专利名称：重量超轻的光伏器件及其制造方法
技术领域：
0003本发明一般涉及光伏器件和其它电子器件。更具体地，本发 明涉及重量超轻的光伏器件和其制造方法。
背景技术：
0004重量是许多电子器件应用中一个非常重要的因素。例如，光 伏发电器阵列经常在重量很重要的航空航天和军事应用中用作电源。 在其它移动应用及运输大件物品很困难的特定应用中，光伏器件的重 量也是具有重要意义的。功率系数或比功率(specificpower)是光伏发 电器器件的一种特性，它是以发电器重量的每千克的瓦特数为单位表 示的。在航空航天应用中采用的传统类型的重量轻的光伏发电器具有 的比功率额定值约为30-50瓦特/千克(w/kg)。基于薄膜半导体材料并 采用重量非常轻的衬底的重量超轻的光伏发电器表现出的比功率水平 在500-1500w/kg的范围内。
0005在许多情况下，重量轻的和重量超轻的光伏器件，以及其它 重量轻的电子器件是由包括使用置于衬底上的原材料的工艺制造的， 原材料是由诸如光伏或其它半导体材料的电子活性材料(electronicallyactive material)体组成的。 一般来说，光伏材料是由一个或更多个业 微米厚的薄脱:T二导体材料层构成的，该薄脱半导体材料包括但不局限 于第IV氢化族合金材料，并且衬底是相对厚的支撑部件。制造重量轻 的电子器件的一个步骤包括蚀刻去掉衬底层的一些或全部厚度，以便 减少器忭的总重S:。此类蚀刻去掉一般是在器件己经经过多个处理步 骤，诸如附加电极，甜农面封装等等之后完成的。
0006为了最大程度地减少重量， 一般希望尽可能在最大程度上减 少衬底的厚度。然而，己经发现，在实际中很难将衬底蚀刻到小于1 千分之一寸或密耳(mil)的厚度。 一般的衬底材料可能包括瑕疵、污 染或导致非均匀蚀刻的成分变化的区域，并且此类特征会导致在蚀刻 的衬底上形成小孔、缝隙、空隙等等，并且这些瑕疵会导致分层或对 电子活性材料的相邻部分造成损害。蚀刻衬底存在的这个困难对制造 重量轻的和重量超轻的半导体器件造成了限制。
0007在下文将详细说明使用本发明克服现有技术的问题，并使电 子器件的衬底可被蚀刻到小于1密耳的厚皮，从而能制造重量很轻的 器件。
发明内容
0008本说明书公开的是一种制造重量轻的光伏器件的方法。所述 方法包括采用用于器件的衬底，该衬底由可被蚀刻剂成分蚀刻的材料 构成。阻挡层被置于所述衬底上。阻挡层是由蚀刻所述衬底的蚀刻剂 不可蚀刻的材料构成的。光伏活性材料体被布置于所述阻挡层上，所 述衬底与蚀刻剂接触，以便蚀刻去掉所述衬底的至少一部分厚度。该 方法导致生产重量超轻的光伏器件。在典型的应用中，蚀刻后所述衬 底的厚度不超过0.5密耳(mil)。
0009在特殊情况下，所述衬底由诸如铁合金的金属制成，其是诸 如氯化铁溶液的酸性材料可蚀刻的。阻挡层由不可蚀刻性材料构成， 不可蚀刻性材料可以包括诸如钛或钼的金属，或诸如碳、陶瓷、含陶 合金等等的非金属性材料。在一些情况下，所述阻挡层的厚度在 0.0001-0.5密耳范围内。在一些情况下，所述衬底可以包括聚合物衬底，且所述蚀刻剂可以包括用于聚合物的溶剂。
0010在特定的实施例中，所述光伏活性材料是诸如第IV族合金材
料的薄膜半导体材料。在特定的应用中，所述光伏活性材料体被配置
成包括至少一个三元组(triad),该三元组由插入半导体材料的反向掺 杂层之间的一层基本无杂质的半导体材料构成。本说明书还公开了根 据本发明的方法制造的器件。
0011图1是根据本发明在蚀刻其衬底前的光伏器件的一部分的横 截面0012图2是图1的光伏器件的一部分衬底已经被蚀刻去掉之后的 横截面0013图3是大致类似于图1中的光伏器件的一种光伏器件的横截 面图，其中只有衬底的部分厚度被蚀刻；和
0014图4是根据本发明制各的重量超轻的光伏器件的又一实施例 的横截面图。
