太阳能电池激光划线方法

太阳能电池激光划线方法
【专利摘要】太阳能电池激光划线方法实现在太阳能板中形成划线以在太阳能板衬底上形成多个互连的电池。多步骤划线操作包括至少一个利用纳秒激光切割操作的步骤。在纳秒激光切割操作之后进行机械切割操作或者另一纳秒激光切割操作。在一些实施例中，多步骤划线操作产生两层划线轮廓，并且该方法防止局部分路并使太阳能板上的有效面积损失最小化。
【专利说明】太阳能电池激光划线方法

【技术领域】
[0001]一般来说，本发明涉及太阳能电池器件，更具体而言，涉及在用于形成太阳能电池器件的太阳能板中形成划线(scribe line)的方法。

【背景技术】
[0002]太阳能电池是用于由日光直接生成电流的光伏组件。由于对清洁能源的需求不断增长，近年来太阳能电池的生产显著扩大并继续扩大。所有的太阳能电池都包括吸收层，一种常见的吸收层是CIGS (铜铟镓硒)。通常在太阳能电池中在吸收层上方设置透明导电氧化物(TCO)膜。TCO膜由于具有多功能性而作为透明涂层和电极的常用材料，并用作太阳能电池的顶部接触件。
[0003]通常以薄膜太阳能板的形式生产太阳能电池。薄膜太阳能板受到欢迎，其原因在于它们的生产不太昂贵并且形成在非常大的衬底上。这些非常大的衬底用作一个太阳能电池可能具有较差的转换效率。因此，通过将太阳能板分离成有效尺寸的太阳能电池而由大太阳能板形成多个互连的或者单独的太阳能电池。在划线工艺中通过划线分离太阳能电池。通过确定划线区域并从划线去除材料来形成划线以分离电池。
[0004]继续寻求用于太阳能板的改进的划线方法。


【发明内容】

[0005]为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种图案化太阳能电池的方法，所述方法包括:提供太阳能板，所述太阳能板至少具有吸收层和位于所述吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；以及使用多步骤工艺在所述太阳能板中形成划线，其中，所述多步骤工艺中的至少第一步骤是纳秒激光切割操作。
[0006]在所述方法中，所述吸收层包含铜铟镓锡(CIGS )。
[0007]在所述方法中，所述太阳能电池还包括位于所述吸收层下面的背电极层，所述背电极层由钥和另一背电极材料中的一种形成，并且形成所述划线包括去除划线区域中的所述TCO层和所述吸收层。
[0008]在所述方法中，所述纳秒激光操作使用约0.1纳秒至100纳秒的脉冲持续时间进行操作。
[0009]在所述方法中，形成所述划线的所述多步骤工艺包括所述纳秒激光切割操作的所述第一步骤和包含机械切割的第二步骤。
[0010]在所述方法中，形成所述划线的所述多步骤工艺包括所述第一步骤和包含另一纳秒激光切割操作的第二步骤。
[0011]在所述方法中，所述第一步骤包括穿过所述TCO层的纳秒激光切割，所述第二步骤包括穿过所述吸收层的纳秒激光切割。
[0012]在所述方法中，所述第二步骤包括穿过所述吸收层的纳秒激光切割和去除所述TCO层的任何残留材料，并且所述第一步骤和所述第二步骤中的至少一个包括使用波长在约200nm至IlOOnm范围内的UV、可见光和IR辐射的激光束的纳秒激光切割操作。
[0013]在所述方法中，所述第一步骤中的纳秒激光的束轮廓形状和所述第二步骤中的纳秒激光的束轮廓形状不同。
[0014]在所述方法中，所述多步骤中的所述第一步骤去除第一宽度的材料，第二步骤去除第二宽度的材料，所述第一宽度大于所述第二宽度。
[0015]在所述方法中，切割生成两层划线轮廓，所述两层划线轮廓包括具有第一宽度的上部和具有第二宽度的下部，所述第一宽度大于所述第二宽度。
[0016]在所述方法中，所述第二宽度在约50微米至100微米的范围内，所述第一宽度比所述第二宽度宽约10微米至30微米。
[0017]在所述方法中，所述纳秒激光切割操作包括约3微焦耳至20微焦耳范围内的功率。
