薄膜太陽能電池的製作方法及系統的製作方法
2023-06-25 20:01:11
專利名稱：薄膜太陽能電池的製作方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池製作技術，特別是涉及一種薄膜太陽能電池製作方法及系統。
背景技術：
薄膜太陽能電池通常包括襯底以及依次沉積於襯底的導電薄膜即背電極層、吸收太陽能產生載流子的半導體層和材料為透明導電氧化物的頂部電極層。銅銦鎵硒(CIGS) 薄膜太陽能電池是最具有代表性的新型薄膜太陽能電池之一。CIGS薄膜太陽能電池包括襯底，以及依次沉積於襯底的Mo背電極層、CIGS光吸收層、CdS緩衝層、i-ZnO高阻層以及AZO窗口層。其中Mo背電極層為導電薄膜層，CIGS光吸收層、CdS緩衝層與i_ZnO高阻層組成發電層，AZO窗口層為頂部電極層。為了在支取電流之下適當的提高開路電壓，薄膜太陽能電池一般要分割成面積相等的子電池並相互進行串聯，分割後的子電池具有大致相等的輸出電流。劃線單元用於通過劃線法來實現不同功能層上子電池之間的分割。劃線單元一般可以採用雷射劃線機，也可以採用機械劃線機。例如CIGS薄膜太陽能電池的製作通常包括如下步驟首先，在襯底上沉積導電薄膜層，然後進行第一次劃線P1，切斷導電薄膜層並將導電薄膜層分割為多個面積相等的小塊；其次，在上述導電薄膜層和劃線Pi上沉積發電層，然後靠近並且平行於第一次劃線進行第二次劃線P2，以切斷髮電層；最後，在發電層和P2上沉積頂部電極層，然後靠近並且平行於第二次劃線進行第三次劃線P3，以切斷頂部電極層與發電層。經過三次劃線，可將薄膜太陽能電池分割成多個子電池並完成子電池的串聯。雷射劃線也稱雷射刻蝕，其理論基礎是雷射作用下的去材料加工，可以切割出精細的溝槽，在襯底上的薄膜層分割成獨立的部分。雷射加工精細準確，刻槽寬度只有微米級。通過準確的能量控制，是的待加工膜層被整齊分割，其它膜層不受損傷。機械切割則是用機械力通過刀片劃開薄膜層。針對襯底是金屬導電材料的薄膜太陽能電池，可以把薄膜太陽能電池塊裁剪成面積相等的子電池，再首尾相連疊加層壓使得相鄰子電池之間的背電極層和頂部電極層之間實現電連接，從而完成子電池的串聯。上述劃線法或裁剪法劃出的劃痕或裁剪的路徑通常是平行直線，製作出的薄膜太陽能電池多為矩形狀，例如每個子電池是寬度7mm的長條。隨著太陽能電池的應用的普及，這種子電池的形狀不能滿足要求，例如，用到太陽能手錶的製作，通常是對成品薄膜太陽能電池進行再次切割，以分割出與太陽能手錶錶盤對應形狀的太陽能手錶電池，然後裝上引線，安裝於手錶中。這種手錶用的薄膜太陽能電池的子電池的面積不再相等，從而影響薄膜太陽能電池的輸出功率。CIGS薄膜太陽能電池的開路電壓大約為600mV，面積為Icm2的電池短路電流大約為 30mA。
發明內容
基於此，有必要針對成品薄膜太陽能電池進線再次切割後使用，造成薄膜太陽能電池在實際應用中的子電池的面積不相等的問題，提供一種可使製作出的薄膜太陽能電池的子電池面積相等的薄膜太陽能電池的製作方法。一種薄膜太陽能電池的製作方法，包括以下步驟根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和裁剪的軌跡；在襯底上沉積鑰背電極，在所述鑰背電極上依次沉積銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層，
在所述高阻層上沉積窗口層，形成電池樣片；根據所述定位標記進行定位，對所述電池樣片按照裁剪的軌跡進行裁剪，形成薄膜太陽能電池。在其中一個實施例中，所述電池樣片的面積小於200平方毫米。一種薄膜太陽能電池的製作方法，包括以下步驟根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和分割軌跡，所述分割軌跡包括三次劃線的軌跡與一次裁剪的軌跡；在襯底上沉積鑰背電極，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第一次劃線的軌跡完成第一次劃線；在所述鑰背電極上依次沉積銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第二次劃線的軌跡在所述高阻層完成深至所述鑰背電極的第二次劃線；在所述高阻層上沉積窗口層，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第三次劃線的軌跡在所述窗口層上完成深至所述鑰背電極的第三次劃線，形成電池樣片；及根據所述定位標記進行定位，對所述電池樣片按照裁剪的軌跡進行裁剪，形成薄膜太陽能電池。