太陽能電池以及用於生產太陽能電池的設備和方法

2023-05-07 10:38:56 1

太陽能電池以及用於生產太陽能電池的設備和方法
【專利摘要】本發明涉及太陽能電池以及用於生產太陽能電池的設備和方法。此外，本發明還涉及太陽能電池中的材料層。根據本發明的太陽能電池包括至少一個具有由雷射燒蝕產生的表面的層，其中，產生的均勻表面區域包括至少0.2dm2的面積並且已經通過採用超短脈衝雷射沉積而形成該層，其中用包括至少一個用於反射所述雷射束的鏡的旋轉光學掃描器來掃描脈衝雷射束。
【專利說明】太陽能電池以及用於生產太陽能電池的設備和方法
[0001]本申請是申請日為2007年2月23日，申請號為200780006361.5，發明名稱為「太陽能電池以及用於生產太陽能電池的設備和方法」的發明專利申請的分案申請。

【技術領域】
[0002]本發明大體上涉及太陽能電池、太陽能電池中的材料層、太陽能電池的生產方法、以及用於生產太陽能電池的製造設備(arrangement)。更具體地，本發明涉及獨立權利要求的前序部分中所披露的內容。

【背景技術】
[0003]太陽能電池提供了一種產生能量的生態方法，因此，其處於快速發展階段。太陽能電池通常由光伏電池製成。光伏電池具有至少一個其中吸收光的光子的半導體層。光的吸收使電子或空穴傳送到更高的傳導能量水平，並且這種能量能夠被用作電流。
[0004]為將形成的電流傳導出太陽能電池，在半導體層的兩側必須有導電層。位於太陽能電池輻射表面處的導電層必須允許光進入半導體層。通常將太陽能電池分為串聯連接或並聯連接的多個小電池。在這種情況下，可對多個導電層以及半導體層進行設計以提供所需電路。
[0005]太陽能電池的輻射表面進一步被一層或多層所塗敷以為太陽能電池提供抗反射表面並保護太陽能電池不受環境中的機械、化學以及物理應力。這種表面可以是耐輻射玻璃或塑料製品。例如，玻璃層可包括由濺射、納米熱氣霧表面技術(nHALO)以及通過ALD技術製成的自淨T12塗層。可將最外層的保護層整合在太陽能電池中或可將它們與電層(electrical layer)隔離。
[0006]在提交本專利申請時，有兩種用於生產太陽能電池的主要技術。在第一種技術中，使用矽或一些其他半導體材料作為襯底，並在襯底上設置另一些層。到目前為止，這種技術是最常用的。然而，矽襯底的生產以及用本製造技術形成另一些層的費用很高。而且，大的太陽能電池的重量變得很大，並且大的太陽能電池對機械應變相對敏感。這些缺點阻礙了太陽能電池的使用增加。
[0007]用於生產太陽能電池的另一種技術是基於使用一些其他襯底並產生半導體層和其他層作為襯底上的薄膜。該襯底可以是例如玻璃或塑料。在襯底被製成可透過的情況下，可以將襯底用作太陽能電池的輻射表面。以這種技術製成的太陽能電池具有較輕的重量並且對機械應力不那樣敏感。然而，其在達到足夠的效率方面存在問題:通常僅有少於10%的光能能夠被轉化為電能。產生這種情況的一個原因在於產生的多個層的非同質性(non-homogeneity)。因此福射層的可透過的度不足。此外，半導體層的非同質性會導致能量的損失。
[0008]導致效率低的一個問題在於這樣一個事實:半導體層的接合處(junct1n)具有特定的電勢閾值，並且光子的能量僅能轉化為相應於勢能閾值的能量值。太陽光具有寬的波長光譜，並且因此光子具有寬的能量範圍。如果光子的能量低於半導體的接合處的閾值電勢，則光子不能被轉化為電能。另一方向，如果光子的能量高於半導體接合處的閾值電勢，則光子根據勢電閾值被轉化為能量，但超過閾值的光子的能量被轉化為熱。
[0009]可通過提供多個連續、可透過的半導體層來解決將寬光譜的射線轉化為電能的問題，其中，每對半導體層提供用於將光轉化為電的接合處。距輻射表面最近的半導體接合處具有最高的閾值電勢，並且當射線進入下一接合處時，該閾值電勢下降。通過這種方法可以在具有接近光子能量的閾值電勢的結合處將光子轉化為電流，並且這種方法具有較高的效率。然而，製造多個連續、可透過的半導體層是很困難的。如果層的表面不夠光滑，則光會在每一連接層處被反射，從而降低了效率。此外，由於例如層中的短路點以及電場的不均勻分布，半導體層的非均質性也會導致電能的損失。
[0010]另外，生產太陽能電池的輻射表面處的保護層也是困難且昂貴的。該工藝慢且需要與製造太陽能電池的電子部件分開進行。在不同的工藝和/或組裝階段中操作該部件會產生汙染的風險，並因此進一步損失最終產品的效率。
[0011]由於需要生產大表面的多個層，所以當生產大的太陽能電池時，上述所有問題均變得更加困難。已知技術適用於生產小尺寸的電池(例如，面積最多為幾平方釐米)，但是在將已知技術應用於生產具有大表面的層的太陽能電池時，表面的質量和材料的非均質性將變得更差。