具体实施例方式
0015根据本发明，已经发现不可蚀刻材料的适当阻挡层可以被插 入到衬底和电子活性材料的主体之间。阻挡层非常薄，但它能抗化学 腐蚀。因此，阻挡抗层使衬底能被蚀刻到很小的厚度，或甚至被完全 移除，而不会影响电子器件剩余物的完整性。
0016本发明将参考光伏器件进行解释；然而，可以理解本发明的 原理可以应用到其它类型的电子器件上，特别是应用到薄膜半导体器 件上，包括诸如光敏元件，光电导体，光发射器件等等的光伏器件， 以及应用到诸如晶体管，二极管和集成电路的非光伏器件上。
0017现在参考图1，示出了在实施本发明中釆用的那种类型的光伏 器件10的一部分。如以上描述，器件10包括衬底材料体12，该衬底 材料体支撑光伏活性材料体14。光伏材料可以包括一个或更多个p-i-n型的光伏器件，这些器件中的每个都包括一个三元组，该三元组具有 插入到半导体材料的反向掺杂层之间的一层基本无杂质的半导体材 料。如本领域已知的，当暴露于适当的照明时，此三元组会产生光伏 电流，该光伏电流由与该器件的适当各层有电连接的电极结构收集。
还如本领域己知的，这种器件可以包括电流收集格栅线(grid wire), 密封剂材料体，反射结构等等，出于本说明书的讨论目的，未示出这 些结构。
0018根据本发明，且与现有技术的区别在于，示于图I的器件IO 还包括插入到衬底12和光伏活性体14之间的阻挡层16。选择构成阻 挡层16和衬底12的各自材料，以使衬底12是由特定的蚀刻剂成分可 蚀刻的，而阻挡层16是抗那种蚀刻剂成分蚀刻的。应当注意，在一些 情况下，光反射层可以插入到阻挡层16和光伏活性体14之间。在本 发明接下来的步骤中，如图2所示，衬底层12与蚀刻剂成分接触一段 足够长的时间，以根据需要减少衬底层的厚度。 一般来说，衬底被蚀 刻到3密耳或更少。如以上描述，如果厚度减少的程度太大，衬底中 的不规则或蚀刻过程会在衬底12上产生缝隙、小孔或其它缺陷。根据 本发明，阻挡层16是抗蚀刻剂的；因此，由于蚀刻过程而在衬底层12 中产生的任何缺陷不会穿透阻挡层，也不会对光伏活性体14造成损害。
0019在一组实施例中，衬底12是导电性的，并形成器件的一端。
在这种情况下， 一般希望阻挡层16也是导电性的，或者至少在某种程
度上是导电性的，以便使电流能流过其中。因为阻挡层16相对较薄，
且器件的区域相对较大，所以不总是要求有高的电导率；因此，具有 足够电导率而允许实现器件功能的阻挡层可以由诸如具有相对高的电
阻率的金属，半导体，电导陶瓷，电导性聚合物，含陶合金等等材料 构成。在其它情况下，阻挡层可以是电绝缘的，并且适当的电流收集 和/或分配结构可以与活性体14相关联。
0020在本发明的一种特定的应用中，光伏器件是由光伏体制造的， 光伏体由许多的薄膜第IV族半导体合金层，诸如硅氢，硅锗氢和锗氢 合金层构成。此器件包括不锈钢衬底，该衬底可被诸如氯化铁型溶液的酸性蚀刻剂蚀刻。在此实施例中，诸如钛，钼，金，钯，铂或钨等 的抗蚀刻剂金属可被用作阻挡层。也可使用其它诸如碳，硅，陶瓷材 料，金属氧化物，聚合物等的材料。在此类应用中，衬底被蚀刻到小
于1密耳的厚度，阻挡层的厚度在大致0.0001-0.5密耳的范围内。可以 理解的是，取决于特定应用，可以采用其它的配置方式。
0021在其它情况下，衬底可以包括聚合物材料体，它可以由包括 有机溶剂的蚀刻剂蚀刻，或者可由诸如苯酚和/或碱性的腐蚀性材料蚀 刻。在另外一些情况下，衬底可以包括诸如玻璃，盐或类似物的无机 材料。在一些情况下，阻挡层可以包括聚合物材料，该聚合物材料可 包括有机聚合物材料以及硅树脂和类似物。阻挡层还可以包括诸如陶 瓷，玻璃，碳，硅或含陶合金的无机材料。所有此类的实施例都在本 发明的范围内。
