá)或?qū)輻U，其掃描頭部，例如，該頭部含有光纖輸出用于沿襯底的激光或噴墨器。
本發(fā)明的其它好處為互連比傳統(tǒng)工藝的互連窄。傳統(tǒng)互連為0.05到0.1 cm寬；新工藝使得切口互連寬度(圖6和7中的尺寸)減小到0.01到0.2 cm，約為傳統(tǒng)寬度的20%。部分是可行的，這是因?yàn)榻^緣體616移除了通過(guò)半導(dǎo)體層604的寄生反向電阻器(因此阻止產(chǎn)生分路電流1004)，如圖10所示，部分地是因?yàn)樵趩蝹€(gè)工藝中形成切口，從而大量長(zhǎng)劃線不需要彼此對(duì)準(zhǔn)。
在幾種方法中能夠提高效率，本發(fā)明的實(shí)施方式為不同的結(jié)果可以結(jié)合不同方法。例如，浪費(fèi)的約7-10%傳統(tǒng)面積能夠減小到約1.5-2%。通過(guò)更窄的模塊單元甚至能獲得更大的好處，例如，縮小為原有的1/3。這減小了TCO中的阻抗損耗，并允許使用更薄的TCO。需要較寬單元的較厚的TCO吸收約10%的入射光；在本發(fā)明中，將減小到小于5%。
現(xiàn)今， 一個(gè)典型的模塊中，基線薄膜模塊具有12.8%的效率。然而，PSPICE計(jì)算公開(kāi)了通過(guò)本發(fā)明獲得的效率改進(jìn)。例如，較小寬度的互連線將面積浪費(fèi)從8%減小到2%，通過(guò)有源區(qū)的增加提高效率。除去分路電阻器(通過(guò)改進(jìn)的絕緣體)將效率從12.8%增加到15%,即使在互連面積浪費(fèi)占8%時(shí)。模塊中的獨(dú)立單元也能更窄，減小TCO串聯(lián)電阻的損耗。單元寬度減小為原有的1/3，并且去除分路電阻，將效率從12.8%增加到17%，使得本發(fā)明的薄膜模塊與單個(gè)晶體模塊相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。
上面所提出的本發(fā)明的實(shí)施方式包括堆的所有層能夠以單獨(dú)工藝順序沉積的優(yōu)點(diǎn)，該單獨(dú)工藝順序在任何負(fù)載和互鎖轉(zhuǎn)換時(shí)都不間斷。然而，對(duì)于本發(fā)明的所有實(shí)施方式，此方面并不是必要的。更具體地，根據(jù)類似于上面所描述的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的其它實(shí)施方式大大改進(jìn)劃線寬度和單元面積比。
例如，圖11A-F示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方式的改進(jìn)薄膜光電設(shè)備中
的改進(jìn)的工藝序列。如圖11A所示，導(dǎo)體層1102首先沉積在諸如玻璃1104的襯底上。接下來(lái)，在圖11B中，穿過(guò)導(dǎo)體層1102進(jìn)行劃線1106。隨后，在圖11C中，沉積諸如CIGS的半導(dǎo)體層1108。圖IID示出的下一步描述了本實(shí)施方式的流程中重要并且新穎的步驟。更具體地，成型的激光束用于平行于劃線1106切割得到切口 1112，切口 1112的一側(cè)(附圖方向中的左側(cè))穿過(guò)導(dǎo)體一直切割到下面的絕緣體，在另一側(cè)僅切割到導(dǎo)體層1102。該成型的射束形成絕緣凹槽1114，以及形成導(dǎo)電凸緣1110。可選地，也可以靠著切口 1112的左壁沉積其它絕緣材料。
接下來(lái)在圖11E中，沉積諸如TCO的頂部導(dǎo)體層1116，其部分填充切口1112，從而形成到傳導(dǎo)凸緣1110的電連接。最后，在圖11F，第三劃線1118平行于切口1112，該劃線穿過(guò)半導(dǎo)體層1108切割，并分隔單元。
根據(jù)本發(fā)明的一些方面，如果使用激光(相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)常用的機(jī)械劃線)形成切口 1112，隨后從玻璃1104熔化的絕緣材料將沉積在左壁上(附圖中的方向)。從而形成絕緣殘?jiān)?未示出)，不管怎樣，殘?jiān)鼘⒔档蛯?dǎo)體層1116與側(cè)壁接觸的能力，從而減小反向分路泄漏。如果泄漏減小，隨后可以具有更窄的互連，使用寬互連的一個(gè)主要原因是延長(zhǎng)通過(guò)反向分路電流的路徑，該反向分路電流必須流經(jīng)該路徑，從而增加路徑的阻抗。
圖12A到12C中示出了圖IIA到11F中示出的可選工藝。在該實(shí)施方式中，如圖12A所示，在前述工藝中，在襯底1204上可以形成導(dǎo)體層1202，劃線1206和半導(dǎo)體層1208。然而，不同地，除傳導(dǎo)凸緣1210之外，圖12B中的劃線1212利用以一定角度入射的激光束平行于劃線1206，形成內(nèi)曲側(cè)壁1216。正如在前面實(shí)施方式中，在劃線1212的左壁上沒(méi)有絕緣體。然而，絕緣襯底1204的沖蝕(ablation)將在該壁上沉積涂層。因此，如圖12C所示，如果利用PVD工藝沉積諸如TCO的導(dǎo)體層1218，例如，可能會(huì)在內(nèi)曲壁1216上防止沉積，在TCO涂層中產(chǎn)生缺口，該缺口消除了對(duì)第三劃線的需要，從而進(jìn)一步改進(jìn)互連寬度和單元面積比。在一些情況下，側(cè)壁涂層具有充分地電
13阻性，不需要?jiǎng)澗€1206，從而減小對(duì)單個(gè)劃線的互連。
應(yīng)該注意到，諸如上述的角度切割將結(jié)合其它實(shí)施方式使用，例如，控制側(cè)壁角度，從而更易于使用絕緣或絕緣加金屬涂覆。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考其中修選實(shí)施方式進(jìn)行了具體說(shuō)明。但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不偏離本發(fā)明精神或范圍的情況下，顯然可以進(jìn)行各種改進(jìn)和變型。因此，本發(fā)明實(shí)施方式意欲覆蓋所有落入在本發(fā)明的所附權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的改進(jìn)和變型。