[0012]本 申請人:對在太陽能電池的生產過程中使用雷射冷燒蝕的可能性進行了研究。近年來，雷射技術的相當大的發展為生產基於半導體纖維的非常高效的雷射系統提供了手段，從而支持了所謂的冷燒蝕方法的發展。冷燒蝕基於形成短寬度(諸如皮秒範圍)的高能量雷射脈衝，並將該脈衝指向靶材料的表面。因此，從雷射束擊中靶處的區域，等離子體流(plasma plume)被燒蝕。冷燒蝕的應用包括例如塗敷和機械加工。
[0013]當採用新的冷燒蝕時，通過在靶上聚焦雷射功率增加的雷射束並降低光斑尺寸(spot size)來處理與塗敷、薄膜生產以及切割/開槽/雕刻等有關的質量和生產率的相關問題。然而，功率增加中的大部分被消耗為噪聲。儘管一些雷射器製造商解決了與雷射功率相關的問題，但仍然存在與質量和生產速率有關問題。只能以超出工業可行性的低重複頻率(repetit1n rate)、窄掃描寬度以及長工作時間來生產塗敷/薄膜以及燒蝕/開槽/雕刻等的典型樣品，尤其是大體積的樣品。
[0014]由於脈衝的能含量(S卩，脈衝的功率)隨脈衝寬度的減少而增加，所以問題隨雷射脈衝寬度的減少而顯著增加。儘管未如此將其應用於冷燒蝕方法中，但甚至對於納秒脈衝雷射也顯著地發生問題。
[0015]脈衝寬度進一步減少到飛秒(毫微微秒)級或甚至到阿秒(微微微秒，atto-sencond)級使問題變得幾乎不可解決。例如，在脈衝寬度為10_15ps的皮秒的雷射系統中，當雷射的總功率為100W以及重複頻率為20MHz時，10-30 μ m的斑點的脈衝能量為5μ J0根據作者目前為止的知識，在本申請的 優先權日:之前，沒有能夠承受這樣的脈衝的纖維。
[0016]現有技術的雷射處理系統大多通常包括基于振動鏡的光學掃描器。在例如文件DE10343080中披露了這樣的光學掃描器。振動鏡在相對於平行於該鏡的軸的兩個確定角度之間振蕩。當雷射束指向該鏡時，其被以一角度反射，該角度取決於鏡在該時刻的位置。因此，振動鏡將雷射束反射或「掃描」到祀材料的表面的線的點中。
[0017]在圖1a中示出了振動掃描器或「電掃描器」的一個實例。其具有兩個振動鏡，其中之一掃描相對於X軸的束而另一個掃描相對於正交的Y軸的束。
[0018]生產速率直接與重複頻率或垂直頻率成比例。一方面，已知的鏡-膜掃描器(mirror-film scanner)(電掃描器或前後搖擺類型的掃描器),其以通過它們向後和向前運動的特殊方式進行工作循環，鏡在工作循環的兩個末端的停止以及相對於轉折點的加速度和減速度以及相關的瞬時停止這些都限制了鏡作為掃描器的可用性，並且尤其是還限制了掃描寬度。目前的採用電掃描器的塗敷方法能夠產生的掃描寬度最大為10cm，優選地為更小寬度。如果嘗試通過增加重複頻率來提高生產速率，但加速度和減速度將導致窄的掃描範圍或輻射的不均勻分布，並從而導致當射線通過加速和/或減速的鏡擊中靶時產生等離子體。
[0019]傳統地，電流計掃描器(galvanometric scanner)被用於以大約2_3m/s的典型最大速度，實際上為約lm/s的速度掃描雷射束。如果想要通過簡單地增加脈衝重複頻率來增加塗層/薄膜生產速率，則可以不可控制的方式使上述已知的掃描器以在kHz範圍中的低脈衝重複頻率使脈衝指向靶區域的重疊斑點。2MHz的重複頻率時甚至也僅重疊有40-60個連續的脈衝。圖1b示出了這種情況的點111的重疊。
[0020]最糟糕的是，這種方法導致來自靶材料的顆粒的釋放，不是釋放等離子體，而是至少是以顆粒的形式形成等離子體。一旦多個連續的雷射脈衝指向靶表面的相同位置，則累積作用將不均勻地侵蝕靶材料，並會導致靶材料發熱，從而喪失了冷燒蝕的優勢。
[0021]相同的問題應用於納秒範圍的雷射時，由於高能量的長持續脈衝的原因，問題自然更嚴重。這時，靶材料總是發熱，靶材料的溫度被升高到大約5000K。因此，即使僅有一個納秒範圍的脈衝強烈侵蝕靶材料，也將出現上述問題。
[0022]在已知技術中，不僅會使靶被不均勻地損耗，還易於形成碎片並降低等離子體特性。因此，塗敷有這種等離子體的表面也將經受等離子體的有害影響。該表面可以包括碎片、不均勻分布以形成這種塗層的等離子體等，這在要求精確度的應用中是有問題的，但也可能不是問題，以油漆或顏料為例，可將缺陷保持在實際應用的檢出限之下。
[0023]目前的方法在一次使用中將靶消耗完從而不能從相同表面再次使用相同靶。已經通過僅利用祀的未使用過的表面(virgin surface)(通過相應地移動祀材料和/或束斑)解決了該問題。
[0024]在機械加工或相關工作的應用中，包括一些片段的殘餘物或碎屑也會使切削線不均勻並因此不適用，這種情況可能出現在例如流量控制鑽孔中。該表面也可被形成為具有由去除的片段造成的隨機起伏的外觀，在太陽能電池的製造中是不合適的。