0022在一个特定的例子中，通过在5密耳的不锈钢衬底上制造光 伏发电器器件，来制备具有大于500w/kg的比功率的光伏器件。随后， 通过使用氯化铁型蚀刻剂，此衬底被打薄到大约0.5密耳的厚度。已经 发现，当衬底的厚度被打薄到0.6-1.5密耳范围内，即使高质量的光伏 等级不锈钢衬底在其中也具有小孔和瑕疵，这会使器件失效。这些小 孔使酸性蚀刻剂能接触电池表面，并且单个小孔足以使电池失效和/或 干扰大面积器件。
0023根据本发明的一个实施方式，由14x15英寸的矩形不锈钢片 构成的衬底被溅射涂有大约3400埃的钛。之后，银质后反射层被布置 到有涂层的衬底上，并且包括三个p-i-n配置的三元组的前后排列的光 伏器件被置于其上。由透明导电性氧化物材料构成的上电极被布置于 光伏器件上。接着，使用氯化铁型溶液蚀刻器件，以使不锈钢衬底被 打薄到小于3密耳的厚度。当由此工艺制备不包含本发明的阻挡层的 器件时，当用透射光观察时，器件会显示出大量的小孔。相反，当用 透射光观察时，本发明的器件不会显示出任何小孔。当用反射光观察 本发明的器件时，可以看到许多反射金属斑点。可以认为这些斑点对 应于在钢衬底上透过蚀刻剂产生的小孔可见的阻挡层的各部分。0024本发明电池的性能特征充分表明了在蚀刻工艺过程中，钛阻 挡层阻止了对光伏材料产生损害。基于这些观测，期望具有小到800 埃厚度的钛阻挡层能提供足够的保护。还期望其它诸如钼，铂，钯， 金，碳，硅，铅等等的抗蚀刻剂金属也能提供类似的保护。
0025虽然图2示出了厚度减少的整个衬底，但应该理解，在一些 情况下，希望减少仅仅衬底的选定部分的厚度。例如，可以不蚀刻衬 底的边缘部分，或只是小程度蚀刻，以便对超薄器件进行加固，正如 图3所示。
0026在其它情况下，将蚀刻去掉整个衬底。在此类实施例中，器 件可以包括透明的前封装层或前密封层(encapsulating layer),其为器 件提供了完整性和支撑。图4示出了一种器件，其中密封剂材料体18 被置于光伏器件的前表面上。在蚀刻前，密封剂材料通常被施加到器 件。在一种特定的情况下，密封剂是聚合物，其被喷射涂到器件上的 厚度在0.2-2密耳范围内；而在其它的实施例中，采用大致在0.01-5密 耳范围内的密封剂层。此类型的层可以保护环境，并对器件的剩余部 分提供了机械上的完整性。可以理解，此类密封剂层也可以延伸，从 而覆盖器件的衬底侧，而且所有此类密封剂层的配置可以被用于本说 明书所示和建议的其它实施例中。
0027尽管前面描述是针对光伏器件的，但本发明的原理对其它的 半导体器件是适用的，并且对于需要重量超轻实施例的薄膜半导体器
件特别适用。鉴于本说明书展示的教导内容，本发明其它的修改和变 动对本领域的技术人员是显而易见的。前面的描述是对特定实施例的 示例性的描述，但这并不意味着限制其实施。附加权利要求，包括所 有等同物限定了本发明的范围。
权利要求
1. 一种制造重量轻的光伏器件的方法，所述方法包括以下步骤提供由可被蚀刻剂成分蚀刻的材料构成的衬底；在所述衬底上布置阻挡层，所述阻挡层是由所述蚀刻剂不可蚀刻的材料构成的；将光伏活性材料体布置到所述阻挡层上；和通过用所述蚀刻剂接触所述衬底，蚀刻去掉所述衬底的至少一部分厚度。
2. 根据权利耍求1所述的方法，其中所述光伏活性材料体包括至 少一层薄膜半导体材料。
3. 根据权利耍求2所述的方法，其中所述薄膜半导体材料包括包 含硅和氢的合金，以及至少一种可选的掺杂元素。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述光伏活性材料体包括至 少一个三元组，该三元组由插入半导体材料的反向掺杂层之间的一层 基本无杂质的半导体材料构成。
