劃刻光伏器件期間隨時間改變雷射強度的方法
2023-11-06 11:21:57 2
專利名稱：劃刻光伏器件期間隨時間改變雷射強度的方法
技術領域：
本文公開的主旨大體上涉及雷射劃刻光伏模塊以在該模塊中形成個體電池的領域。更具體地，該主旨涉及改變用於劃刻基於碲化鎘的薄膜光伏(PV)器件的雷射的強度的方法和設備。
背景技術：
光伏(PV)或太陽能電池是將太陽光轉換成直流(DC)電功率的材料結器件。當暴露於太陽光時，太陽能電池p-n結的電場使自由電子和空穴對分開，從而產生光電壓(photo-voltage)。從n側到p側的電路允許電子在太陽能電池連接到電負載時流動，同時PV電池結器件的面積和其他參數確定可用電流。電功率是當電子和空穴重新結合時產生的電壓乘以電流的乘積。
薄膜太陽能器件典型地由沉積在平板玻璃上的材料的多個薄層組成。這些玻璃面板典型地通過劃刻工藝(其還限定相鄰電池的電氣互連)細分成大量(在100至200個之間)的個體太陽能電池，其串聯電連接以用電流產生功率。雷射劃刻實現下一代薄膜器件的高容量生產，並且雷射劃刻在質量、速度和可靠性方面勝過機械劃刻法。
雷射-材料的相互作用牽涉加熱、熔化、蒸發、原子噴出、離子噴出和分子噴出、衝擊波、等離子體引發和等離子體膨脹的複雜工藝。所得的坑或雷射誘導的等離子體取決於雷射束參數(例如，持續時間、能量和波長)、固體靶特性和周圍環境條件。
期望將雷射劃刻控制到特定深度來控制個體電池以及形成的所得模塊的特性。然而，至少部分由於每個薄膜的不同的材料組成，劃刻膜堆疊中的每個個體薄膜層所需要的能量(例如，施加的雷射強度和/或時間)可能變化。如此，準確控制雷射劃刻的深度可能是基於劃刻每層所需要的能量的總和的計算。該計算可以導致形成通過許多層的雷射劃刻的深度的變化。這樣的深度變化進而可以導致所得PV模塊的性能的變化。
如此，存在需要在玻璃頂襯底(尤其是基於碲化鎘的薄膜光伏器件)上更精確地雷射劃刻多個薄膜。
發明內容
本發明的方面和優勢將在下列說明中部分闡述，或可通過該說明明顯可見，或可通過本發明的實踐而獲悉。
大體上公開了用於雷射劃刻包括襯底上的多個薄膜層的膜堆疊的方法。雷射束脈衝施加於該膜堆疊，其中該雷射束具有在完成預定功率周期的脈衝期間作為時間的函數而變化的功率。例如，脈衝可以具有持續約0. I納秒至約500納秒的功率周期。雷射束的該脈衝可以跨膜堆疊重複以形成通過襯底上的薄膜層中的至少一個的劃刻線。
這樣的方法在雷射劃刻基於碲化鎘薄膜的光伏器件方面特別有用。例如，可以提供基於締化鎘薄膜的光伏器件，其包括玻璃頂板(superstrate)和膜堆疊，該膜堆疊包括該玻璃頂板之上的透明導電氧化物層、該透明導電氧化物層之上的高阻透明緩衝層(resistivetransparent buffer layer)、該高阻透明緩衝層之上的硫化鎘層以及該硫化鎘層上的締化鎘層。雷射束的脈衝然後可以採用在完成預定功率周期的脈衝期間作為時間的函數而變化的功率施加於膜堆疊上。雷射束的脈衝然後可以跨基於碲化鎘薄膜的光伏器件重複以在膜堆疊中形成劃刻線。
本發明的這些和其他特徵、方面和優勢將參照下列說明和附上的權利要求變得更好理解。包含在本說明書中並且構成其一部分的附示本發明的實施例並且與描述一起服務於解釋本發明的原理。
針對本領域內技術人員的本發明的完全和使能公開(包括其最佳模式)在該說明書中闡述，其參照附圖，其中
圖I示出隨時間變化的雷射束的示範性功率周期； 圖2示出隨時間變化的雷射束的另一個示範性功率周期；
圖3示出用於在光伏器件上雷射劃刻薄膜的示範性系統；
圖4示出用於在光伏器件上雷射劃刻薄膜的另一個示範性系統；
圖5示出用於在光伏器件上的薄膜上同時形成多個劃刻線的示範性設備；
圖6示出用於在光伏器件上的薄膜上同時形成多個劃刻線的另一個示範性設備；
圖7示出示範性碲化鎘薄膜光伏器件的透視 圖8示出圖7的示範性碲化鎘薄膜光伏器件的剖視圖的一般示意 圖9示出垂直於根據圖7的示範性碲化鎘薄膜光伏器件在圖8中示出的視圖的剖視圖的一般不意圖。
