用于制造具有光伏直立物的三维超颖材料装置的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请案主张以下专利申请案的优先权：2013年3月14日申请的第13/830, 295 号美国专利申请案；2013年3月15日申请的第13/841，687号美国专利申请案；及2013年 4月19日申请的第13/866, 387号美国专利申请案。第13/830, 295号、第13/841，687号及 第13/866,387号美国申请案的全部内容特此以引用方式并入。
技术领域
[0003] 本申请案大体上涉及光伏装置，且更具体来说，涉及制造以大量光伏直立物为特 征的光伏电池的方法。
【背景技术】
[0004] 太阳能是流行的清洁能源，但其一般比其化石燃料竞品（例如，石油、煤炭及天然 气）及其它传统能源（例如，水力发电）更昂贵。通常，太阳能因为具有平面配置的传统光 伏电池通常具有低总效率而相对昂贵。总效率是基于当太阳飞越天空时在一整天中从太 阳能面板产生的总电力。总效率不同于理论效率，所述理论效率为由光伏电池以零入射角 (例如，当太阳在超颖材料正上方时的瞬间）转换成电的光能的分率。因此，需要高总效率 的光伏电池来使太阳能与化石燃料及传统能源具有成本竞争性。
【发明内容】
[0005] 可使用制造及组装的各种实施例方法来生产由多个光伏直立物形成的光伏电池， 所述光伏直立物的光伏材料及导电材料经配置以展现高光子吸收及内反射概率。由于高 光子吸收及内光子反射概率，光伏直立物的光伏电池在将光能转换成电能方面展现高总效 率。实施例光伏电池的高总效率可导致效率增大且导致从光伏电池的电力产生更多。
[0006] 在各种实施例中，印刷技术可用于在制造超颖材料装置时确保高产量及低缺陷。 高产量及低缺陷可减少制造成本以使实施例超颖材料装置能够达到电网平价。在各种实施 例中，芯体或通孔阵列可由原版模板制造。实施例辊到腹板系统及方法可由原版模板产生 子模板或主腹板以保护原版模板免受重复处理，由此减少缺陷。实施例腹板到板系统及方 法可在衬底上由主腹板产生芯体或通孔阵列。主腹板或板可经受进一步处理（沉积光伏 层、导电层等等）以产生实施例超颖材料装置。
【附图说明】
[0007] 并入本文中且构成本说明书的部分的【附图说明】本发明的示范性实施例，且与上文 给出的一般描述及下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
[0008] 图1A为实施例光伏直立物的横截面俯视图。
[0009] 图1B为实施例光伏直立物的横截面侧视图。
[0010] 图2A为定位在平坦衬底上的光伏直立物阵列的实施例超颖材料的透视图。
[0011] 图2B为定位在平坦衬底上的光伏直立物的实施例超颖材料阵列的横截面侧视 图。
[0012] 图3A为实施例超颖材料的透视图，其中光伏直立物阵列定位在波纹化衬底上。
[0013] 图3B为实施例超颖材料的横截面侧视图，其中光伏直立物阵列定位在波纹化衬 底上。
[0014] 图4A为实施例超颖材料的透视图，其中光伏直立物阵列定位在波纹化衬底的交 替倾斜衬底表面上。
[0015] 图4B为实施例超颖材料的横截面侧视图，其中光伏直立物阵列定位在波纹化衬 底的交替倾斜衬底表面上。
[0016] 图5为定位在背对或面向赤道的结构的倾斜平面上的图2A、3A及4A所展示的实 施例的说明。
[0017] 图6A到6H为说明用于形成用于超颖材料装置冲压工艺的光伏直立物阵列的实施 例方法的横截面侧视图。
[0018] 图61到6K为说明用于使用模制工艺形成光伏直立物阵列的实施例方法的横截面 侧视图。
[0019] 图7A、7B及7C为用于形成衬底且在成形衬底上形成芯体阵列的模制工艺实施例 的侧视图。
[0020] 图8为说明图6A到6K及7A到7C所说明的实施例方法的工艺流程图。
