专利名称：在用于光伏器件的透明衬底上制作光俘获层的方法、制作光伏器件的方法以及光伏器件的制作方法
在用于光伏器件的透明衬底上制作光俘获层的方法、制作 光伏器件的方法以及光伏器件描述本发明是有关于在用于光伏器件的透明衬底上制作光俘获层的方法，至少包括如 下步骤i)提供一透明衬底，具有一第一本质上平坦表面； )在所述透明衬底的暴露表面上施加光俘获条纹。本发明还有关于制作一光伏器件的方法，至少包括如下步骤i)提供一透明衬底，具有一第一本质上平坦表面； )在所述透明衬底的暴露表面上施加光俘获条纹；iii)在所述光俘获条纹上沉积一个或多个用于实现光电转换的半导体层；iv)在所述一个或多个半导体层上提供一个覆盖衬底。本发明进一步有关于一用于对入射光进行光电转换的光伏器件，至少包括如下堆 叠结构一具有第一本质上平坦表面的透明衬底；一设置于所述第一表面的条纹状光俘获 层；一个或多个沉积在所述光俘获条纹上实现光电转换的半导体层；以及覆盖衬底。薄膜太阳能电池/模块的效率主要取决于俘获入射阳光的最大数量以及将其转 化成电能的效率。为了使太阳能电池的光吸收层能够吸收最大数量的阳光，带有随机微条 纹衬底或者盖板被用来衍射入射光，以增加光在吸收层的光学路径长度，从而能够对光尽 可能多的吸收。现有的在太阳能电池盖板结构中制作所述随机微条纹的方法包括(1)在透明导电氧化物(TCO)的前接触层上实施一常压化学气相沉积工艺；(2)在溅射沉积的透明导电氧化物前接触层上实施一湿法刻蚀工艺；(3)在透明导电氧化物(TCO)的前接触层上实施一低压化学气相沉积(LPCVD)工艺。在太阳能衬底结构中，经常采用经由对金属接触层进行湿法化学腐蚀而得到的微 条纹背接触层。这些方法的缺点在于，微条纹的性质是随机的，微条纹的参数取决于材料的 种类以及所采用的工艺参数，不能够被独立且容易地改变。由于受到给定的生产工艺性质 的限制，不可能独立地优化微条纹的参数以在给定的太阳能电池层堆叠设计中使光俘获效
率最大化。众所周知，沉积在具有优化的周期性亚微米结构的盖板的太阳能电池，应当比现 有的沉积在具有随机微条纹结构盖板的太阳能电池具有明显更高的能量转化效率。尽管模 拟结果如此，但是实际证据仍然没有被报道，原因在于理论上的优化结构并无法获得。本发明提供了一种用来在薄膜太阳能电池的衬底或者盖板上制作良好定义(周 期性)的微条纹的新方法，以使薄膜太阳能电池的光俘获效率最大化。所述方法包括在一 压模上形成亚微米尺寸特征，并转印所述微条纹至大面积太阳能电池衬底与盖板的表面。本发明表述了一种用来在太阳能电池的衬底或者盖板上制作良好定义(周期性) 的微条纹的方法，以提高太阳能电池的光俘获效率。本方法意在于能够制作良好定义的具
4有亚微米尺寸的周期性微条纹，得到衍射入射光的效果，致使增加太阳能电池中的光吸收 效率。所提出的方法中的微条纹的参数可以采用独立的方法进行调整与优化。所提出的方 法能够被应用在衬底和盖板结构中，是一种应用于大面积的节约成本且可以重复实现的方 法。附
图1所示是根据对技术的叙述而绘制的用于薄膜太阳能电池的盖板(附图la) 与衬底结构(附图lb)。在盖板结构(附图la)中，一带有微条纹状透明导电氧化物层的玻 璃板被用作初始结构，后续的太阳能电池堆叠层以P型掺杂半导体、本征掺杂半导体、η型 掺杂半导体以及背电极的顺序沉积，此处即在玻璃背板上沉积形成了透明导电氧化物、金 属层以及插入层。在衬底结构(附图lb)中，带有微条纹背电极层(101-102)的衬底被用作初始结 构，后续的太阳能电池堆叠层以η型掺杂半导体、本征掺杂半导体、ρ型掺杂半导体以及前 电极(此处为透明导电氧化物层)的顺序沉积。