具體實施例方式 現在將詳細參考本發明的實施例，其一個或多個示例在圖中圖示。每個示例以說明本發明的方式而非限制本發明的方式來提供。實際上，在本發明中可以做出各種修改和變化而不偏離本發明的範圍或精神對於本領域內技術人員將是明顯的。例如，圖示或描述為一個實施例的一部分的特徵可以與另一個實施例一起使用以產生再另外的實施例。從而，規定本發明涵蓋這樣的修改和變化，它們落在附上的權利要求和它們的等同物的範圍內。
在本公開中，當層描述為在另一層或襯底「上」或「之上」時，要理解這些層可以直接互相接觸或在這些層之間具有另一層或特徵。從而，這些術語簡單地描述這些層互相之間的相對位置並且不必定意味「在頂部」，因為在上面或下面的相對位置取決於器件對觀察者的取向。另外，儘管本發明不限於任何特定的膜厚度，描述光伏器件的任何膜層的術語「薄」一般指膜層具有小於大約10微米(「micixm」或「ym」)的厚度。
要理解本文提到的範圍和極限包括位於規定極限內的所有範圍(即，子範圍)。例如，從大約100至大約200的範圍也包括從110至150、170至190、153至162和145. 3至149. 6的範圍。此外，高達大約7的極限也包括高達大約5、高達3和高達大約4. 5的極限以及該極限內的範圍，例如從大約I至大約5和從大約3. 2至大約6. 5等。
大體上公開了用於利用具有隨時間變化的功率的雷射脈衝來雷射劃刻膜堆疊的方法。具體地，雷射束具有根據預定功率周期在每個脈衝期間作為時間的函數而變化的功率。該脈衝然後可以跨膜堆疊的表面重複以形成通過膜堆疊的薄膜層中的至少一個的劃刻線。根據這些方法，可以提高通過膜堆疊的薄膜的雷射劃刻工藝的準確性，從而導致形成的劃刻線的質量提高(例如，更好的均一性)。另外，可以調整雷射的功率水平以當雷射束劃刻通過膜堆疊的厚度時與個體薄膜的特性匹配。
脈衝大體上可以具有持續大約0. I納秒(ns)至大約500ns的功率周期，例如大約
0.5ns至大約250ns。在特定實施例中，脈衝可以持續大約Ins至大約100ns,例如大約5ns至大約50ns。
每個脈衝的功率周期可以限定多個互不相同的功率水平。如此，施加於膜堆疊的功率可以在每個脈衝期間隨時間變化(例如，作為時間的函數)。例 如，圖I示出示範性功率周期100，其示出功率(y軸)作為時間(X軸)的函數的變化。功率周期100限定第一功率水平102，其不同於第二功率水平104。如本文使用的，術語「功率水平」指在脈衝期間雷射束功率的功率周期上的線或峰值，其中「線」指在脈衝期間上大致上恆定的功率並且「峰值」指在脈衝期間雷射束的功率的局部最大或最小值。
在圖I中示出的實施例中，第一功率水平102小於第二功率水平104。例如，第二功率水平104可以比第一功率水平102大大約10%至大約150% (即，第二功率水平104可以是第一功率水平102的大約110%至大約250% )，例如比第一功率水平102大大約50%至大約100% (即，第二功率水平104可以是第一功率水平102的大約150%至大約200% )。
雷射束的功率對於第一持續時間(等於功率周期100在第一功率水平102的長度)保持在第一功率水平102，並且雷射束的功率對於第二持續時間(等於功率周期100在第二功率水平104的長度)保持在第二功率水平104。在圖I的實施例中，第一功率水平102的第一持續時間比第二功率水平104的第二持續時間要長。例如，第一功率水平102的第一持續時間可以比第二功率水平104的第二持續時間大大約10%至大約5，000% (即，第一持續時間可以是第二持續時間的大約110%至大約50,000% )，例如比第二功率水平104的第二持續時間大大約100%至大約1，000% (即，第一持續時間可以是第二持續時間的大約1,000%至大約 10,000% )。
在圖I中示出的實施例中，在脈衝Tp的功率周期100中，第一功率水平102在順序上是在第二功率水平104之前。然而，在其他實施例中，該順序可以顛倒使得第二功率水平104在順序上是在第一功率水平102之前。
在某些實施例中，雷射束的功率對於第一持續時間可以保持在第一功率水平102，該第一持續時間是脈衝Tp的大約10%至大約90%，例如脈衝Tp的大約20%至大約75%，或更特定地是脈衝Tp的大約25%至大約50%。相反地，雷射束的功率對於第二持續時間可以保持在第二功率水平104，該第二持續時間是脈衝的大約0. 5%至小於脈衝的大約50%，例如脈衝的大約1%至大約25%。當然，該第一持續時間和第二持續時間可以根據期望變化。