[0021] 图9A到9J为说明用于形成用于超颖材料装置的直立物阵列的镀敷工艺的实施例 方法的横截面侧视图。
[0022] 图10说明用于形成实施例超颖材料的实施例镀敷方法。
[0023] 图11A到11L为说明用于通过使用光刻及蚀刻技术产生通孔且随后移除原始衬底 来形成实施例超颖材料的实施例方法的横截面侧视图。
[0024] 图12为说明用于形成图11A到11L所说明的实施例超颖材料的实施例方法的工 艺流程图。
[0025] 图13A到13L为说明用于通过使用光刻及蚀刻技术产生通孔同时使经蚀刻衬底保 持完整来形成实施例超颖材料的实施例方法的横截面侧视图。
[0026] 图13M到130为说明用于使用激光产生通孔的替代实施例方法的横截面侧视图。
[0027] 图14为图13A到13L所说明的实施例方法的工艺流程图。
[0028] 图15A到15J为说明用于通过使用冲压方法产生通孔且使衬底保持完整来形成实 施例超颖材料的实施例方法的横截面侧视图。
[0029] 图15K到15M为用于通过模制衬底且使衬底保持完整来形成实施例超颖材料的横 截面侧视图。
[0030] 图16为用于形成图15A到15J所说明的超颖材料的实施例方法的工艺图。
[0031] 图17为定位在平坦衬底上的光伏直立物阵列的横截面侧视图，其中导电迹线在 短光伏直立物的顶部上。
[0032] 图18为图17的超颖材料的俯视图。
[0033] 图19为定位在平坦衬底上的光伏直立物阵列的横截面侧视图，其中导电迹线在 光伏直立物之间。
[0034] 图20为图19的超颖材料的俯视图。
[0035] 图21为定位在波纹化衬底上的光伏直立物阵列的横截面侧视图，其中导电迹线 在光伏直立物之间。
[0036] 图22A到22F为说明用于将导电迹线添加到超颖材料的外导电层的方法的横截面 侧视图。
[0037] 图23为说明用于在图22A到22F所说明的超颖材料的外导电层上沉积导电迹线 的实施例方法的工艺流程图。
[0038] 图24A到24J为说明用于将导电迹线添加到超颖材料的内导电层的方法的横截面 侧视图。
[0039] 图24K到24M为在将导电迹线添加到超颖材料的内导电层之前使用激光的方法的 横截面侧视图。
[0040] 图25为用于在图24A到24J所说明的超颖材料的内导电层上沉积导电迹线的实 施例方法的工艺流程图。
[0041] 图26为包含波纹化基部的太阳能面板区段中的实施例超颖材料的透视图。
[0042] 图27为根据实施例的具有波纹化基部的太阳能面板的区段的俯视图。
[0043] 图28为根据实施例的具有波纹化基部的太阳能面板的区段的侧视图。
[0044] 图29为根据实施例的具有波纹化基部的太阳能面板的区段的分解图。
[0045] 图30为根据实施例的具有波纹化基部的太阳能面板的区段的后视图。
[0046] 图31为根据实施例的太阳能面板的透视图。
[0047] 图32为根据实施例的太阳能面板的分解图。
[0048] 图33A到33G为说明用于形成用于超颖材料装置冲压工艺的光伏直立物阵列的实 施例方法的横截面侧视图。
[0049] 图34为说明图33A到33G所说明的实施例方法的工艺流程图。
[0050] 图35A为说明实施例辑到腹板系统的系统图。
[0051 ] 图35B到35E为对应于图35A所说明的辊到腹板系统的逻辑图。
[0052] 图36A为说明实施例腹板到板系统的系统图。
[0053] 图36B到36E为对应于图36A所说明的腹板到板系统的逻辑图。
【具体实施方式】
[0054] 将参考附图详细地描述各种实施例。在任何可能之处，相同参考数字将贯穿图式 用于是指相同或类似部件。对特定实例及实施方案的参考是出于说明目的，且不意在限制 本发明或权利要求书的范围。以单数形式（举例来说，使用数词"一（a/an)"或"所述"）对 权利要求元素的任何参考不应被认作将所述元素限于单数形式。术语"实例"、"示范性"或 任何类似术语在本文中用于意指用作实例、例子或说明。对特定实例及实施方案的参考是 出于说明目的，且不意在限制本发明或权利要求书的范围。本文中被描述为"实例"的任何 实施方案未必被认作比另一实施方案优选或有利。