[0018]在所述方法中，所述纳秒激光切割操作使用波长在约200nm至IlOOnm范围内的光辐射。
[0019]根据本发明的另一方面，提供了一种图案化太阳能板的方法，所述方法包括:提供具有堆叠层的太阳能板，所述堆叠层至少包括吸收层和位于所述吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；以及通过仅切割穿过所述堆叠层的厚度的一部分的第一纳秒激光切割操作和切割穿过所述堆叠层的剩余厚度的第二切割步骤来在所述太阳能板中形成划线。
[0020]在所述方法中，所述第二切割步骤包括机械切割操作，并且形成所述划线产生两层划线轮廓，所述两层划线轮廓包括具有第一宽度的上部和具有第二宽度的下部，所述第一宽度大于所述第二宽度。
[0021 ] 在所述方法中，所述纳秒激光切割操作使用脉冲持续时间约为0.8纳秒至30纳秒的激光。
[0022]根据本发明的又一方面，提供了一种对太阳能板划线的方法，所述方法包括:提供具有堆叠层的薄膜太阳能板，所述堆叠层具有一厚度并至少包括吸收层和位于所述吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；确定所述太阳能板的划线区域；使用纳秒激光切割操作在所述划线区域中切割穿过所述堆叠层的上部，从而在所述划线区域中使所述堆叠层的下部保持完整；以及使用另一纳秒激光切割操作和机械切割操作中的一种在所述划线区域中切割穿过所述堆叠层的所述下部。
[0023]在所述方法中，所述纳秒激光切割操作使用波长在约200nm至IlOOnm范围内的光辐射，包括约3微焦耳至20微焦耳范围内的功率，并使用约0.1纳秒至100纳秒的脉冲持续时间进行操作，并且在所述划线区域中切割穿过所述堆叠层的所述下部包括所述机械切割操作。
[0024]在所述方法中，所述吸收层包含铜铟镓锡(CIGS)，并且切割穿过所述下部生成两层划线轮廓，所述两层划线轮廓包括具有第一宽度的上部和具有第二宽度的下部，所述第一宽度大于所述第二宽度。

【专利附图】

【附图说明】
[0025]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据标准实践，附图中的各种部件不必按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种部件的尺寸可以被任意放大或缩小。在整个说明书和附图中相同的数字标号表示相同的部件。
[0026]图1A至图1C是示出根据本发明的实施例的划线的形成的截面图；
[0027]图2A至图2E是示出根据本发明的实施例在太阳能板中形成划线的方法的截面图；
[0028]图3示出根据本发明的方法使用的纳秒激光的各种束轮廓；以及
[0029]图4A至图4E是示出根据本发明的另一实施例在太阳能板中形成划线的另一方法的截面图。

【具体实施方式】
[0030]提供了在太阳能板中形成划线的方法。方法是对光伏结构进行划线以形成单片集成光伏模块。划线将太阳能板分离成个体太阳能电池，并且在一些实施例中这些个体太阳能电池被布置成阵列。在其他实施例中，对太阳能板进行划线以形成串联互连的多个太阳能电池。在一些实施例中，串联连接的太阳能电池所构成的组之间相并联连接。
[0031]目前形成划线的方法包括机械图案化。在机械图案化中，使用划针(stylus)在太阳能板中机械蚀刻出微沟道以形成通常为阵列形式的单个太阳能电池。商用的机械划线方法可能不能形成高质量、明确限定的沟道并且可能导致膜碎裂，膜碎裂减少生成电流的有效面积。膜碎裂产生污染物并通常导致太阳能电池的转换效率降低。
[0032]还使用一些激光图案化方法来形成划线。这些方法利用昂贵的微微秒激光器，并且可能会在TCO或其他顶部电极和底部电极之间形成不期望的分路(shunting)。当前的激光划线技术还导致诸如TCO的导电材料的热熔和散点，这可能在邻近的太阳能电池之间导致不期望的短路。