圖2示出除第一功率水平102和第二功率水平104外還具有第三功率水平106的備選功率周期100。該第三功率水平106不同於第一功率水平102和第二功率水平104。如示出的，該第三功率水平106具有大於第一功率水平102和第二功率水平104兩者的功率，並且第一功率水平小於第三功率水平和第二功率水平兩者。
圖2的功率周期100的第三功率水平106由功率中的峰值限定。從而，圖2中的第三功率水平106的第三持續時間(如由第三功率水平106的長度限定的)是第一持續時間的一小部分。例如，第三持續時間可以小於第一持續時間的5%，例如第一持續時間的大約
0.001%至大約1%。然而，在其他實施例中，第三功率水平的第三持續時間可以根據期望調整使得雷射束的功率對於第二持續時間保持在第二功率水平，該第二持續時間可以是脈衝的大約0. 01%至大約50%，例如脈衝持續時間的大約0. 1%至大約25%。
另外，圖2示出在脈衝Tp的功率周期100中第三功率水平106在順序上是在第一功率水平102之前，並且在脈衝Tp的功率周期100中第一功率水平102在順序上是在第二功率水平104之前。然而，在其他實施例中，該順序可以改變以滿足對於特定應用期望的功率周期(例如，取決於正被劃刻的膜堆疊的性質)。
脈衝Tp的功率波動曲線100中的轉變101、103、105、107可以相對於脈衝Tp的總持續時間快速發生，這樣的每個轉變101、103、105、107持續小於脈衝Tp的大約1% (例如，脈衝Tp的大約0. 001%至大約0. 1% )。
圖3示出通過將雷射束30從雷射源32引導到膜堆疊13上而在光伏器件10的襯底12 上劃刻該膜堆疊13的示範性系統28和方法。如在圖3中示出的，該雷射束30直接施加到膜堆疊13的暴露表面38上來形成劃刻線40。圖4示出圖3的系統28和方法的備選實施例，其中雷射束30穿過玻璃襯底12以在鄰近襯底12的膜堆疊13的內表面42上形成劃刻線44。如規定的，可以根據雷射束的強度(作為脈衝Tp總功率的函數)調整劃刻線40、44進入膜堆疊13的厚度的深度。
如在本領域內已知的，雷射源32可以是基於模擬光子發射通過光放大發射光(即，電磁輻射)的任何適合的雷射器件。雷射束30的波長可以根據期望調整並且可以是大致上恆定或作為時間的函數隨著功率變化的單色或多色。例如，雷射束30的波長可以在大約250nm至大約1150nm的範圍中。雷射束30的適合的單色波長包括,但不限於,大約266nm、大約355nm、大約532nm和大約1064nm。另外,根據在光伏模塊10中形成的劃刻線40的期望的尺寸，雷射束30可以通過雷射源32中的透鏡33聚焦來控制雷射束30的直徑。例如，在某些實施例中，雷射束30的直徑可以是大約10 ii m至大約500 ii m。
在圖3和4中示出的實施例兩者中，雷射源32經由通信鏈路36 (例如，有線或無線通信鏈路)連接到計算裝置34。該計算裝置34配置成根據期望的功率周期100控制來自雷射源32的雷射束30的功率。具體地，該計算裝置34包括存儲器，其具有存儲在計算機可讀介質中的計算機可讀指令以供處理器執行以根據期望的功率周期100控制來自雷射源32的雷射束30的功率。
圖5示出同時在光伏器件10中形成多個劃刻線40的示範性系統50和方法。沿著框架52安置多個雷射源32。經由輸送系統54在該框架52和多個雷射源32下方運送光伏器件10。光伏器件10在大致上垂直於框架52的取向的方向上移動使得劃刻線40在大致上平行於光伏器件10的橫側邊緣53的大致上直的線中取向。另外，輸送系統54配置成以大致上恆定的速度移動光伏器件10以便確保劃刻線40跨劃刻線40的長度在深度上是均勻的。
圖6示出在光伏器件10中形成多個劃刻線40的備選系統60和方法。雷射源32能移動地安裝在框架62上，該框架62以相對於光伏器件10的行進方向(即，器件向量)成一定角度(例如，大約10°至80° )取向。在劃刻期間，雷射源32沿著框架62移動使得它在器件向量上的移動處於與光伏器件10的移動相同的速度。從而，劃刻線40可以在垂直於器件向量並且大致上平行於橫側邊緣53的方向上在光伏器件10中形成。