5. 根据权利要求1所述的方法，包括另外的步骤在将所述光伏活 性材料布置到所述阻挡层上的步骤之前，将一层光反射材料布置到所 述阻挡层上。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底由铁材料构成。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述蚀刻剂是酸性物质。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述蚀刻剂包括氯化铁。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述阻挡层是由金属构成的。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述阻挡层是由钛或钼构成的。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述阻挡层是导电的。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述阻挡层是电阻性的。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻步骤包括在所述衬 底的预先选择的区域内，蚀刻去掉所述衬底的至少一部分厚度，以使 在预先没有选择的区域内，所述衬底的结果厚度大于已经选择的所述 区域中的结果厚度。
14. 根据权利耍求1所述的方法，包括另外的步骤给所述光伏器 件附加至少一个电流收集结构，所述光伏器件与所述光伏活性材料体 有电连接。
15. 根据权利耍求1所述的方法，包括另外的步骤用保护性材料封装所述重量轻的光伏器件的至少一部分。
16. —种由权利要求1的方法制造的光伏器件。
17. —种制造重量轻的薄膜光伏器件的方法,所述方法包括以下步提供一种由铁合金构成的衬底部件； 将阻挡层布置在所述衬底上；提供一种蚀刻剂材料，其能够蚀刻所述衬底，而不蚀刻所述阻挡层；在所述阻挡层上布置光伏活性薄膜半导体材料体，所述光伏活性 材料体包括至少一个三元组，该三元组由插入半导体材料的反向掺杂层之间的一层基本无杂质的半导体材料构成；和用所述蚀刻剂接触所述衬底，以蚀刻掉所述衬底的至少一部分厚度。
18. 根据权利要求17所述的方法，包括另外的步骤在将所述光 伏活性材料体布置到所述阻挡层上的步骤之前，将一层光反射材料布 置到所述阻挡层的上面。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中所述阻挡层是金属层。
20. 根据权利要求17所述的方法，包括蚀刻去掉所述衬底的所有 厚度。
21. —种制造重量轻的电子器件的方法，所述方法包括以下步骤 提供由可被蚀刻剂成分蚀刻的材料构成的衬底； 在所述衬底上布置一层阻挡材料，所述阻挡材料的特征在于它不可被所述蚀刻剂成分蚀刻；在所述阻挡材料上，布置电子活性材料体；和用所述蚀刻剂成分接触所述衬底一段足够fe的时间，以移去所述 衬底的至少一部分厚度，因此除去所述厚度减小了所述电子器件的重
全文摘要
诸如光伏器件的重量超轻半导体器件被制造在不可蚀刻的阻挡层上，该不可蚀刻的阻挡层被布置于可蚀刻的衬底上。所述器件与适当的蚀刻剂接触一段足够长的时间，以移去至少一部分衬底厚度。在蚀刻过程中，该阻挡层能阻止对光伏材料的损坏。由此方法制造的光伏器件具有超过300瓦特/千克的比功率水平。
文档编号H01L31/0256GK101432888SQ200580036270
公开日2009年5月13日 申请日期2005年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者A·班纳吉, G·彼特卡, G·德马吉奥, J·杨, K·贝尔尼克, S(弗兰克)·刘, S·古哈, T·约翰逊 申请人:联合太阳能奥佛公司