在其中一個實施例中，所述相鄰的兩個第三次劃線之間圍成的面積小於200平方毫米。在其中一個實施例中，所述完成第一次劃線之後還包括設定第一工藝標記的步驟；所述完成第二次劃線之前還包括檢測所述第一工藝標記的步驟；所述完成第二次劃線之後還包括設定第二工藝標記的步驟；所述完成第三次劃線之前還包括檢測所述第二定位標記的步驟；所述完成第三次劃線之後還包括設定第三定位標記的步驟；所述裁剪之前還包括檢測所述第三定位標記的步驟。一種薄膜太陽能電池的製作系統，包括薄膜生長裝置、真空維持裝置、監控裝置，以及劃線裝置；薄膜生長裝置用於在襯底上依次沉積鑰背電極、銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層；所述真空維持裝置為所述薄膜生長裝置提供和保持真空環境；監控裝置用於檢測真空維持裝置的真空度並監測殘餘氣體的成分；所述劃線裝置包括中央控制單元，根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和分割軌跡，所述分割軌跡包括三次劃線的軌跡與一次裁剪的軌跡；存儲單元，用於存儲所述分割軌跡；劃線機，所述劃線機在所述中央控制單元的控制下根據所述定位標記進行定位，完成三次劃線及一次裁剪。在其中一個實施例中，所述劃線裝置還包括標記單元，用於控制所述劃線機在每次劃線後做出不同的工藝標記；檢測單元，用於檢測所述工藝標記，所述中央控制單元根據所述檢測單元的檢測結果控制所述劃線機執行相應的劃線或裁減步驟。在其中一個實施例中，所述裁剪的軌跡為四個同心的圓，所述四個圓的半徑比分 別為 O. 5 0. 707 0. 866:1。上述薄膜太陽能電池的製作方法，可以根據薄膜太陽能電池所要應用的環境，設計薄膜太陽能電池的形狀，通過劃線機設定預製作的薄膜太陽能電池的形狀，製作出所需形狀的、子電池面積相等的薄膜太陽能電池。
圖I為一個實施例的薄膜太陽能電池的製作系統的原理模塊示意圖；圖2為圖I中劃線裝置的原理模塊示意圖；圖3為一個實施例的薄膜太陽能電池的製作方法的流程圖；圖4為圓形薄膜太陽能電池的製作設計圖；圖5為按圖4設計製作出的薄膜太陽能電池示意圖；圖6為一個實施例中通過劃線並實現子電池串聯的結構示意圖；圖7為一個實施例的定位標記和工藝標記的示意圖。圖8為另一個實施例的薄膜太陽能電池示意圖；圖9為圖8所示薄膜太陽能電池的子電池示意圖。圖10為疊壓法實現子電池串聯示意圖。
具體實施例方式為了解決對成品薄膜太陽能電池進行再次切割後，可能造成切割出的薄膜太陽能電池的子電池的面積不再相等的問題，提供一種可使製作出的薄膜太陽能電池的子電池面積相等的薄膜太陽能電池的製作方法。請參閱圖1，所示為一實施方式的薄膜太陽能電池的製作系統的原理模塊示意圖。薄膜太陽能電池的製作系統100包括薄膜生長裝置10、真空維持裝置20、監控裝置30，以及劃線裝置40。薄膜生長裝置10用於在襯底上依次沉積鑰背電極、銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層。真空維持裝置20為薄膜生長裝置10提供和保持真空環境。監控裝置30用於檢測薄膜生長裝置10空間內的真空度、監測殘餘氣體的成分等。請參閱圖2，劃線裝置40包括中央控制單元41及與中央控制單元41相連的存儲單元43、劃線機45、標記單元47及檢測單元49。下面結合薄膜太陽能電池的製作方法詳細介紹上述單元的作用。