[0033]本发明的方法利用纳秒激光器(B卩，脉冲频率在纳秒范围内的激光器)，并且本发明提供了用于在太阳能板上形成划线的多步骤工艺。至少一个步骤包括使用纳秒激光器。拥有和操作纳秒激光器相对较便宜(与微微秒激光器相比)，并且本发明的方法实现对太阳能板的层进行划线，几乎没有裂缝或颗粒产生，消除了电池分路的常见原因并使转换效率最大化。本发明的各个实施例包括在第一纳秒激光切割操作之后进行机械划线操作的方法，本发明的其他实施例是在第一纳秒激光切割操作之后进行第二纳秒激光切割操作的方法。在一些实施例中，用于对太阳能板进行划线的多步骤工艺包括两个以上的步骤。
[0034]图1A是示出根据一个实施例在太阳能板中使用的部分膜堆叠件的截面图。在一个实施例中，吸收层2是CIGS (Cu (In，Ga) Se2)吸收层，而在其他实施例中使用其他合适的吸收层。在其他实施例中，使用碲化镉(CdTe )、砷化镓(GaAs )或非晶硅(A-Si)作为吸收层
2。吸收层2是将日光中的光子转化成电流的层。TCO层4设置在吸收层2上方并且用作太阳能电池的顶部接触件，其通常被称为太阳能电池的顶部接触件。顶部接触件是用于电流收集和光增强的透明导电层。在一个实施例中，TCO层4是ITO (铟锡氧化物)，而在其他实施例中，TCO层4是ZnO、AZO、BZO, GZ0、或铟掺杂的氧化镉中的一种。TCO层4和吸收层2均形成为具有各种合适的厚度，并且在各个实施例中个体厚度和总厚度可以发生改变。在一些实施例中，TCO层4直接形成在吸收层2上，而在其他实施例中，诸如CdS缓冲层或ZnS缓冲层的缓冲层介于TCO层4和吸收层2之间，但是在下文中将参照TCO层4直接形成在吸收层2上的实施例来描述和说明本发明。吸收层2设置在背电极层6的上方。在一个实施例中，背电极层6是钥(Mo)层。在其他实施例中，背电极层6由用于在太阳能板和其他组件之间建立欧姆接触的其他合适的材料形成。
[0035]图1B示出在结构中形成初始开口 10之后的图1A的结构。在所示出的实施例中，初始开口 10延伸完全穿过TCO层4并延伸至吸收层2中，但是在其他实施例中得到不同的结果。本发明提供了用于在太阳能板中产生划线的多步骤方法，并且图1B中示出的具有初始开口 10的结构是在根据各个实施例的划线形成的多个步骤中的第一步骤之后形成的开口。图1C示出在已用于形成划线的多个步骤操作中的第二步骤操作之后的结构。而且，图1C示出在执行第二划线形成操作之后的图1B的结构。两层(two-tiered)开口 12包括下部14和上部16，并且两层开口 12延伸完全穿过TCO层4和吸收层2并且表示根据本发明形成的划线轮廓的一种配置。上部16具有宽度20，宽度20大于下部14的宽度22。图1A至图1C以截面图形式示出，并且应该理解形成划线的初始开口 10和两层开口 12沿着被确定为划线区域的区域中的太阳能板的表面延伸。
[0036]如将在下面描述的，根据本发明的各个实施例使用各种方法来形成图1C中的结构。
[0037]图2A示出的结构也是在图1A中示出的结构。吸收层2和TCO层4表示堆叠层26。图2B示出多步骤划线形成操作中的第一步骤并示出使用成型激光束24的切割步骤。根据本文所述的方法，首先确定划线，在本文中描述的激光划线和机械划线方法包括激光或机械划针沿着划线移动。
[0038]成型激光束24是纳秒激光束并对图2A示出的结构执行切割操作以得到图2C所示的结构。在图2B中，成型激光束24延伸穿过TCO层4并开始切割至吸收层2的顶部中。在其他实施例中，成型激光束24延伸不完全穿过TCO层4，并且在又一些实施例中，成型激光束24进一步向下延伸至吸收层2中。吸收层2和TCO层4形成具有总厚度30的堆叠层26，并且在多步骤划线形成操作的第一步骤中，仅去除了总厚度30的一部分。在其他实施例中，堆叠层26包括其他层，诸如一个或多个缓冲层。