[0025]另外，前後移動的鏡-膜掃描器產生負載結構本身的慣性力，但也包括鏡連接到的軸承和/或使鏡移動的軸承的慣性力。這種慣性力會使鏡的連接逐漸變松，尤其是如果該鏡在可能的操作託架(設置，setting)附近的極限範圍處工作時更是如此，並且會導致託架長時間地移動，這可以從產品品質的不均勻重複性中看出。由於運動的停止、以及方向和相關速度的改變，這種鏡-膜掃描器具有非常有限的用於燒蝕和產生等離子體的掃描寬度。儘管操作總是十分慢，但有效工作循環與整個循環相比是相對較短的。從使利用鏡膜掃描器的系統生產率增加的觀點來看，前提是等離子體製造速率低，掃描寬度窄，遂於長時期的操作不穩定，但是產品中仍然有很高的機率出現將不期望的顆粒發射到等離子體中，以及因而發射到通過機械加工和/或塗敷而包括等離子體的產品中。
[0026]可持續發展是前提，所以也應該增加太陽能電池的產品壽命並降低其維護費用。具有一個或多個如下特性的大太陽能電池表面層(尤其是均勻的層)的生產仍然存在未解決的問題:優異的光傳輸性能、耐化學性和/或耐磨性、抗劃傷表面、阻熱性、塗敷附著力、自淨特性以及從電阻率衍生的特性。
[0027]最新的高技術塗敷方法和目前的納秒或冷燒蝕範圍(皮秒、飛秒雷射)的雷射燒蝕都不能為包括較大表面的玻璃製品的工業化規模塗敷提供任何可行的方法。目前的CVD和PVD塗敷技術需要在高真空條件下使塗敷工藝分批進行，從而對於太陽能電池的工業化規模生產是不可行的。另外，在待塗敷的材料和待燒蝕的已塗敷材料之間的距離較大(一般超過50cm)，使得塗敷室變大並且導致真空泵送階段耗時且耗能。在本身的塗敷過程中，這種大體積的真空室也容易被塗敷材料汙染，所以需要連續且耗時的清潔處理。
[0028]儘管人們試圖在目前的雷射輔助塗敷方法中增加生產率，但出現了各種缺陷，諸如:短路缺陷因素、針孔、表面粗糙度增加、光學傳輸性降低或消失、層表面上的微粒、表面結構中影響腐蝕路徑的微粒、表面均勻性降低、附著力降低等。
[0029]在圖2a和2b中示出的是具有相關質量問題的等離子體，其表示根據已知技術生產的等離子體。雷射脈衝214擊中靶表面211。由於脈衝是長脈衝，所以深度h和光束直徑d具有相同的大小，正如脈衝214的熱也加熱了擊中點區域處的表面以及表面211之下深於深度h的深度的區域。構建經熱衝擊和拉伸的結構，一旦將其打破，就會產生如F所示的碎片。由於實例中的等離子體質量非常差，所以這也表現出由多個小點215示出的它們的分子和團簇，同樣，對於數字215相關參考的核或團簇的類似結構，正如由圖2b示出的由氣體216形成的。字母「ο」表示的是能夠從氣體和/或通過凝聚形成並生長的顆粒。釋放出的碎片也可通過凝結和/或凝聚生長，其由從點到F以及從多個ο到F的彎曲的箭頭表示。彎曲的箭頭也可表示從等離子體213到氣體216以及進一步到顆粒215的相變以及尺寸增加的顆粒217。由於圖2b中的燒蝕流可包括碎片F以及由蒸汽和氣體構成的顆粒，由於產生較差的等離子，則作為為等離子體區域的等離子體是不連續的，因此質量的變化可在單個脈衝流中得到滿足。由於在深度h之下以及導致變化的深度(圖2a)的組合和/或結構的缺陷，圖2b中的靶表面211不可再一次進行燒蝕，所以儘管還有一些材料可以用，但靶被浪費掉了。


【發明內容】

[0030]本發明的一個目的在於提供太陽能電池，以及生產它的設備和方法，其中，避免或減少了現有技術中的缺點。
[0031]所以本發明的目的是提供用於通過脈衝雷射沉積產生具有確定表面的層的技術從而使待塗敷的均勻表面區域包括至少0.2dm2。
[0032]本發明的第二個目的是提供新的太陽能電池產品，其中，層是通過脈衝雷射沉積產生的以使待塗敷的該層的均勻表面區域包括至少0.2dm2的面積。
[0033]本發明的第三個目的是解決怎樣實際地向將用於太陽能電池產品的靶提供可用的良好等離子體，以使靶材料一點也不形成等離子體的任何顆粒碎片的問題，即，等離子體是純淨的等離子體，或者是碎片，即使碎片存在，也是極少的並且在尺寸上至少小於通過燒蝕所述靶產生的等離子體的燒蝕深度。
[0034]本發明的第四個目的是提供至少一種解決怎樣提供具有高質量等離子體而沒有在尺寸上大於通過燒蝕所述靶產生的等離子體(即，以純淨的等離子體塗敷襯底)的燒蝕深度的顆粒碎片的太陽能電池產品中的層的均勻表面區域的新方法和/或相關設備(means)。
[0035]本發明的第五個目的是通過所述純淨等離子體向玻璃產品的均勻表面區域提供塗層的良好附著，以通過限制顆粒碎片的存在或限制其尺寸小於燒蝕深度來抑制顆粒碎片的動能浪費。同時，由於顆粒碎片的以明顯的方式不足，其不會形成能夠通過成核和凝結相關現象影響等離子體流均質性(homogeneity)的冷表面(cool surface)。