請參閱圖3，一個實施例中，一種薄膜太陽能電池的製作方法，包括以下步驟S110、根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和分割軌跡，所述分割軌跡包括三次劃線的軌跡與一次裁剪的軌跡。具體的，中央控制單元根據預先輸入的薄膜太陽能電池最終產品的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和分割軌跡，並將該分割軌跡儲存在存儲單元內。在默認設置下，由中央控制單元所控制的劃線機的分割軌跡為直線，分割出的子電池為矩形。若是需要製作其他形狀的子電池，可以通過設置劃線機的分割軌跡來實現。只需在劃線機中設置劃線機的分割軌跡， 然後運行劃線機，劃線機沿設定的分割軌跡運動，即可分割出相應形狀的子電池，有利於薄膜太陽能電池的推廣使用。劃線機的分割軌跡可以是圓形、三角形、五邊形等規則形狀，也可以是其他不規則形狀。對於太陽能手錶電池來說，通過改變設置劃線機的分割軌跡，即可分割出適用於錶盤具體形狀的、具有美觀效果的薄膜太陽能電池。通常一個子電池的面積在1-2平方釐米之間，即可滿足例如手錶、計算器等電器的電源需求。通常，在一塊襯底可以製作形成多個薄膜太陽能電池，因此，可先對預製作的薄膜太陽能電池進行合理的布局。如圖4所示，為圓形薄膜太陽能電池320的製作設計圖，在襯底上製作前，可根據襯底的尺寸以及襯底與預製作的薄膜太陽能電池的比例在劃線機中設計預製作的薄膜太陽能電池的布局。如圖5所示，為按照圖4中設計的薄膜太陽能電池製作出的薄膜太陽能電池320，該薄膜太陽能電池為圓形，其中，分割出的子電池的面積相等。製作時，設圓形薄膜太陽能電池320的半徑為R，該圓形薄膜太陽能電池320由四個子電池組成，第一子電池Stl是半徑為Γ(ι的圓，第二子電池S1是內徑為IV外徑為Γι的圓環，第三子電池S2是是內徑為F1、外徑為r2的圓環，第四子電池S4是是內徑為r2、外徑為r3的圓環。為了保證四個子電池的面積相等，可以得出，rQ ^ O. 5R ；Γι ^ O. 707R ；r2 ^ O. 866R ；r3 ^ R。假設R等於15mm，則子電池的面積等於176. 5mm2。按照上述比例分割獲得四個子電池，然後進行處理形成薄膜太陽能電池。製作出的圓形薄膜太陽能電池的輸出電流為50mA左右，輸出電壓為2.4V左右。輔以適當的外圍電路即可安裝於太陽能手錶的圓形錶盤中和其他需要圓形薄膜太陽能電池的場合。定位標記在沉積功能層之前設置於襯底，由於功能層為透明狀且較薄(例如2微米)，因此不會因為功能層的沉積而遮蓋定位標記，也不會影響劃線機對準。定位標記可以是「十」字形、三角形、方形等。定位標記的設置需要避開最終製成的薄膜太陽能電池所覆蓋的區域。如圖4所示，定位標記320設置於襯底的中部。為了便於製作，定位標記320設置於襯底的中心。不難理解，定位標記320還可以設置於除設計製作的四個薄膜太陽能電池310所覆蓋區域以外的其他位置。S120、在襯底上沉積鑰背電極，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第一次劃線的軌跡完成第一次劃線。具體的，將襯底送入薄膜生長裝置10內，並通過磁控濺射法在襯底上沉積鑰背電極。結合圖6所示，在襯底810上沉積Mo背電極層820。在襯底上沉積Mo背電極層形成電池樣片後，將該電池樣片置於劃線機的工作檯上。放置電池樣片時，應考慮劃線機工作過程中可能掃描的區域，使掃描區域處於電池樣片的邊界之內。電池樣片放置好後，調整劃線機的位置，使劃線機與定位標記對準。通常，可以在劃線機上選擇一點作為與襯底上的定位標記對準的對準標誌，每對電池樣片的位置調整後，都需要調整劃線機使劃線機與定位標記對準，即使劃線機的對準標誌與定位標記的相對位置不變。由於襯底上的薄膜要分多次進行沉積，每次沉積後都需要重新將電池樣片放置於劃線機的工作檯，都需要重新調整劃線機與定位標記的相對位置。因此，首次調整劃線機與定位標記對準後需要記錄劃線機與定位標記的相對位置，以保證此後調整劃線機與定位標記的相對位置保持不變。設置完成後，運行劃線機，劃線機便會按照預先設定的第一次劃線的軌跡進行第一次劃線P1，以切斷Mo背電極層820。在優選的實施方式中，在完成第一次劃線Pl後，標記單元47控制劃線機45在電池樣片上做出一個第一工藝標記。不同的工藝標記代表不同的工藝節點。該第一工藝標記即表示該電池樣片是已經完成了第一次劃線Pl的電池樣品。S130、在所述鑰背電極上依次沉積銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第二次劃線的軌跡在所述高阻層完成深至所述鑰背電極的第二次劃線。·