[0055] 如本文中所使用，术语"光伏直立物"是指高度近似地等于1到100微米、直径为 大约0. 2到50微米的近似圆柱形的三维结构，所述三维结构包含夹入在导电内层或芯体与 透明外导电层（例如，TC0及非导电外层）之间的至少一个光伏活性半导体层。使用术语 "直立物"仅仅是因为所述结构具有大于其直径的长度，所述结构具有大体上（平均）圆形 横截面，且所述结构的总尺寸为次微米到数十微米的尺寸。在本文中说明的实施例中，光伏 直立物具有近似圆柱形形状，近似圆柱形形状意指所述结构的外表面的实质部分具有近似 圆形或椭圆形（其中两个半径近似地共存）的横截面。归因于制造可变性，没有一个光伏 直立物的轮廓可为完全圆柱形，但当考虑大量光伏直立物时，平均轮廓为近似圆柱形。在另 一实施例中，光伏直立物可具有如可促进制造的非圆形横截面，例如六边形、八边形、椭圆 形等等。
[0056] 当实施例光伏直立物以有序或无序阵列布置在衬底上时，所得结构可形成超颖材 料结构。如本文中所使用，术语"超颖材料"或"超颖材料衬底"是指衬底上的光伏直立物 阵列。如本文中所使用的超颖材料为经工程设计而具有以特定结构化或非结构化图案而布 置的金属或聚合物的人造材料，其引起不同于组成材料的材料性质（包含光吸收及折射性 质）。可通过控制组成如本文中描述的超颖材料的直立物的形状、几何结构、大小、定向、材 料性质、材料厚度及布置来影响光与光伏直立物阵列相互作用的累积效应。
[0057] 传统平面光伏电池是平坦的。在传统平面光伏电池中，在任何给定时间点吸收有 限数目个光子。从光子进入点起通过传统平面光伏电池的厚度（例如，从上到下）发生光 子吸收，直到光子被转换成电能为止。当光子与光伏层相互作用时，传统平面光伏电池将光 子转换成电能。然而，一些光子在没有产生电子-空穴对的情况下穿过光伏层，且因此表示 损失的能量。虽然可通过使光伏层较厚来增大所吸收的光子的数目，但增大厚度会增大重 组而将其电势转换成热的电子-空穴对的分率。另外，较厚光伏膜展现导致光子转换降低 的指数衰减损失。由于此原因，传统平面光伏电池已强调薄光伏层，其为了增大电子-空穴 对到电流的转换及减少发热而接受减少的光子吸收率。因此，传统平面光伏电池的理论峰 值效率以及总效率受到平面几何结构及可在通过光伏层的最大化光学路径长度中吸收的 光子的未衰减分率的限制。
[0058] 常规平面光伏电池还遭受静态部署（即，无太阳跟踪装备）的低总效率，这是因为 当太阳不在头顶正上方时（即，在正午之前及之后），常规平面光伏电池的瞬时电力转换效 率显著地降低。传统平面光伏电池的峰值效率受到其相对于太阳的定向的影响，所述定向 可取决于一天的时间及季节而改变。用于计算太阳能电池的峰值效率的标准测试条件是基 于最佳条件，例如在正午时或在光源处在电池正上方的情况下测试光伏电池。如果光与表 面成锐角（即，不同于垂直于所述表面）照射传统光伏电池，那么瞬时电力转换效率比峰值 效率少得多。北半球的传统平面光伏电池通常朝向南方倾斜达基于炜度的角度以便改善其 效率。虽然此类固定角度可考虑到归因于炜度的正午太阳角度，但光伏电池在上午及下午 期间（即，一天的大部分时间）以某个角度接收太阳光。因此，当在单个时刻以外的时刻测 量时，传统平面光伏电池实际上引起低总效率及低总电力产生。