[0039]仍参照图2C，在堆叠层26内形成初始开口 10。初始开口 10的厚度可以改变并且取决于总厚度30和TCO层4的厚度，TCO层4的厚度在各个实施例中不同。在一些实施例中，初始开口 10在吸收层2中延伸了深度32，该深度32在各个实施例中在小于10nm至2 μ m的范围中。虽然参照示出的TCO层4直接形成在吸收层2上的实施例来描述本发明，但在其他实施例中，缓冲层介于吸收层2和TCO层4之间，并且在形成初始开口 10时在第一划线操作中随着TCO层4 一起被除去。
[0040]图2D示出根据一个实施例的多步骤划线形成操作中的第二步骤，在该实施例中在第一步骤和第二步骤中都使用了纳秒激光切割操作。图2D示出成型激光束34穿过初始开口 10的底部向下切割至吸收层2中。利用成型激光束34的第二纳秒激光切割操作产生图2E中示出的两层开口。根据一个实施例，图2B中示出的第一纳秒激光切割操作从第一划线区域去除了 TCO层4但没有去除吸收层2，而图2D中示出的第二纳秒切割操作从划线区域去除了吸收层2。第二纳秒激光切割操作清除在初次纳秒激光切割操作之后可能保留的TCO层4的任何残留部分并且防止TCO层4和背电极层6之间产生局部分路(localizedshunting)。
[0041]图2E示出的结构也是图1C示出和描述的结构。两层开口 12包括下部14和上部16，并且两层开口 12延伸完全穿过TCO层4和吸收层2。上部16包括宽度20，宽度20大于下部14的宽度22。在一个实施例中，宽度20在约50 μ m-300 μ m的宽度范围内，但是在其他实施例中使用其他宽度。在各个实施例中，通过第二纳秒激光切割操作产生的下部14的宽度22在约50 μ m-200 μ m的范围内，而在一个实施例中，宽度22在约50 μ m-100 μ m的范围内。在一个实施例中，下部14的宽度22比上部16的宽度20小约ΙΟμπΗΒΟμπι。提供的数值仅作为实例，并且在其他实施例中，可以产生其他划线宽度。
[0042]图2Ε中示出的划线开口 12的两层轮廓仅是示例性的，并且在其他实施例中，根据本发明的方法形成的划线具有其他形状和配置。在一些实施例中，划线具有矩形横截面轮廓。
[0043]纳秒激光切割操作利用成型激光束24或成型激光束34。在一个实施例中，成型激光束包括在各个实施例中在约200nm至约IlOOnm之间变化的辐射波长，而在一个实施例中，激光器采用在约500nm-550nm范围内的辐射波长进行操作。在一些实施例中，纳秒激光器利用波长在约200nm-300nm范围内的辐射束。在另一个实施例中，纳秒激光束是波长在约400nm-700nm范围内的可见光束，而在另一个实施例中，纳秒激光器利用波长在约1000nm-1200nm范围内的辐射束。在多个实施例中，纳秒激光器使用在约0.1ns (纳秒)至约10ns范围内的脉冲操作。在一个实施例中，纳秒激光器使用约0.8ns至30ns的脉冲速率。在各个实施例中成型激光束使用各种脉冲能量。在一个实施例中，脉冲能量在约3μ J(微焦耳)至约20 μ J的范围内，但在其他实施例中使用其他能量。
[0044]使用各种合适的装置对成型激光束24、34进行成形(shape)以围绕激光束点形成激光束的能量轮廓的形状。
[0045]图3示出各种激光束能量轮廓50和激光束能量轮廓52。具体地说，图3示出根据本发明的各个实施例的成型激光束的4种轮廓，但在其他实施例中使用各种其他形状的束轮廓。图3示出如本发明的各个实施例中使用的成型激光器的光滑、抛物线型能量轮廓50的三个实施例。成型激光束的抛物线型能量轮廓50包括各种能量分布并包括图3中从左到右的更加宽的能量轮廓、中间抛物线型能量轮廓和更平坦的能量分布。在一个实施例中，激光束能量轮廓是如图3所示的阶梯能量轮廓52。图3中的不同的激光束能量轮廓表明使用激光束的不同能量分布的各个实施例。在一些实施例中使用“较窄的”的激光束能量轮廓，诸如图3最左侧的激光束能量轮廓，在这些实施例中能够形成用于划线的具有较少的热影响的较陡的侧壁。在一些实施例中，成型激光束的形状(即激光束能量轮廓)在激光划线操作期间显著变化。
[0046]根据使用两次纳秒激光切割操作的实施例，束轮廓和其他激光束参数和设置在每次纳秒激光切割操作中都是相同的，在一些实施例中，束轮廓和其他激光束参数和设置在两次纳米激光切割操作中是不同的。