儘管示出利用輥軸56，圖5和6的輸送系統54可以是配置成運送光伏器件10的任何適合的運送系統(例如，包括帶、軌道等)。光伏器件10可以在框架52下方傳輸，其中膜堆疊或玻璃襯底直接暴露於雷射束30。
如關於圖3和4論述的，在圖5和6中示出的雷射源32經由計算裝置34控制。如此，每個雷射源32可以根據具有如上文論述的功率周期100的脈衝Tp而脈衝化。
從而，圖5和6的系統50和60分別可以在光伏器件10中形成由劃刻線40分開的多個光伏電池11。
脈衝化的雷射束(其中每個脈衝根據如上文描述的預置功率周期100改變雷射束的功率)可以在基於碲化鎘的薄膜光伏器件中形成劃刻線方面特別有用，例如在圖7-9中示出的。如示出的，基於碲化鎘的薄膜光伏器件10包括玻璃襯底12、TCO層14、高阻透明緩衝層16、硫化鋪層18、締化鋪層20、石墨層22和金屬接觸層24。
如規定的，光伏器件10大體上包括由劃刻線分開的多個電池，劃刻線大體上經由例如上文描述的雷射劃刻工藝形成。例如，該雷射劃刻工藝可需要限定通過光反應層(即，硫化鎘層18和碲化鎘層20)和下層(即，通過TCO層14)向下至玻璃襯底12的第一隔離劃刻。然後在施加背接觸層之前，用介電材料填充該第一隔離劃刻線21以便確保TCO層14在電池之間電隔離。例如，可以使用光阻劑顯影工藝填充該第一隔離劃刻21，其中液體負性光阻劑(NPR)材料通過噴塗、滾塗、絲網印刷或任何其他適合的施加工藝塗覆到碲化鎘層20上。然後襯底12暴露於來自下面的光使得第一隔離劃刻21(以及碲化鎘材料20中的任何針孔)中的NPR材料暴露於光，從而使暴露的NPR聚合物交聯和「硬化」。襯底12然後在其中化學顯影劑施加於碲化鎘層20來溶解任何未硬化的NPR材料的工藝中「顯影」。也就是說，未暴露於光的NPR材料由顯影劑從碲化鎘層20洗去，從而使得第一隔離劃刻21用NPR材料填充。
串聯連接劃刻23可以是通過石墨層22到達TCO層14的雷射切割，並且用金屬接觸層24的導電金屬材料填充以使相鄰電池互相串聯電連接。當然，任何導電材料可以包括在串聯連接劃刻23中。具體地，串聯連接劃刻23可以允許金屬接觸層24接觸TCO層14，從而在背接觸(即，石墨層22和金屬接觸層24)與前接觸材料(即，TCO層14)之間提供直接電連接。
最終，第二隔離劃刻26可以是通過背接觸(S卩，石墨層22和金屬接觸層24)與光反應層(即，硫化鎘層18和碲化鎘層20)的雷射切割，用於將背接觸隔離到個體電池中。
雷射劃刻工藝可以用於形成這些劃刻線中的任何劃刻線。例如，當形成第二隔離劃刻26時，如在圖I中示出的功率周期100可對於首先使用第一功率水平102劃刻石墨層22並且然後使用第二功率水平104劃刻光反應層18和20是有用的。
圖7-9的示範性器件10包括作為襯底而被採用的上板玻璃12。在該實施例中，玻璃12可以稱為「頂板」，因為它是後續層在其上形成的襯底，但當使用碲化鎘薄膜光伏器件10時它朝上面向輻射源(例如，太陽)。該上板玻璃12可以是高透射玻璃(例如，高透射硼矽酸鹽玻璃)、低鐵浮法玻璃或其他高度透明的玻璃材料。該玻璃大體上厚到足以為後續膜層提供支撐(例如，從大約0. 5mm至大約IOmm厚)，並且大致上平坦以提供用於形成後續膜層的良好表面。在一個實施例中，玻璃12可以是含有少於大約0. 15% (按重量計)鐵(Fe)的低鐵浮法玻璃，並且在感興趣光譜中(例如，從大約300nm至大約900nm的波長)可具有大約0. 9或更大的透射率。
透明導電氧化物(TCO)層14在示範性器件10的玻璃12上示出。該TCO層14允許光最小吸收地穿過同時還允許由器件10產生的電流從旁邊行進到不透明金屬導體(未示出)。例如，該TCO層14可以具有小於大約30歐姆每平方的薄層電阻，例如從大約4歐姆每平方至大約20歐姆每平方(例如，從大約8歐姆每平方至大約15歐姆每平方)等。TCO層14大體上包括至少一個導電氧化物，例如氧化錫、氧化鋅或氧化銦錫或其混合物等。另夕卜，TCO層14可以包括其他導電透明材料。TCO層14還可以包括錫酸鋅和/或錫酸鎘。