[0036]本發明的第六個目的是以工業方式提供以解決怎樣在具備良好等離子體質量的同時提供寬的掃描寬度以及寬的塗層寬度甚至大的太陽能電池體的問題的至少一種新方法和/或相關設備。
[0037]本發明的第七個目的是根據本發明上述目的提供解決怎樣提供高重複頻率以用於工業化規模應用的問題的至少一種新方法和/或相關設備。
[0038]本發明的第八個目的是根據第一到第七個目的提供解決怎樣為均勻玻璃表面的塗敷提供高質量的等離子體以製造太陽能電池產品，並節省在塗敷階段產生的所需相同質量的塗層/薄膜所使用的靶材料的問題的至少一種新方法和/或相關設備。
[0039]本發明的另一個目的是利用根據前述多個目的的這種方法以及設備來解決怎樣冷加工和/或產生太陽能電池的層的問題。
[0040]本發明基於這樣一個驚人發現:通過採用以其中脈衝雷射束被包括至少一個用於反射該雷射束的鏡的旋轉光學掃描器掃描的方式的超短脈衝雷射沉積來生產包括大表面的太陽能電池產品的層，其具有工業化的生產速率和優異的質量，關於以下的一個或多個技術特徵，例如光傳輸性、耐化學性和/或耐磨性、抗劃傷特性、阻熱和/或導電性、電阻率、塗敷附著、自淨特性、無顆粒塗敷、無針孔塗敷、以及電子傳導性。另外，因為以再利用的方式對用過的已殘留高塗敷結果的靶材料進行燒蝕，本方法實現了靶材料的節約利用。本發明還實現了在具有高塗敷特性的同時，在低真空條件下產生產品層。另外，所需的塗敷室體積明顯小於競爭方法所採用的塗敷室體積。這種特性顯著降低了全部設備的成本，並增加了塗層生產率。在許多優選情況下，可以將塗敷設備以聯機(online)的方式安裝到生產線中。
[0041]更具體地，本發明的目的是通過提供用於通過雷射燒蝕至少一個具有表面並被將被用作太陽能電池的部件的層的產生方法來達到的，該太陽能電池的特徵在於將產生的表面積至少包括0.2dm2的面積，並通過採用其中包括至少一個用於反射該雷射束的鏡的旋轉光學掃描器來掃描脈衝雷射束的超短脈衝雷射沉積而進行塗敷。
[0042]本發明還涉及包括至少一個具有表面的層並由雷射燒蝕產生的太陽能電池，其特徵在於產生的均勻表面區域包括至少0.2dm2的面積，以及通過採用其中以包括至少一個用於反射該雷射束的鏡的旋轉光學掃描器掃描脈衝雷射束的超短脈衝雷射沉積來產生該層。
[0043]在獨立權利要求中描述了本發明的一些實施方式。
[0044]在本專利申請中，術語「光」是指任意能用於冷燒蝕的電磁輻射以及「雷射」是指相干(coherent)的光或產生這種光的光源。因此不以任何方式將「光」或「雷射」限制為光譜的可見光部分。
[0045]在本專利申請中，術語「超短脈衝雷射沉積」是指在靶表面的一個確定點一次被小於Ins (優選地，小於10ps)的時間周期的雷射束輻射。這種曝光可以在靶的相同位置處重複。
[0046]在本專利申請中，術語「塗敷」是指在襯底上形成任意厚度的材料層。因此，塗敷也可指產生具有例如〈I μ m的厚度的薄膜。
[0047]在本專利申請中，術語「表面」是指層、塗層和/或其中該表面可以是外表面或可形成其他層/塗敷/襯底的界面的表面。該表面也可以是半成品的表面，該半成品可以被進一步處理以完成成品。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]通過下面的詳細描述並通過參照附圖將使本發明的描述以及其他優點將變得顯而易見:
[0049]圖1a示出了採用本領域的冷燒蝕塗層/薄膜生產技術以及機械加工和其他相關工作應用的示例性電掃描器裝置；
[0050]圖1b示出了其中以2MHz的重複頻率在掃描雷射束中採用電流計掃描器導致脈衝的嚴重重疊的情況；
[0051]圖2a示出了已知技術的等離子體相關的問題；
[0052]圖2b示出了已知技術的等離子體相關的另一個問題；
[0053]圖3示出了為太陽能電池生產的示例性層；
[0054]圖4示出了根據本發明的用於利用脈衝雷射技術產生一個太陽能電池的層的示例性設備；
[0055]圖5示出了根據本發明的用於使用脈衝雷射技術產生太陽能電池的多個層的示例性設備；
[0056]圖6a示出了在根據本發明的方法中採用的一種可能的渦流掃描器鏡；
[0057]圖6b示出了圖6a的實施例中的每個鏡實現的燒蝕束的移動；
[0058]圖7示出了根據本發明採用的通過一個可能的旋轉掃描器的光束制導；
[0059]圖8a示出了根據本發明採用的通過另一個可能的旋轉掃描器的光束制導；
[0060]圖Sb示出了根據本發明採用的通過又一個可能的旋轉掃描器的光束制導；
圖9示出了具有一個旋轉鏡的掃描器910，其中鏡914被安排為以沿轉軸916的軸旋轉，另外，圖9還示出了鏡的側視圖和端視圖；
[0061]圖1Oa示出了根據本發明的實施方式，其中，通過以旋轉掃描器(渦流掃描器)掃描雷射束來燒蝕靶材料；
[0062]圖1Ob示出了圖1Oa的靶的示例性部件；