以上两种类型的结构均提供了额外的保护 层，用于保护所述结构不受环境中负面效果的影响。附图2所示是本发明主控工艺步骤的示意图。一光阻层21被施加在主控玻璃衬 底20上(附图2a)。通过采用扫描聚焦激光光斑，光阻层被局部照射(参考附图2b中的编 号22)。通过采用相应的显影液，被照射的光阻材料21被溶解，保留一被定义亚微米条纹 23(附图2c)。镍金属电极层M被沉积在被显影的主控玻璃衬底20-21上，作为电镀工艺 的种子层。附图3所示是电镀工艺的示意图。起始点是显影完毕的带有镍金属电极层的主控 玻璃衬底20-21，此衬底在电镀工艺中用作电极(附图3a)。接下来采用电镀工艺在显影完 毕的带有镍金属电极层的主控玻璃衬底20-21上生长一通常为数百微米厚的镍父系压模 30。接下来将父系压模30从主控玻璃20-21上分离，获得与主控的亚微米条纹23对应的 反向图形31。附图4所示是电镀工艺中的家族工艺示意图。起始点是带有与主控的亚微米条纹 23对应的反向图形31的镍父系压模30 (附图4a)。通过氧化父系压模30，或者通过一电化 学或等离子工艺(附图4b)，在条纹表面31上形成薄钝化层40。接下来采用电镀工艺形成 一镍母系压模41 (附图如)。最后将一镍母系压模41从父系压模30上分离出来。所获得 的母系压模41具有一与主控的亚微米条纹23对应的正向图形(附图4d)。附图5所示是在太阳能电池盖板上进行亚微米条纹转印的工艺示意图。一数十微 米厚的液态转印层50施加在盖板51上(附图5a)。接下来，压模30被某一外力压在转印 层50上。转印层50被固化，例如采取紫外线辐射工艺或者加热工艺(参考附图恥的编号 52)，亚微米条纹23被固定至转印层50。接下来，分离压模30并保留带有亚微米条纹的盖 板51。附图6a所示是所述技术的另一实例，附图6b_6d是本发明的另一具体实施方式
。附图7a与7b是本发明具体实施方式
的另一实例。本发明的详细描述本发明是有关于在太阳能玻璃衬底或者盖板上生长良好定义的周期性的微条纹 的方法，包括的主要步骤例如(1)在一第一主控衬底20上控制生长亚微米形貌23 ； (2)将 主控表面20复制成一个或多个压模30 ；以及( 采用压模30转印微条纹23至盖板10或者衬底表面100。本发明所揭露的方法将包括所有以上三个工艺步骤，但是主要关注在步骤 1 禾口 3。主控工艺首先在主控衬底上制作亚微米尺寸(周期性)的微条纹，所述主控衬底带有采用 光刻工艺或者热成像(PTM :thermo-lithographic)工艺形成的光阻层。主控衬底可以是玻 璃板、半导体晶圆或者平坦的金属板，但是并不仅限于此。光阻层例如可以是酚醛，但是也 不必仅限于此，也可以是相位转换(phase-transition)材料。在主控工艺过程中，采用亚微米尺寸的聚焦激光光斑对光阻层实施局部照射。通 过在静止的光斑下移动衬底，或者通过在静止的衬底表面移动光斑，或者通过两者的组合， 以实现激光光斑能够扫描整个光阻层。一个众所周知的方法是采用一旋转主控平板与一在 垂直方向上线性移动的激光光斑相结合，以形成渐开线式的轨迹形貌。另一方法是采用一 xy平面上横线移动主控板或者激光光斑的方法。激光光斑的光照强度能够被调节，所以光阻层的光照级别能够依照与时间和/或 位置的函数关系而改变。采用此方法可以获得多种特征形貌。例如，光斑的连续密度与恒 定的线性移动的结合可以获得直线形状的形貌，而脉冲调制(强度为开-关)的激光光斑 可以获得点或者短划形状的形貌。微条纹形貌的深度能够通过光阻层的厚度以及曝光期间的光照级别来进行控制。 形貌的横向尺寸由多种参数决定，例如激光的波长I、物镜的数值孔径NA、光强、脉冲持续 时间以及激光光斑与主控衬底之间的相对移动速度。