TCO層14可以通過濺射、化學氣相沉積、噴霧熱解或任何其他合適的沉積方法形成。在一個特定實施例中，TCO層14可以通過在玻璃12上濺射(例如，DC濺射或RF濺射)而形成。例如，錫酸鎘層可以通過將包含化學計量量的SnO2和CdO的熱壓靶以大約I至大約2的比率濺射到玻璃12上而形成。備選地，可以通過使用醋酸鎘和氯化錫(II)前驅物通過噴霧熱解製備錫酸鎘。 在某些實施例中，TCO層14可以具有在大約0. Iym和大約Iiim之間的厚度，例如從大約0. I ii m至大約0. 5 ii m,例如從大約0. 25 ii m至大約0. 35 y m等。具有在頂板表面上形成的TCO層14的適合的平坦玻璃襯底在商業上可以從各種玻璃製造商和供應商處購買。例如，包括TCO層14的特別適合的玻璃12包括在商業上可從PilkingtonNorth AmericaInc. (Toledo,Ohio)獲得的用TEC 15TC0名字的玻璃，其包括具有15歐姆每平方的薄層電阻的TCO層。
高阻透明緩衝層16 (RTB層)示出為在示範性碲化鎘薄膜光伏器件10上的TCO層14上。該RTB層16大體上比TCO層14電阻更大並且可以在器件10的加工期間有助於保護器件10防止TCO層14和後續層之間的化學相互作用。例如，在某些實施例中，該RTB層16可以具有大於大約1000歐姆每平方的薄層電阻，例如從大約10千歐姆每平方至大約1000兆歐姆每平方。該RTB層16還可以具有寬光學帶隙(例如，大於大約2. 5eV，例如從大約2. 7eV至大約3. OeV等)。
不希望被特別的理論束縛的情況下，認為RTB層16在TCO層14和硫化鎘層18之間的存在可以通過降低界面缺陷(即，硫化鎘層18中的「針孔」)的可能性(該界面缺陷在TCO層14和碲化鎘層22之間形成分流)而允許在器件10中包括相對薄的硫化鎘層18。從而，認為RTB層16允許TCO層14和碲化鎘層22之間具有改進的粘附力和/或相互作用，由此允許相對薄的硫化鎘層18在其上形成而沒有顯著的不利影響，否則由於直接在TCO層14上形成的這樣的相對薄的硫化鎘層18將引起不利影響。
RTB層16可以包含例如氧化鋅(ZnO)和氧化錫(SnO2)的組合,其可以稱為氧化鋅錫層(「ZT0」)。在一個特定實施例中，RTB層16可以包括比氧化鋅更多的氧化錫。例如，RTB層16可以具有這樣的成分，其中Zn0/Sn02的化學計量比在大約0. 25和大約3之間，例如按氧化錫比氧化鋅的大約一比二(I 2)的化學計量比等。RTB層16可以通過濺射、化學氣相沉積、噴霧熱解或任何其他合適的沉積方法形成。在一個特定實施例中，RTB層16可以通過在TCO層14上濺射(例如，DC濺射或RF濺射)而形成。例如，RTB層16可以使用DC濺射方法通過在氧化氣氛(例如，O2氣體)的存在下施加DC電流到金屬源材料(例如，元素鋅、元素錫或其混合物)並且將該金屬源材料濺射到TCO層14上來沉積。當該氧化氣氛包括氧氣(即，O2)時,氣氛可以是大於大約95%的純氧，例如大於大約99%等。
在某些實施例中，RTB層16可以具有在大約0. 075iim和大約I Pm之間的厚度，例如從大約0. I ii m至大約0. 5 ii m。在特定實施例中，RTB層16可以具有在大約0. 08 y m和大約0. 2 ii m之間的厚度,例如從大約0. I u m至大約0. 15 u m。
硫化鎘層18在示範性器件10的高阻透明緩衝層16上示出。該硫化鎘層18是n型層，其大體上包括硫化鎘(CdS)，但還可包括其他材料，例如硫化鋅、硫化鎘鋅等和其混合物，以及摻雜劑和其他雜質。在一個特定實施例中，該硫化鎘層18可包括高達25% (按原子百分比計)的氧，例如從大約5%至大約20% (按原子百分比計)。該硫化鎘層18可以具有寬帶隙(例如，從大約2.25eV至大約2.5eV，例如大約2.4eV等)以便允許最多的輻射能量(例如，太陽能輻射)通過。如此，該硫化鎘層18認為是器件10上的透明層。