[0063]圖1Oc示出了圖1Ob的靶材料的示例性燒蝕斑；
[0064]圖11示出了根據本發明以旋轉掃描器掃描並燒蝕靶材料的示例性方法。

【具體實施方式】
[0065]上述圖la、圖lb、圖2a以及圖2b已經在現有技術中被描述過。
[0066]圖3示出了太陽能電池的示例性層，其基於薄層技術。襯底360可以是例如玻璃或塑料材料。在太陽能電池的輻射表面處有抗反射層362。也可以是用於保持外表面清潔並保護其不受環境壓力的其他層或附加的層。在襯底360的內表面處有導電層364，其可根據電路圖以及太陽能電池的劃分(partit1ning)來設計。優選地,導電層是可透過的和/或導電線由窄導線製成，該窄導線僅覆蓋表面的一小部分。接下來，在導電層之上有一個或多個半導體層366。最後，是用於提供太陽能電池的第二電勢的布線的另一導電層368。如果在該導電層之後不再有半導體層，則第二導電層不需要是可透過的。在第二導電層的表面處也可有附加的保護層。
[0067]如果用半導體襯底生產太陽能電池，則存在類似順序的類似層，而該生產是以半導體襯底開始並在該襯底上產生其他層來實現的。
[0068]圖4示出了以雷射燒蝕處理材料的示例性系統。由雷射源44形成雷射束並用旋轉光學掃描器10朝向靶掃描該雷射束。靶47成帶狀，其從進料輥(feed roll) 48纏繞到出料輥(discharge roll)46。靶由在燒蝕的位置上具有開口 52的支持板51支持。但是，可替代地，靶可以不是帶狀的諸如旋轉柱面的其他形狀的靶材料。當從掃描器接收到的雷射束49擊中靶時，材料被燒蝕，並且提供等離子體流。襯底50被設置在等離子體流中。從而用靶材料層對襯底進行塗敷。如果在沉積之後對層進行了機械加工，則這可以由雷射束來進行。
[0069]以許多其他可替代結構以及設備提供雷射燒蝕也是可能的。例如，從襯底下方或上方或從下方和上方提供沉積是可能的。也可以使用設置在可透過的片材(sheet)上的靶材料。在這樣的設備中，可將靶材料非常靠近襯底設置並通過片材的可透過的部分將雷射束提供到靶。如果靶材料是片材處的薄膜，則可朝向襯底進行燒蝕。可通過在可透過的薄板上燒蝕靶材料而首先產生靶片材。
[0070]圖5示出了用於生產太陽能電池的層的示例性生產線安排。該安排包括位於同一個處理室510中的五個雷射處理單元571-575。在處理單元上方的是用於將襯底581-585沿該生產線傳送的輸送機591。每個處理單元對襯底提供確定的處理。多個處理單元可產生多個層或可向襯底或產生的多個層提供雷射機械加工。當然，在生產線中也可以有其他類型的處理單元。本發明的一個重要優點在於能夠在同一條生產線上在同一個室中沉積不同材料的多個層。其甚至能夠提供可能所需的雷射圖案。當在同一個室中產生所有或大部分的層時，由於半成品的操作造成的汙染或其他缺陷是最小的。
[0071]接下來，將對適用的旋轉掃描器的物理依據和結構進行描述。
[0072]根據本發明，提供了一種用於通過雷射燒蝕提供具有確定表面的太陽能電池的層的方法，在該方法中，待塗敷的表面積包括至少0.2dm2並通過採用超短脈衝雷射沉積來實施沉積，其中，以包括至少一個用於反射該雷射束的鏡的旋轉光學掃描器來掃描脈衝雷射束。
[0073]超短雷射脈衝沉積通常簡寫為USPLD。該沉積也被稱為冷燒蝕，其特徵之一是例如與競爭納秒雷射相反，實際上沒有從露出的靶區域到該區域周邊的熱傳遞發生，雷射脈衝能量仍然足以超過祀材料的燒蝕閾值。脈衝長度通常在50ps以下(例如5ps - 30ps,即，超短的)，冷燒蝕現象是通過皮秒以及飛秒和阿秒脈衝雷射實現的。通過雷射燒蝕從靶蒸發出的材料被沉積到保持在接近室溫的襯底上。暴露面積上的靶材料的等離子體溫度仍然達到1，000，000K。等離子體速度是優異的，達到100，000m/s，並因此導致產生了更好的塗層/薄膜的附著。在本發明的一種更優選的實施方式中，所述均勻表面面積包括至少0.5dm2。在本發明的另一種更優選的實施方式中，該均勻表面面積包括至少1.0dm2。本發明也容易地實現了包括諸如Im2及以上的大於0.5m2的均勻塗敷表面的產品的塗敷。該工藝對用於具有高質量等離子體的太陽能電池的層的大表面進行塗敷特別有利。
[0074]在工業化應用中，達到高效率的雷射處理是非常重要的。在冷燒蝕中，為了促進冷燒蝕現象，雷射脈衝的密度必須超過預定閾值。該閾值取決於靶材料。為達到高處理效率以及由此帶來的高工業生產率，脈衝的重複頻率應該是高的，諸如達到1MHz，優選大於2MHz以及更優選大於5MHz。如前所述，不使多個脈衝指向靶表面的相同位置是有利的，因為伴隨者會導致低質量的等離子體、以及由此帶來的低質量塗層和薄膜、不期望的對靶材料的侵蝕、可能的對靶材料的加熱等的顆粒沉積，這會導致靶材料中的累積效應。所以，為達到高效率的處理，還需要具有高掃描速度的雷射束。根據本發明，位於祀表面的光束的速度一般應大於10m/s，並優選大於50m/s以及更優選大於100m/s，甚至達到2000m/s的速率以進行有效處理。