[0047]图4A至图4E示出根据本发明的另一多步骤划线形成操作。图4A至图4C与图2A至图2C相同，并示出多步骤划线操作顺序中的第一步骤，在第一步骤中，成型激光束24切割穿过TCO层4并轻微切割至吸收层2中以形成初始开口 10。
[0048]图4D示出根据本发明的另一实施例的第二机械切割步骤。根据图4A至图4E中示出的实施例，在图4B中进行第一纳秒激光切割操作之后，如图4D所示进行第二机械切割操作并使用机械划针(mechanical stylus) 58。在各个实施例中机械划针58由各种合适的金属形成并包括各种不同的刚性和不可变形的形状。在各个实施例中，机械划针58具有各种尺寸。当机械划针58沿着划线方向移动时对机械划针58施加合适的压力以向下机械去除地部分吸收层2直到背电极层6。在各个实施例中使用各种压力和各种速率，并且在各个实施例中，机械划针58表示各种机械划线工具的组件。第二机械切割操作阻止TCO层4和背电极层6之间的局部分路，因为机械切割操作去除了在初次纳秒激光切割操作之后可能保留的TCO层4的任何残留物。
[0049]图4E示出的结构也是在图1C和图2E中示出的结构，并且图4E示出的结构是根据图4A至图4D中示出的加工操作的顺序形成的。
[0050]本发明并不限于本文所描述的两种方法实施例。在其他实施例中，多步骤划线形成方法包括额外的步骤。在一个实施例中，两次纳秒激光划线操作结合机械划线操作一起使用。本发明的方法生产具有最小活性面积损失的太阳能电池，这增加了转换效率，并使用防止局部分路的低成本纳秒激光器形成。
[0051]根据一个方面，提供了图案化太阳能电池的方法。该方法包括提供具有至少吸收层和位于吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层的太阳能板；以及使用多步骤工艺在太阳能板中形成划线，其中多步骤中，至少第一步骤是纳米激光切割操作。
[0052]根据另一方面，提供图案化太阳能电池的方法。该方法包括提供具有堆叠层的太阳能板，该堆叠层包括至少吸收层和位于吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；以及通过使用切割仅穿过堆叠件的厚度的一部分的第一纳秒激光切割操作和切割穿过堆叠件的剩余厚度的第二切割步骤在太阳能板中形成划线。
[0053]根据又一方面，提供了一种对太阳能板划线的方法。该方法包括:提供具有堆叠层的薄膜太阳能板，该堆叠层具有厚度并包括至少吸收层和位于吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；确定太阳能电池的划线区域；在划线区域中使用纳秒激光切割操作切割穿过堆叠层的上部从而在划线区域中使堆叠层的下部保持完整；以及使用另一纳秒激光切割操作和机械切割操作中的一种在划线区域中切割穿过堆叠层的下部。
[0054]前面仅示出了本发明的原理。因此，应该理解，本领域普通技术人员能够设计出各种布置，尽管这些布置在本文中没有明确描述或示出但体现了本发明的原理并包括在其精神和范围内。此外，本文引用的所有实例和条件语言都主要明确预期仅是为了教导的目的且旨在帮助阅读者理解本发明的原理和发明人为促进本领域发展所贡献的概念，并且被解释为不限于这些具体引用的实例和条件。此外，本文中引用本发明的原理、方面和实施例以及其具体实例的所有声明都预期包涵其结构和功能两种等效物。此外，预期这些等效物包括当前已知的等效物以及将来开发的等效物，即，不管其结构如何，开发的执行相同功能的任何元件。