硫化鎘層18可以通過濺射、化學氣相沉積、化學浴沉積和其他適合的沉積方法形成。在一個特定實施例中，硫化鎘層18可以通過在高阻透明層16上濺射(直流(DC)濺射或射 頻(RF)濺射)而形成。濺射沉積大體上牽涉從靶(其是材料源)噴出材料並且將噴出的材料沉積到襯底上以形成膜。DC濺射大體上牽涉施加電壓於安置在濺射腔內的襯底(即，陽極)附近的金屬靶(即，陰極)以形成直流放電。該濺射腔可以具有反應氣氛(例如，氧氣氛、氮氣氛、氟氣氛)，其在金屬靶和襯底之間形成等離子體場。對於磁控濺射，反應氣氛的壓強可以在大約I毫託和大約20毫託之間。當金屬原子在施加電壓時從靶釋放時，金屬原子可以與等離子體反應並且沉積到襯底的表面上。例如，當氣氛包含氧時，從金屬靶釋放的金屬原子可以在襯底上形成金屬氧化物層。相反地，RF濺射大體上牽涉通過在靶(例如，陶瓷源材料)和襯底之間施加交流(AC)或射頻(RF)信號而激發電容放電。濺射腔可以具有惰性氣氛(例如，氬氣氛)，其具有在大約I毫託至大約20毫託之間的壓強。
由於高阻透明層16的存在，硫化鎘層18可以具有小於大約0. Iym的厚度，例如在大約IOnm和大約IOOnm之間,例如從大約50nm至大約80nm,其中在高阻透明層16和硫化鎘層18之間具有極少針孔存在。另外，具有小於大約0. I y m的厚度的硫化鋪層18減小由硫化鎘層18的任何輻射能吸收，從而有效地增加了到達在下面的碲化鎘層22的輻射能的量。
碲化鎘層20在圖I的示範性碲化鎘薄膜光伏器件10中的硫化鎘層18上示出。該碲化鎘層20是p型層，其大體上包括碲化鎘(CdTe)但也可包括其他材料。作為器件10的p型層，該碲化鎘層20是光伏層，其與硫化鎘層18 (即，n型層)相互作用以通過吸收傳遞進入器件10的大部分輻射能(由於器件的高吸收係數)並且形成電子空穴對而從輻射能吸收中產生電流。例如，該碲化鎘層20大體上可以用碲化鎘形成並且可以具有調整成吸收輻射能的帶隙(例如，從大約I. 4eV至大約I. 5eV，例如大約I. 45eV)以當吸收輻射能時以最高電勢(電壓)形成最大數目的電子空穴對。電子可從P型側(即，碲化鎘層20)跨過結行進到n型側(即，硫化鎘層18)，並且相反地，空穴可從n型側傳遞到p型側。從而，在硫化鎘層18和碲化鎘層20之間形成的p-n結形成二極體，其中電荷不平衡導致跨越p-n結的電場的形成。常規電流只允許在一個方向上流動並且將光生電子空穴對分開。
碲化鎘層20可以通過任何已知的工藝形成，例如氣相傳輸沉積、化學氣相沉積(CVD)、噴霧熱解、電沉積、濺射、近空間升華(CSS)等。在一個特定實施例中，硫化鎘層18通過濺射沉積並且碲化鎘層20通過近空間升華沉積。在特定實施例中，碲化鎘層20可以具有在大約0. I ii m和大約10 ii m之間的厚度,例如從大約Ium至大約5 y m。在一個特定實施例中,碲化鎘層20可以具有在大約2iim和大約4iim之間的厚度，例如大約3iim等。
一系列形成後的處理可以應用於碲化鎘層20的暴露表面。這些處理可以調整碲化鎘層20的功能性並且使它的表面為後續粘附到背接觸層22和24做準備。例如，碲化鎘層20可以在升高的溫度(例如，從大約350°C至大約500°C，例如從大約375°C至大約424°C )退火足夠的時間(例如，從大約I至大約10分鐘)以形成特性p型碲化鎘層。不希望被理論束縛的情況下，認為將碲化鎘層20 (和器件10)退火將正常n型碲化鎘層20轉換成具有相對低電阻率的P型碲化鎘層20。另外，碲化鎘層20在退火期間可以再結晶並且經歷晶粒生長。
將碲化鎘層20退火可以在氯化鎘存在的情況下進行以便用氯離子摻雜碲化鎘層20。例如，碲化鎘層20可以用含氯化鎘的水溶液清洗並且然後在升高的溫度下退火。
在一個特定實施例中，在氯化鎘存在的情況下，將碲化鎘層20退火後，可以清洗表面以去除在表面上形成的任何氧化鎘。該表面製備可以通過從表面去除氧化物(例如CdO、 CdTeO3XdTe2O5等)而在碲化鎘層20上留下富Te表面。例如，表面可以用合適的溶劑(例如，也稱為1，2 二氨基乙烷或「DAE」的乙二胺)清洗以從表面去除任何氧化鎘。