[0075]圖6a示出了旋轉渦流掃描器的一個實例，其可用於實施本發明。根據該實施方式，旋轉光學掃描器包括至少三面用於反射雷射束的鏡。在本發明的一種實施方式中，在塗敷方法中採用了圖5所示的多邊形稜鏡。此處，多邊形稜鏡具有多個面21、22、23、24、25、26,27以及28。箭頭20指示該稜鏡能夠沿其軸19旋轉，該軸是稜鏡的對稱軸。當圖6a的稜鏡的面是鏡面時，為達到掃描線進行有利的傾斜，由於稜鏡沿其軸旋轉，可通過反射的方法，使每個面按其順序的排列使入射到稜鏡的鏡表面的射線的方向改變，在其射線傳輸線中，該稜鏡可應用在根據本發明實施方式的方法中作為旋轉掃描器(即，渦流掃描器)的一個部件。圖6a示出了 8個面，但可明顯地多於這些面，甚至是數十倍或數百倍。圖6a還示出了鏡對於軸是相同傾斜角度，但尤其是在包括多個鏡的實施方式中，該角度可逐步(in steps)發生改變,可通過在確定範圍內以步進(stepping)的方式在祀上實現工作位置(work spot)上的確定步進偏移(stepped shift),如圖6b所示。關於例如潤流掃描器鏡的各種設備的尺寸、形狀、以及雷射束反射鏡的數量，不限於本發明的不同實施方式。
[0076]圖6a的渦流掃描器的結構包括沿中心軸19對稱布置的至少2面鏡，優選多於6面鏡，例如8面鏡(21到28)。由於渦流掃描器中的稜鏡21使20繞中心軸19旋轉，所以這些鏡將從點29反射的射線(例如雷射束)精確地導向至線形區域上，該射線通常起始於一個方向和相同方向(圖6b)。渦流掃描器的鏡結構可以是不傾斜(圖7)的或以所需角度傾斜，例如圖8a和圖Sb。可以自由選擇渦流掃描器的尺寸和比例。在塗敷方法的一種有利的實施方式中，其周長為30cm、直徑為12cm,並且高為5cm。
[0077]在本發明的一種實施方式中，渦流掃描器的鏡21-28優選位於與中心軸19具有傾斜角度的位置是有利的，因為接下來可將雷射束容易地導入掃描器系統中。
[0078]在根據本發明的實施方式將採用的渦流掃描器(圖6a)中，鏡21-28可以這樣的方式彼此偏離:在旋轉運動一圈期間，其掃描與鏡21-28 —樣多的線形區域(圖6b) 29。
[0079]根據本發明的一種實施方式，此處的旋轉光的意指包括至少一個用於反射雷射束的鏡的掃描器。在專利申請FI20065867中描述了這種掃描器以及其應用。圖9示出了具有一個旋轉鏡的掃描器910。鏡914被安排為以沿轉軸916的軸旋轉。圖9還示出了鏡的側視圖和端視圖。該鏡為圓柱形，略向轉軸916的軸偏斜。鏡被示作傾斜的圓柱是為了更好的使鏡的形狀完全可見，以及因此鏡的末端(end)也是傾斜的。但是，也可具有垂直於旋轉軸的邊緣。光學掃描器具有位於轉軸處的連接鏡的軸心棒。可用例如末端板或輪輻(spoke)(圖中未示出)將鏡連接到旋轉軸。
[0080]圖1Oa示出了採用快速旋轉掃描器的皮秒範圍脈衝雷射燒蝕靶材料來實現與相鄰脈衝略微重疊的靶材料的燒蝕，其可避免與現有技術的電掃描器相關的問題。圖1Ob示出了被燒蝕的材料的一部分的放大圖，清楚地示出了在X軸和I軸上材料是平滑的並受控燒蝕，因此產生高質量、無顆粒等離子體以及進一步高質量薄膜和塗層。圖1Oc示出了由一個或幾個脈衝實現的單個燒蝕斑的可能的X和y維度的一個實例。此處，可以清楚地看到，本發明以其中燒蝕斑的寬度總是比燒蝕斑區域的深度大得多的方式實現材料的燒蝕。理論上，可能的顆粒(如果其能夠被產生)可具有最大尺寸的斑深度。現在旋轉掃描器實現了高質量的具有高生產速率的無顆粒、同時具有大的掃描寬度的等離子體的生產，這對包括大表面積的待塗敷的襯底尤其有利。另外，圖10a、圖1Ob以及圖1Oc清楚地示出了:與現有技術相反，已被燒蝕過的祀材料區域可再次被燒蝕以產生新的高級的等離子體(high classplasma),因此從根本上降低了所有塗層/薄膜的生產成本。
[0081]圖11示出了其中通過採用皮秒USPLD雷射實施塗敷以及以渦流掃描器掃描雷射脈衝的實施例。此處，掃描速度是30m/s，雷射光斑寬度是30μπι。在本實施例中，在相鄰脈衝之間有1/3的重疊。
[0082]接下來，將對適合用作太陽能電池的層的靶材料進行描述。可透過的導電材料層可由例如氧化銦錫、摻鋁氧化鋅、氧化錫或摻氟氧化錫製成。非可透過的導電材料層可由例如鋁、銅或銀製成。半導體材料層可由例如矽、鍺銦錫氧化物、摻鋁氧化鋅、氧化錫或摻氟氧化錫製成。抗反射塗層可由例如氮化矽或氧化鈦製成。但是，這些僅是常用材料的一些實例。接下來，將對另一些可替代的材料進行更詳細的討論。