具體的，完成第一次劃線Pl的樣品將會再次送入薄膜生長裝置10內，結合圖6所示，然後在Mo背電極層820上採用共蒸法沉積CIGS光吸收層830、採用化學水浴法沉積CdS緩衝層840，以及採用磁控濺射法沉積i-ZnO高阻層850。沉積i_ZnO高阻層850形成電池樣片後，將該電池樣片置於劃線機的工作檯上，並根據定位標記進行定位，然後進行第二次劃線P2，以切斷CdS緩衝層830、CIGS光吸收層840以及i_ZnO高阻層850。類似的，在進行第二次劃線P2之前，檢測單元49可以事先檢測工藝標記，並將檢測結果發送給中央控制單元41。檢測單元49可以為CCD攝像頭等檢測裝置。中央控制單元41通過檢測結果判斷進入劃線機45的電池樣片的工藝節點。例如，當檢測到第一工藝標記時，即可判斷該電池樣片是已經完成了第一次劃線Pl的電池樣品，因此本次劃線機45所要執行的任務應該是進行第二次劃線P2，而不是其他。在第二次劃線P2之後，標記單元47控制劃線機45在電池樣片上做出一個第二工藝標記，表示該電池樣片是已經完成了第二次劃線P2的電池樣品。S140、在所述高阻層上沉積窗口層，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第三次劃線的軌跡在所述窗口層上完成深至所述鑰背電極的第三次劃線，形成電池樣片。具體的，完成第二次劃線P2的樣品將會再次送入薄膜生長裝置10內，結合圖6所示，在i-ZnO高阻層850沉積AZO窗口層860。沉積完AZO窗口層860形成電池樣片後，將該電池樣片置於劃線機的工作檯上，並根據定位標記進行定位，然後進行第三次劃線P3，以切斷AZO窗口層860、CdS緩衝層830、CIGS光吸收層840以及i_ZnO高阻層850。類似的，在進行第三次劃線P3之前，檢測單元49可以事先檢測工藝標記，並將檢測結果發送給中央控制單元41。中央控制單元41通過檢測結果判斷進入劃線機45的電池樣片的工藝節點，並控制劃線機45執行正確的劃線工藝，實現正確的位置和形狀的劃線。在第三次劃線P3之後，標記單元47控制劃線機45在電池樣片上做出一個第三工藝標記，表示該電池樣片是已經完成了第三次劃線P3的電池樣品。優選的，第一次劃線P1、第二次劃線P2與第三次劃線P3均採用雷射劃線。通過三次劃線和多次薄膜沉積，製造出的薄膜太陽能電池具有多個子電池並相互串聯，圖6中虛線箭頭方向為子電池串聯後子電池間電子或電流的移動方向。S150、根據定位標記進行定位，對所述電池樣片按照裁剪的軌跡進行裁剪，形成薄膜太陽能電池。例如，可以按照圖4所示的四條圓形裁剪的軌跡進行裁剪。類似的，在進行裁剪之前，檢測單元49可以事先檢測工藝標記，並將檢測結果發送給中央控制單元41。中央控制單元41通過檢測結果判斷進入劃線機45的電池樣片的工藝節點，並控制劃線機45執行正確的裁剪工藝。如圖7所示是定位標記和工藝標記的實施例，圖7中A為襯底上的定位標記,B是完成Pl劃線後的工藝標記；c是完成P2劃線的工藝標記；D是完成P3劃線的工藝標記。本實施方式中，由於每次劃線均採用同一定位標誌作為參照標準，劃線精度較高，且能夠保證切割後的子電池的面積相等。·作為本發明的另一個實施例，圖8為花瓣形薄膜太陽能電池的製作設計圖；把整個花瓣形近似看成一個矩形，假設矩形的邊長為40_，整個電池被分割成8個子電池，圖9為圖8所示薄膜太陽能電池子電池形狀示意圖，子電池面積O. 875平方釐米，計算可知每個子電池可以輸出26mA電流600mV電壓，串聯後可以輸出4. 8V電壓。假設該電池製作於不鏽鋼電導體襯底上，在依次沉積了背電極層，發電層，和頂部電極層後，直接裁剪，再首尾相連疊加層壓使得相鄰子電池之間的背電極層和頂部電極層之間實現電連接，從而完成子電池的串聯。這樣的工藝省卻了劃線工藝，降低了成本，提高了成品率。同樣，圓形薄膜太陽能電池也可以製作在金屬襯底上，例如不鏽鋼，在依次沉積了背電極層，發電層，和頂部電極層後，直接裁剪成園和圓環，再部分疊加層壓使得相鄰子電池之間的背電極層和頂部電極層之間實現電連接，重新拼接成一個完整的園，從而完成子電池的串聯。圖10是疊壓法實現子電池串聯示意圖。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種薄膜太陽能電池的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟 根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和裁剪的軌跡； 在襯底上沉積鑰背電極， 在所述鑰背電極上依次沉積銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層， 在所述高阻層上沉積窗口層，形成電池樣片； 根據所述定位標記進行定位，對所述電池樣片按照裁剪的軌跡進行裁剪，形成薄膜太陽能電池。