通常说来，采用聚焦激光光斑能够获得的最小特征尺寸是λ /(2. ΝΑ)。采用深紫外 或者可见波段的激光，并采用物镜的数值孔径范围在0. 5至0. 9之间，能够获得最小特征尺 寸通常在100-800纳米之间。局部曝光之后，需要对光阻层进行处理(所谓显影处理)，通常是将其放入稀释的 酸溶液或者其他基本的溶液。根据光阻层类型以及所采用腐蚀液的不同，光阻层的曝光部 分将表现出高于或者低于未曝光部分的腐蚀速率，从而在保留的光阻层表面形成(被定义 的)微条纹。微条纹的细节不仅由上述曝光工艺决定，还受到显影工艺的工艺参数控制，例如 腐蚀液的种类、腐蚀液的选择性以及显影时间。主控板复制显影之后，带有微条纹光阻层的主控衬底被复制形成一系列的压模，可以被用作 向太阳能盖板或者衬底进行寸微条纹的大尺转移工艺。一种可能的复制主控板的工艺是电 镀工艺，但是其他的方法也是可行的。在电镀工艺中，显影完毕的主控板首先溅射一层金属 层，通常是镍合金或者银合金，以形成导电电极和电镀的种子层。接下来，相对厚(通常是数百个微米)的金属压模，通常是镍，被生长在种子层的 顶部。压模接下来被从主控衬底上剥离，压模包含了主控衬底表面的微条纹形貌的反向图 形。所生长的第一压模(所谓父系压模)能够被用作微条纹向盖板或者衬底上转印。另外， 上述工艺还可以被用于将微条纹复制成同族的多个压模。在后续工艺中，首先于压模的表面形成一非常薄的分离层(通常是单层的)，然后 再通过电镀形成另一压模。新生长的压模可以被从第一压模上分离，新生长的压模具有一与最初主控衬底表面的微条纹形貌相同的正向图形。复制第一压模的工艺可以被多次重 复，以获得同族的多个主控微条纹形貌的正向图形的复制压模。同样地，某一具有主控微条 纹的正向图形的压模可以被用作形成同族的多个主控微条纹形貌的反向图形的复制压模。微条纹的转印采用上述复制工艺形成的压模能够被用在将微条纹转印至太阳能电池衬底或者 盖板上。能够采用数种方法实施上述转印工艺。一种众所周知的方法是在衬底或者盖板上 施加一薄层粘性的紫外固化材料，例如光聚合漆或者溶胶凝胶材料，将带有微条纹的压模 压在此薄层上，并实施一紫外固化工艺将微条纹定型至转印材料的表面。另一种众所周知的方法是在衬底或者盖板上施加一薄层粘性的热固化材料，例如 例如光聚合漆或者溶胶凝胶材料，将带有微条纹的压模压在此薄层上，并加热将微条纹定 型至转印材料的表面。另一种转印微条纹至盖板或者衬底的方法是通过将压模压在衬底或者盖板上，并 同时加热至形变(玻璃的过渡态)温度(热凸凹压印)以上，然后快速冷却。而另一种转 印的方法是注入塑形，压模被放入注入塑形腔体中，微条纹即形成于盖板或者衬底的表面。上述采用主控板的工艺在盖板或者衬底表面形成微条纹的方法的优点之一在于 亚微米尺度的特征可以被精确地优化或者控制。形貌的横向尺度和深度可以被独立地优 化。主控板工艺理论上适合制作周期性的或者四方连续结构，可以精确控制结构中连续的 图形之间亚微米级的距离。能够优化这种微条纹以形成抗反射层、衍射光栅或者两者的结 合。并且，还可以对曝光光强或者光斑的位置作出额外的随机性调制。电镀复制工艺用来在同一主控板上获得多个复制压模，甚至于在亚微米尺度上非 常精确的控制，故能够简单且廉价地升级应用到大尺寸表面。图6a所示是用于所述技术方案中的薄膜太阳能电池的盖板和衬底结构，此处通 过对均勻的透明导电氧化物层表面实施沉积(例如常压化学气相沉积或者低压化学气相 沉积)工艺或者通过湿法腐蚀工艺，形成有带有条纹的透明导电氧化物表面。附图6b是根据所述发明的另一个具体实施方式