[0083]有利的金屬氧化物包括例如氧化鋁以及其不同複合物，例如鋁鈦氧化物(ΑΤ0)。由於其電阻率，具有高質量的高光傳輸氧化銦錫(ITO)尤其適合用於其中可採用塗層以使塗敷的表面變暖的應用中。其也可被用於陽光控制(solar-control)。乾穩定化的氧化錯是具有優異的光學特性、耐磨性的不同氧化物的另一個實例。
[0084]一些其他的金屬也可被用於太陽能電池應用中。此處，來源於金屬的薄膜的光特性與塊金屬的光特性有些不同。在超薄膜(厚度< 100 A)中，變量會使光學常數的概念出現問題，從而使塗層(薄膜)的質量和表面粗糙度成為關鍵技術特徵。用本發明的方法能夠容易地生產出這樣的塗層。
[0085]本申請中採用的介電材料包括氟化物(例如，MgF2, CeF3)、氧化物(例如，A1203、T12, S12)、硫化物(例如，ZnS, CdS)以及諸如ZnSe和ZnTe的混合物(複合物)。介電光材料的一個重要的共同特點在於其在光譜的一些相關部分具有非常低的吸收率(α <103/cm)；在該區域，它們必須是可透過的(例如，氟化物和氧化物可見光和紅外線區域，硫化物在紅外線區域)。用本發明的方法能夠有利地產生介電塗層。
[0086]在太陽能電池的前電極中，可透過的導電膜可包括非常薄的金屬或半導體氧化物和/和最近常用的甚至是諸如氮化銦鎵的氮化物。
[0087]傳統上用作可透過導體的金屬包括麼11、？1詘、48、(:11、？6以及附。導電率和透明度的同時優化對薄膜沉積提出了相當大的挑戰。一個極端是具有非常高透明度和非常高電阻率的不連續的島；另一極端是過早聚結(凝結，coalesce)並連續的膜具有高導電率而具有低透明度。因為這些原因，通常使用諸如Sn02、In2O3, CdO,以及更普遍地，使用它們的合金(例如，ΙΤ0)，摻雜的In2O3 (與Sn、Sb)以及摻雜的SnO2 (與F、Cl等)。
[0088]可通過在活性氧氣氛中燒蝕一種或多種金屬或通過燒蝕氧化材料來產生金屬氧化物塗層。甚至在後一個可能性中可通過在活性氧中進行燒蝕以增加塗層的質量和/或生產速率。當產生氮化物時，根據本發明可以使用氮氣氣氛或液氨以增加塗層質量。本發明的一個典型實例是氮化碳(C3N4膜)的產生。
[0089]根據本發明的另一實施方式，以包括超過90原子％的碳的碳材料來產生太陽能電池層的該均勻表面區域，所述碳原子具有多於70%的Sp3雜化(sp3-鍵，sp3-bonding)0這樣的材料包括例如非晶金剛石、納米晶體金剛石或甚至擬單晶金剛石。各種金剛石塗層使玻璃製品具有優異的摩擦特性(tribological )、耐磨性以及耐劃傷特性，但是也增加了熱導性和電阻。玻璃上的金剛石塗層(如果其具有高質量，即，晶體形式)可專門用於太陽能電池中。
[0090]在本發明的又一實施方式中，該均勻表面區域可由包括不同比率的碳、氮化物和/或硼的材料製成。這樣的材料包括硼碳氮化物、碳氮化物(C2N2和C3N4)、氮化硼、碳化硼或B-N, B-C以及C-N相的不同雜化的相。該材料是低密度的類金剛石(diamond-like)材料，是非常耐磨的並通常是化學惰性的。例如在太陽能電池中碳氮化物也用作塗層以在腐蝕環境中保護玻璃製品。
[0091]根據本發明的一種實施方式，僅以一層單一塗層塗敷太陽能電池產品的外表面。根據本發明的另一實施方式，以多層塗層塗敷太陽能電池的該均勻表面。多個塗層是由不同原因而產生的。一個原因是為了增加確定塗層到玻璃製品表面的附著力，可通過製造第一層塗層來實現，其具有到玻璃表面的更好附著力並具有其後的塗層到該層具有比所述第一層塗層到玻璃表面本身更好的附著力的這種特性。另外，多層塗層可具有不具有該結構就無法實現的多種功能。本發明在一個單獨的塗敷室或在相鄰的塗敷室中實現了多個塗層的生產。
[0092]本發明還通過同時燒蝕一個複合材料靶或包括一種或多種物質的兩種或多種靶材料實現了太陽能電池的複合層/塗層的產生。
[0093]燒蝕層的合適厚度是例如在20nm到20 μ m之間，優選在10nm到5 μ m之間。塗層厚度不必限於此，因為另一方面本發明實現了分子級塗層以及另一方面諸如ΙΟΟμπι及以上的非常厚塗層的製備。
[0094]根據本發明，還通過雷射燒蝕提供了包括被塗敷的確定表面的太陽能電池產品，其中，該被塗敷的均勻表面區域包括至少0.2dm2並且該塗敷是通過採用其中以旋轉光學掃描器掃描脈衝雷射束的超短脈衝雷射沉積來進行的，該旋轉光學掃描器包括至少一面用以反射該雷射束的鏡。這些產品帶來的具體優勢已在前述該方法中進行了描述。
[0095]在本發明的一種更優選的實施方式中，該均勻表面面積包括至少0.5dm2。在本發明的另一更優選的實施方式中，該均勻表面面積包括至少1.0dm2。本發明也容易地實現了包括諸如Im2及以上的大於0.5m2的均勻塗敷表面面積的產品。