另外，銅可以添加到碲化鎘層20。連同合適的蝕刻，添加銅到碲化鎘層20可以在碲化鎘層20上形成碲化銅表面以便獲得在碲化鎘層20(即，p型層)和背接觸層之間的低電阻電接觸。具體地，添加銅可以在碲化鎘層20和背接觸層22之間形成碲化亞銅(Cu2Te)的表面層。從而，碲化鎘層20的富Te表面可以通過在碲化鎘層20和背接觸層22之間的更低的電阻率來增強由器件形成的電流的收集。銅可以通過任何工藝施加於碲化鎘層20的暴露表面。例如，可以在具有合適的溶劑(例如，甲醇、水或其類似物或其組合)的溶液中在碲化鎘層20的表面上噴塗或清洗銅，接著退火。在特定實施例中，銅可在採用氯化銅、碘化銅或醋酸銅的形式的溶液中供應。退火溫度足以允許銅離子擴散進入碲化鎘層20，例如從大約125°C至大約300°C (例如，從大約150°C至大約200°C )持續大約5分鐘至大約30分鐘，例如從大約10至大約25分鐘。
背接觸用石墨層22和在碲化鎘層20上示出的金屬接觸層22形成並且大體上充當背電接觸，關於對側，TCO層14充當前電接觸。該背接觸可以在碲化鎘層20上形成，並且在一個實施例中與碲化鎘層20直接接觸。
石墨層22可以包括聚合物共混物或碳糊並且可以通過用於分散共混物或糊的任何合適的方法(例如絲網印刷、噴塗或通過「刮」刀)施加到半導體器件。在施加石墨共混物或碳糊後，器件10可以被加熱以將共混物或糊轉換成導電石墨層22。在特定實施例中，石墨層22在厚度上可以從大約0. I ii m至大約10 V- m,例如從約I y m至5 y m。
金屬接觸層24適當地用一個或多個高導電材料製成，例如元素鎳、鉻、銅、錫、鋁、金、銀、鎝或其合金或混合物。通過例如濺射或金屬蒸發等技術適當地施加金屬接觸層24(如果其由一個或多個金屬製成或包括一個或多個金屬)。金屬接觸層24在厚度上可以從約
0.I u m 至約 I. 5 u m。
其他部件(未示出)可以包括在示範性器件10中，例如母線、外部配線、雷射蝕刻等。例如，當器件10形成光伏模塊的光伏電池時，多個光伏電池可以串聯連接以便實現期望的電壓，例如通過電配線連接來串聯連接。串聯連接的電池的每端可以附連到例如電線或母線等合適的導體，以將光伏產生的電流引導到用於連接到使用產生的電的器件或其他系統的便利的位置。用於實現這樣的串聯連接的便利的手段是雷射劃刻該器件以使器件分成通過互連連接的一系列電池。在一個特定實施例中，例如，如在上文參照圖8描述的，雷射可以用於劃刻半導體器件的沉積層以將器件分成多個串聯連接的電池。
該書面說明使用示例以公開本發明，其包括最佳模式，並且還使本領域內技術人員能夠實踐本發明，包括製作和使用任何裝置或系統和執行任何包含的方法。本發明的專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域內技術人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們包括不與權利要求的書面語言不同的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的書面語言無實質區別的等同結構元件則規定在權利要求的範圍內。
部件列表
權利要求
1.一種雷射劃刻膜堆疊(13)的方法，所述膜堆疊包括襯底(12)上的多個薄膜層，所述方法包括 施加雷射束(30)的脈衝到所述膜堆疊(13)上，其中所述雷射束(30)具有在完成預定功率周期的脈衝期間作為時間的函數而變化的功率，其中所述脈衝持續大約0. I納秒至大約500納秒；以及 跨所述膜堆疊(13)重複所述雷射束(30)的脈衝以形成通過所述襯底(12)上的薄膜層中的至少一個的劃刻線(44)。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述功率周期限定不同於第二功率水平的第一功率水平，其中所述第一功率水平配置成劃刻所述襯底(12)上的第一薄膜層，並且其中所述第二功率水平配置成劃刻下面的第二薄膜層。
3.如權利要求I所述的方法，其中所述功率周期限定不同於第二功率水平的第一功率 水平，其中所述雷射束(30)的功率對於是所述脈衝的大約10%至大約90%的第一持續時間保持在所述第一功率水平。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述雷射束的功率對於第二持續時間保持在所述第二功率水平，所述第二持續時間短於所述第一持續時間，並且其中所述第一功率水平小於所述第二功率水平。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述第二持續時間是所述脈衝的大約0.5%至小於所述脈衝的50%。