[0055]预期结合附图一起阅读示例性实施例的这种描述，所述附图被认为是整个书面说明书的一部分。在说明书中，诸如“下”、“上”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”的相对术语及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应该被解释为是指如随后所述的或者如论述中的附图所示的方位。这些相对术语是为了便于描述，并不要求在具体方位上构造或操作装置。除非另有明确描述，关于接合、连接等的术语(诸如“连接的”和“互连的”)是指其中一个结构直接或通过插入结构间接地固定或接合至另一结构的关系以及两者都是可移动的或刚性的接合或关系。
[0056]尽管通过示例性实施例描述了本发明，但其不限于此。相反，所附权利要求应按广义进行解释，以包括由本领域技术人员在不背离本发明的等效物的精神和范围的情况下可以做出的本发明的其他变体和实施例。
【权利要求】
1.一种图案化太阳能电池的方法，所述方法包括: 提供太阳能板，所述太阳能板至少具有吸收层和位于所述吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；以及 使用多步骤工艺在所述太阳能板中形成划线，其中，所述多步骤工艺中的至少第一步骤是纳秒激光切割操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸收层包含铜铟镓锡(CIGS)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述太阳能电池还包括位于所述吸收层下面的背电极层，所述背电极层由钥和另一背电极材料中的一种形成，并且形成所述划线包括去除划线区域中的所述TCO层和所述吸收层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳秒激光操作使用约0.1纳秒至100纳秒的脉冲持续时间进行操作。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，形成所述划线的所述多步骤工艺包括所述纳秒激光切割操作的所述第一步骤和包含机械切割的第二步骤。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，形成所述划线的所述多步骤工艺包括所述第一步骤和包含另一纳秒激光切割操作的第二步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一步骤包括穿过所述TCO层的纳秒激光切害I]，所述第二步骤包括穿过所述吸收层的纳秒激光切割。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二步骤包括穿过所述吸收层的纳秒激光切割和去除所述TCO层的任何残留材料，并且所述第一步骤和所述第二步骤中的至少一个包括使用波长在约200nm至IlOOnm范围内的UV、可见光和IR辐射的激光束的纳秒激光切割操作。
9.一种图案化太阳能板的方法，所述方法包括: 提供具有堆叠层的太阳能板，所述堆叠层至少包括吸收层和位于所述吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层；以及 通过仅切割穿过所述堆叠层的厚度的一部分的第一纳秒激光切割操作和切割穿过所述堆叠层的剩余厚度的第二切割步骤来在所述太阳能板中形成划线。
10.一种对太阳能板划线的方法，所述方法包括: 提供具有堆叠层的薄膜太阳能板，所述堆叠层具有一厚度并至少包括吸收层和位于所述吸收层上方的透明导电氧化物(TCO)层； 确定所述太阳能板的划线区域； 使用纳秒激光切割操作在所述划线区域中切割穿过所述堆叠层的上部，从而在所述划线区域中使所述堆叠层的下部保持完整；以及 使用另一纳秒激光切割操作和机械切割操作中的一种在所述划线区域中切割穿过所述堆叠层的所述下部。
【文档编号】B23K26/57GK104051581SQ201310476137
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】杨弦升, 林光明, 黄乙峯, 张立炜, 蔡家弘 申请人:台积太阳能股份有限公司