[0096]根據本發明的一種實施方式，當利用原子力顯微鏡(AFM)從ΙΟΟμπι2的面積掃描時，塗敷在該均勻表面面積上的塗層的平均表面粗糙度小於10nm。
[0097]根據本發明的另一實施方式，該均勻表面區域上產生的塗層的光透射率不小於88%，優選不小於90%並且最優選不小於92%。在一些情況下，光透射率可超過98%。
[0098]根據本發明的又一實施方式，以其中該均勻表面區域以這樣的方式進行塗敷:該均勻表面區域上的該塗層的第一個50%不包括直徑超過100nm的任何顆粒,優選10nm並且最優選30nm。
[0099]根據本發明的一種實施方式，該層包括金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、或它們的混合物。已經在前面的發明的塗敷方法的描述中對可能的金屬進行過描述。
[0100]根據本發明的另一種實施方式，也將玻璃製品的該均勻表面區域用超過90原子％的碳的碳材料來塗敷，所述碳原子包含多於70%的sp3雜化。已經在對本發明的塗敷方法的描述中描述了可能的碳材料。
[0101]根據本發明的另一種實施方式，該均勻表面區域包括不同比率的碳、氮和/或硼。已經在前面的發明的塗敷方法的描述中描述了對這種材料。
[0102]根據本發明的另一實施方式，以有機聚合物材料塗敷該產品的均勻表面區域。已經在前面的發明的塗敷方法的描述中描述了這種材料。
[0103]根據本發明的一種優選實施方式，在玻璃製品的均勻表面上的塗層的厚度在20nm到20 μ m之間，優選地在10nm到5 μ m之間。本發明還實現了包括一個或多個原子層塗層以及諸如超過ΙΟΟμπι,例如Imm的厚塗層的塗敷的玻璃製品。
[0104]在本專利說明書中，由於其能夠使用上述以及本領域的技術人員的一般知識實現，所以沒有對其他雷射燒蝕設備的各種組件結構進行更詳細的描述。
[0105]在上文中，僅對有根據本發明的一些解決辦法的實施例進行了描述。在由權利要求限定的範圍框架內，根據本發明的原則可被自然地修改，例如，對實現的細節以及使用範圍的修改。
[0106]例如，僅對太陽能電池的少數結構作為實例進行了討論。還有許多其他可替代結構的其他類型，其中，該結構包括一個或多個通常是半導體、導電、絕緣以及可透過材料的不同材料的層。當然，也可以將本發明應用到其他類型的結構的太陽能電池中。
【權利要求】
1.一種通過雷射燒蝕產生至少一個具有表面的層並將其用作太陽能電池的部件的方法，其特徵在於，待產生的表面區域包括至少0.2dm2的面積並且塗敷是通過採用超短脈衝雷射沉積來實施的，其中，脈衝雷射束是用包括至少一面用於反射所述雷射束的鏡的旋轉光學掃描器來掃描的。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述表面區域是均勻表面區域。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述表面區域包括至少0.5dm2的面積。
4.一種太陽能電池，包括具有由雷射燒蝕產生的表面的至少一個層，其特徵在於，待產生的均勻表面區域包括至少0.2dm2的面積並且所述層是通過採用超短脈衝雷射沉積而產生的，其中，脈衝雷射束是用包括至少一面用於反射所述雷射束的鏡的旋轉光學掃描器來掃描的。
5.根據權利要求4所述的太陽能電池，其特徵在於，所述表面區域是均勻表面區域。
6.根據權利要求5所述的太陽能電池，其特徵在於，所述均勻表面區域包括至少0.5dm2的面積。
7.一種用於生產太陽能電池的至少一個部件的設備，所述設備包括通過雷射燒蝕產生具有表面的至少一個層的裝置，其特徵在於，待產生的表面區域包括至少0.2dm2的面積並且所述設備包括通過採用超短脈衝雷射沉積來提供層的裝置，其中，所述設備包括用於掃描脈衝雷射束的旋轉光學掃描器，所述旋轉掃描器包括至少一面用於反射所述雷射束的鏡。
8.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述表面區域是均勻表面區域。
9.根據權利要求7或8所述的設備，其特徵在於，所述設備包括用於在同一個室中生產同一個太陽能電池的至少兩個層的裝置。
10.根據權利要求7或8所述的設備，其特徵在於，所述設備包括用於在同一個室中對同一個太陽能電池的層或襯底進行機械加工的裝置。
【文檔編號】H01L31/18GK104167464SQ201410149093
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2007年2月23日 優先權日:2006年2月23日
【發明者】雷約·拉帕萊寧, 韋莎·米呂邁基, 拉塞·普利, 亞裡·魯圖, 尤哈·梅基塔洛 申請人:皮克迪昂有限公司