2.根據權利要求I所述的薄膜太陽能電池的製作方法，其特徵在於，所述電池樣片的面積小於200平方毫米。
3.一種薄膜太陽能電池的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟 根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和分割軌跡，所述分割軌跡包括三次劃線的軌跡與一次裁剪的軌跡； 在襯底上沉積鑰背電極，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第一次劃線的軌跡完成第一次劃線； 在所述鑰背電極上依次沉積銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第二次劃線的軌跡在所述高阻層完成深至所述鑰背電極的第二次劃線. 在所述高阻層上沉積窗口層，並根據所述定位標記進行定位，然後根據第三次劃線的軌跡在所述窗口層上完成深至所述鑰背電極的第三次劃線，形成電池樣片；及 根據所述定位標記進行定位，對所述電池樣片按照裁剪的軌跡進行裁剪，形成薄膜太陽能電池。
4.根據權利要求3所述的薄膜太陽能電池的製作方法，其特徵在於，所述相鄰的兩個第三次劃線之間圍成的面積小於200平方毫米。
5.根據權利要求3所述的薄膜太陽能電池的製作方法，其特徵在於，所述完成第一次劃線之後還包括設定第一工藝標記的步驟；所述完成第二次劃線之前還包括檢測所述第一工藝標記的步驟；所述完成第二次劃線之後還包括設定第二工藝標記的步驟；所述完成第三次劃線之前還包括檢測所述第二定位標記的步驟；所述完成第三次劃線之後還包括設定第三定位標記的步驟；所述裁剪之前還包括檢測所述第三定位標記的步驟。
6.一種薄膜太陽能電池的製作系統，其特徵在於，包括薄膜生長裝置、真空維持裝置、監控裝置，以及劃線裝置；薄膜生長裝置用於在襯底上依次沉積鑰背電極、銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層；所述真空維持裝置為所述薄膜生長裝置提供和保持真空環境；監控裝置用於檢測真空維持裝置的真空度並監測殘餘氣體的成分；所述劃線裝置包括 中央控制單元，根據預先輸入的薄膜太陽能電池的大小和形狀以及襯底的大小和形狀，在襯底上設定定位標記和分割軌跡，所述分割軌跡包括三次劃線的軌跡與一次裁剪的軌跡； 存儲單元，用於存儲所述分割軌跡； 劃線機，所述劃線機在所述中央控制單元的控制下根據所述定位標記進行定位，完成三次劃線及一次裁剪。
7.根據權利要求6所述的薄膜太陽能電池的製作系統，其特徵在於，所述劃線裝置還包括 標記單元，用於控制所述劃線機在每次劃線後做出不同的工藝標記； 檢測單元，用於檢測所述工藝標記，所述中央控制單元根據所述檢測單元的檢測結果控制所述劃線機執行相應的劃線或裁減步驟。
8.根據權利要求6所述的薄膜太陽能電池的製作系統，其特徵在於，所述裁剪的軌跡為四個同心的圓，所述四個圓的半徑比分別為O. 5 :0. 707 :0. 866: I。
全文摘要
本發明涉及薄膜太陽能電池的製作方法及系統。一種薄膜太陽能電池的製作方法包括以下步驟在襯底上設定定位標記和分割軌跡；在襯底上沉積鉬背電極，並根據所述定位標記進行定位，完成第一次劃線；在所述鉬背電極上依次沉積銅銦鎵硒光吸收層、緩衝層和高阻層，並根據所述定位標記進行定位，完成第二次劃線；在所述高阻層上沉積窗口層，並根據所述定位標記進行定位，然後完成第三次劃線，形成電池樣片；及根據所述定位標記進行定位，對所述電池樣片按照裁剪的軌跡進行裁剪，形成薄膜太陽能電池。上述薄膜太陽能電池的製作方法，可以製作出所需形狀的、子電池面積相等的薄膜太陽能電池。
文檔編號H01L31/18GK102903791SQ201210360688
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者劉壯, 肖旭東, 顧光一, 賀凡 申請人:深圳先進技術研究院, 香港中文大學