[0059] 各种实施例包含展现来自光伏直立物的规则或不规则阵列的超颖材料特性的光 伏电池，所述光伏直立物经配置使得在所述光伏直立物的层内发生光到电的转换。因为光 伏直立物在衬底的表面上方延伸且隔开，所以所述阵列向各种实施例的光伏电池提供体积 光子吸收性质，所述体积光子吸收性质导致超过用传统平面光伏电池可实现的水平的能量 转换性能。所述体积光子吸收性质使各种实施例光伏电池相比于具有相同占据面积的传统 平面光伏电池能够产生更多电力。归因于光伏直立物的小的大小，每一直立物内的光伏活 性层相对薄，从而最小化归因于电子-空穴重组的电力损失。所述薄光伏活性层帮助减少 通常存在于较厚光伏膜中的衰减损失，这是因为光伏直立物包含薄的径向吸收深度及相对 较厚的垂直吸收深度，从而最大化通过组合的长圆周吸收路径长度及短径向电子路径长度 的光子吸收及电力产生。当在衬底上或衬底内以阵列组合个别光伏直立物时，可形成超颖 材料结构，所述超颖材料结构展现导致增大的能量转换效率及电力产生的高光子吸收及内 反射概率。各种实施例结构还提供额外性能增强益处，如将在下文更详细地所描述。
[0060] 可通过定位实施例光伏电池使得光伏直立物的侧壁与入射光子成某个角度来获 得进一步性能增强。这可归因于光子与每一光伏直立物上的外导电层之间的波相互作用而 改善光子将被吸收到光伏直立物中的概率。将实施例光伏直立物定向成与入射光子成某个 角度还会增大光伏直立物暴露于光的圆周光学深度，这是因为在此类定向中，光子照射直 立物的侧而不仅仅是顶部。光伏直立物的离轴光子吸收特性还使实施例光伏电池能够展现 对于间接及散射光的显著总能量转换效率，由此与常规光伏电池相比较增大可用于吸收的 光子的数目。
[0061] 本文中描述的实施例包含光伏电池，所述光伏电池以大致波纹化表面上的光伏直 立物阵列为特征，以便与入射太阳光成某个角度来呈现直立物。本文中描述的另外实施例 包含用于制造以光伏直立物阵列为特征的光伏电池以及将此类光伏电池组装到太阳能面 板中的方法。
[0062] 出于使光伏直立物能够实现峰值功率性能的显著改善的物理学及几何学背景的 目的，现在呈现实施例光伏直立物及对应光伏电池的概览。在上文以引用方式并入的第 13/751，914号美国专利申请案中揭示关于实施例光伏直立物的尺寸、材料以及配置的更多 细节。
[0063] 图1A说明一个光伏直立物101的横截面俯视图，且图1B说明图1A的光伏直立物 101的横截面侧视图。图1A及1B说明进入光伏直立物101的外周边的侧的光子的行进路 径。光伏直立物101可引导所吸收光子112,使得其遵循内部路径113,内部路径113展现光 子归因于全内反射而保持在光伏直立物101内的高概率。光伏直立物可通过控制层103及 111的厚度且通过从外部上的低折射率到每一内层中的较高折射率依据折射率对材料进行 径向排序来展现全内反射，光伏直立物101可折射或引导光子112朝向光伏直立物101的 芯体。因为芯体106可具有高导电性，所以其也具有高反射性，使得其将反射光子112。如 所说明，归因于吸收体层与外导电层103之间的大折射率差，以某个角度照射此边界的光 子将被向内折射。由于这些反射及折射，光子112可在较长时段内被有效捕获在吸收层111 内，由此增大与吸收层11相互作用的概率，从而致使形成电子-空穴对。增大光子吸收概 率可引起实施例光伏电池针对相同量的入射光能产生比常规光伏电池可实现的电流更多 的电流。
[0064] 应注意，图2A到2B所展示的实施例可包含归因于金属芯体106的内反射体。在 其它实施例中，可在芯体106上方施加折射层以实现相同光子反射效应。在此类实施例中， 可在导电芯体上方且在吸收体层下方形成反射层，例如相比于吸收体层具有较低折射率的 半导体或电介质材料层。此折射层可经配置以在反射层与吸收体层之间的界面处反射光 子，且不依赖于离开导电芯体106的反射。举例来说，此类衍射层可由厚度为约500到1500 埃的铝掺杂氧化锌层形成。所反射光子接着折射通过每一层104、105直到其到达外导电层 103为止，其中吸收子层105与外导电层103之间的折射率差致使光子反射回到光伏直立物 的吸收层中。未在外导电层103与吸收子层105之间的边界处被向内反射的所反射光子可 穿过外导电层103,且归因于外导电层103与空气之间的界面处的折射率差而被反射离开 此界面。以任一方式，光子可来回穿过吸收层111而保持在光伏直立物内直到其最终被吸 收或退出直立物为止。