權(quán)利要求
1、一種用于為薄膜太陽(yáng)能電池形成互連的方法，其特征在于，該方法包括沉積一堆電池的有源層和導(dǎo)體層，其中所述沉積步驟以獨(dú)立工藝序列進(jìn)行；以及形成所述互連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成步驟包括在所述堆中形成多于一個(gè)切口 ，所述切口中的至少一個(gè)切口穿過(guò)所述堆切割到下面的 絕緣體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成步驟包括緊鄰穿 過(guò)所述有源層的切口中的至少一個(gè)切口切割另一個(gè)切口 ，并且在所述下面的絕 緣體上露出所述傳導(dǎo)凸緣。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，激光用于形成所述切口中 的至少一個(gè)切口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，機(jī)械劃線用于所述切口中 的至少一個(gè)切口。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成步驟還包括在切 口區(qū)域中沉積導(dǎo)體之后沉積絕緣體。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述形成步驟還包括在所 述切口區(qū)域沉積導(dǎo)體之后沉積絕緣體。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成步驟包括利用噴 墨工藝形成所述互連的至少一個(gè)層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述堆的頂部沉積附加 層以提高所述互連的接觸阻抗。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述絕緣體為感光材料。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述絕緣體為感光材料。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，以自對(duì)準(zhǔn)方式，穿過(guò)其 上沉積所述堆的襯底露出所述絕緣體。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，以自對(duì)準(zhǔn)方式，穿過(guò)其上沉積所述堆的襯底露出所述絕緣體。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工藝序列在真空中。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述互連形成步驟包括在 工藝中沉積導(dǎo)體層，所述工藝為獨(dú)立的獨(dú)立工藝序列，用于沉積所述有源層。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述獨(dú)立沉積的導(dǎo)體層 是不透明的。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，將所述導(dǎo)體層鍍?cè)诠怆?導(dǎo)體上。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成歩驟包括穿過(guò)所 述堆形成切口，所述切口的第一部分完全地穿過(guò)所述堆到下面的絕緣體，所述 切口的第二部分穿過(guò)所述有源層并在所述F"面絕緣體上形成傳導(dǎo)凸緣。
19、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述通過(guò)激光形成的切口 使得沖蝕所述下層絕緣體，以在所述單元的側(cè)壁上提供絕緣涂層，所述側(cè)壁鄰 近所述有源層的至少一部分。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，通過(guò)激光形成所述切口 并使得沖蝕所述下層絕緣體，以在所述單元的側(cè)壁上提供絕緣涂層，所述側(cè)壁 鄰近所述有源層的至少-部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種改進(jìn)薄膜太陽(yáng)能電池互連的系統(tǒng)和方法。在光電電池模塊中，形成模塊互連的一種方法包括所有有源層沉積之后的獨(dú)立切割工藝。從而將整個(gè)工藝簡(jiǎn)化為一套互連步驟之后的一套真空步驟，并且可以大大增加模塊質(zhì)量和產(chǎn)量。根據(jù)另一方面，形成方法的互連包括絕緣體的自對(duì)準(zhǔn)沉積。由于不需要自對(duì)準(zhǔn)從而簡(jiǎn)化了工藝。根據(jù)另一方面，形成互連的方法包括劃線工藝，其產(chǎn)生更窄的互連，將大大推進(jìn)電池的效率，并允許具有更窄的電池尺寸。根據(jù)另一方面，互連包括絕緣體層，其大大減小流過(guò)有源層的分路電流，從而大大提高了電池效率。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101496273SQ200680039328
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2006年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者大衛(wèi)·伊格爾沙姆, 皮特·G·博登 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司