6.如權利要求3所述的方法，其中所述功率周期進一步限定第三功率水平，其不同於所述第一功率水平和所述第二功率水平兩者，其中所述雷射束(30)的功率對於是所述脈衝的大約0. 001%至大約50%的第三持續時間保持在所述第三功率水平。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述雷射束(30)的功率對於所述脈衝持續時間的大約0. 01%至大約25%保持在所述第三功率水平。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述第一功率水平小於所述第三功率水平和第二功率水平兩者。
9.如權利要求8所述的方法，其中在所述脈衝的功率周期中，所述第三功率水平在順序上是在所述第一功率水平之前，並且其中在所述脈衝的功率周期中，所述第一功率水平在順序上是在所述第二功率水平之前。
10.一種雷射劃刻基於碲化鎘薄膜的光伏器件的方法，所述方法包括 提供基於碲化鎘薄膜的光伏器件(10)，其中所述基於碲化鎘薄膜的光伏器件(10)包括玻璃頂板(12)和膜堆疊(13)，所述膜堆疊(13)包括所述玻璃頂板(12)之上的透明導電氧化物層(14)、所述透明導電氧化物層(14)之上的高阻透明緩衝層(16)、所述高阻透明緩衝層(16)之上的硫化鎘層(18)以及所述硫化鎘層(18)上的碲化鎘層(20)； 施加雷射束(30)的脈衝到所述膜堆疊(13)上，其中所述雷射束(30)具有在根據預定功率周期的脈衝期間作為時間的函數而變化的功率，其中所述脈衝持續大約0. I納秒至大約500納秒；以及 跨所述基於碲化鎘薄膜的光伏器件(10)重複所述雷射束(30)的脈衝以在所述膜堆疊(13)中形成劃刻線。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述功率周期限定不同於第二功率水平的第一功率水平，其中所述雷射束(30)的功率對於是所述脈衝的大約10%至大約90%的第一持續時間保持在所述第一功率水平。
12.如權利要求11所述的方法，其中在所述脈衝的功率周期中，所述第一功率水平在順序上是在所述第二功率水平之前。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述雷射束(30)的功率對於第二持續時間保持在所述第二功率水平，所述第二持續時間短於所述第一持續時間，並且其中所述第一功率水平小於所述第二功率水平。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述功率周期進一步限定第三功率水平，其不同於所述第一功率水平和所述第二功率水平兩者，其中所述雷射束的功率對於是所述脈衝的大約0. 5%至大約50%的第三持續時間保持在所述第三功率水平。
15.如權利要求14所述的方法，其中在所述脈衝的功率周期中，所述第三功率水平在順序上是在所述第一功率水平之前，並且其中在所述脈衝的功率周期中，所述第一功率水平在順序上是在所述第二功率水平之前。
全文摘要
本公開涉及劃刻光伏器件期間隨時間改變雷射強度的方法。提供用於雷射劃刻包括襯底(12)上的多個薄膜層的膜堆疊(13)的方法。雷射束(30)的脈衝施加於該膜堆疊(13)，其中該雷射束(30)具有在根據預定功率周期的脈衝期間作為時間的函數而變化的功率。例如，該脈衝可以具有持續大約0.1納秒至大約500納秒的脈衝。雷射束(30)的該脈衝可以跨膜堆疊(13)重複以形成通過襯底(12)上的薄膜層中的至少一個的劃刻線。這樣的方法在雷射劃刻基於碲化鎘薄膜的光伏器件(10)方面特別有用。
文檔編號B23K26/36GK102744520SQ20121012999
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者J·M·弗裡 申請人:初星太陽能公司