[0065] 每一光伏直立物101是由芯体106 (其可具有导电性或具有导电外表面）、吸收层 111及外导电层1〇3(其通常将为透明导电层，例如透明导电氧化物或透明导电氮化物）组 成。归因于光伏直立物的圆柱形形状，吸收层111围绕芯体106,且外导电层103围绕吸收 层111。虽然展示两个吸收体子层104、105,但应注意，吸收层111可包含任何数目个吸收 体子层或光伏活性材料或光伏材料的组合的区域。举例来说，吸收层111可包含形成p-n 结、p-i-n结或多结区域的多个吸收体子层或区域，其具有如图1A所说明的大体上圆形横 截面。如果吸收层111与三个吸收体子层形成p-i-n结，那么一个子层可为形成p-i-n结 的本征部分。如果芯体106为与单个吸收体子层形成p-n结的半导体芯体，那么吸收层111 可仅包含一个子层。无论数目如何，吸收体子层或区域104、105均可由硅、非晶硅、多晶硅、 单晶硅、碲化镉、砷化镓、砷化铝镓、硫化镉、硒化铜铟及硒化铜铟镓中的一或多者制成。
[0066] p型、本征或η型子层/区域的相对径向位置可在不同实施例中变化。举例来说， 在一个实施例中，Ρ型半导体材料可径向地定位在η型半导体材料内部。在另一实施例中， η型半导体材料可径向地定位在ρ型半导体材料内部。此外，多种材料可用于在吸收层中产 生一系列p-n结及/或η-ρ结或p-i-n结。举例来说，吸收层可包含由ρ型蹄化镉（CdTe) 组成的吸收体子层以及由η型硫化镉（CdS)的组成吸收体子层。在实施例中，吸收层111 可被完全地耗尽。举例来说，形成子层或区域104及子层或区域105的ρ型区域及η型区 域可被完全地耗尽。
[0067] 在实例实施例中，吸收层111可包含ρ型半导体子层105 (例如，ρ型碲化镉）以 及由不同材料组成的η型半导体子层（例如，η型硫化镉）。在另一实例实施例中，一个子 层104可为ρ型区域（例如，ρ型非晶硅），且另一子层105可为由与子层104相同的材料 组成但经掺杂以形成η型半导体的η型区域（例如，η型非晶硅）。
[0068] 外导电层103具有可从吸收层111的外表面到外导电层103的外表面（即，光伏 直立物的外表面）径向地测量的径向厚度。在实施例中，外导电层103为透明导电氧化物 ("TC0"），例如金属氧化物。在实施例中，外导电层103可包含产生ρ型或η型透明导电 氧化物的掺杂剂。举例来说，透明导电氧化物层103可为本征氧化锌、氧化铟锡及氧化镉锡 (Cd2Sn04)中的一者。在实施例中，外导电层103可包含透明导电氮化物，例如氮化钛（TiN)。 在另一实施例中，外导电层103可包含具有或不具有掺杂剂的缓冲剂。外导电层103的一 些实例（其可为具有掺杂剂的透明导电氧化物）包含硼掺杂氧化锌、氟掺杂氧化锌、镓掺 杂氧化锌及铝掺杂氧化锌。可添加到透明导电氧化物的缓冲剂中的一些实例包含锡酸锌 (Zn2Sn04)、二氧化钛（Ti02)及此技术领域中众所周知的类似材料。
[0069] 虽然在图1A到1B中未展示，但外导电层103可包含任何数目个导电及/或非导 电子层以实现特定总光学厚度同时具有薄导电子层。在具有多个子层的情况下，外导电层 103还可受益于增加光伏直立物的柔性以得到更具弹性的光伏直立物超颖材料装置。非导 电子层的添加可具有改善斜角光子吸收效率的折射性质。对原型的分析及观察指示，500与 15, 000埃之间的外导电层导致由光伏直立物中的结构不连续点处的场效应引起的外导电 层中的电阻降低。然而，外导电层103可能需要具有超过500及15, 000埃的最小光学厚度 以实现图1A所展示的光子捕获及引导效应。因此，外导电层1