，此处采用上述的方法在玻璃衬 底的表面施加一(周期性的)(微)条纹。接下来，采用传统的常见方法在带有(周期性的) (微)条纹的衬底和盖板的表面沉积一层透明导电氧化物层(具有或者不具有微条纹)，再 沉积半导体层和背电极层。附图6c是根据所述发明的另一个具体实施方式
，此处采用上述的方法在玻璃衬 底的表面的复制层上施加一(周期性的)(微)条纹。接下来，采用传统的常见方法在带有 (周期性的)(微)条纹的衬底和盖板的表面沉积一层透明导电氧化物层(具有或者不具有 微条纹)，再沉积半导体层和背电极层。附图6d是根据所述发明的另一个具体实施方式
，此处采用上述的方法在透明导 电的溶胶凝胶层上施加一(周期性的)(微)条纹。再沉积半导体层和背电极层。另一个具体的实施方式请参考附图7a和7b，建议提供一采用本发明已经提供的 将额外的微条纹施加在条纹上的方法制作的带有条纹的透明导电氧化物层。附图7a中，转 印层19具有一周期性的，低频形状或者结构的条纹19a，周期条纹已经存在于透明导电氧 化层11中，半导体层12-16被沉积在转印与透明导电氧化层19-11上。在附图7b中，转印层19具有一周期性的，低频形状或者结构的条纹19a。然而，被沉积在转印层上的透明导电氧化物层11具有一额外的周期性的，低频形状或者结构的微 条纹11a。同样地，所述额外的微条纹也被用于在转印与透明导电氧化层19-11上沉积半导 体层12-16。 上述微结构的调整可以通过调整沉积工艺的工艺参数来实现，例如湿法刻蚀或干 法刻蚀的步骤。
权利要求
1.一种在用于光伏器件的透明衬底上制作光俘获层的方法，包括如下步骤 i)提供一透明衬底，具有一第一本质上平坦表面； )在所述透明衬底的暴露表面上施加光俘获条纹，其特征在于，所述方法的步骤ii) 进一步包括；ii-1)提供具有一转印条纹的一转印衬底，所述转印条纹具有与施加在所述透明衬底 暴露表面的光俘获条纹相反的反向图形；ii-2)转印所述透明衬底暴露表面的所述反向转印条纹。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反向转印条纹的获得要通过a)局域光照设置在一主控支撑体上的一光阻层；b)显影所述局域光照的光阻层，以在保留的光阻层中获得一主控条纹；c)沉积一或多层金属层至所述保留的光阻层以及所述的主控支撑体上；d)从所述主控支撑体上移除所述一或多层金属层的堆叠结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了在保留的光阻层中获得所述主控条 纹，采用一聚焦亚微米尺寸的激光束光照所述光阻层。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤c)进一步包括 cl)在所述保留的光阻层上溅射第一金属层；c2)在所述第一金属层上采用电镀方法生长第二金属层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一与第二金属层包括镍合金或者银合金。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的方法，其特征在于，步骤c)所获得的一或多层金 属层堆叠结构上所具有的条纹展示出了与光俘获条纹相反的负向图形。
7.根据权利要求2-5任意一项所述的方法，其特征在于，步骤c)所获得的一或多层金 属层堆叠结构上所具有的条纹展示出了与光俘获条纹相同的正向图形。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤e)形成一转印衬底，所述转印衬底所具有的条纹展示出了与施加在一或多层金属层堆 叠结构上的光俘获条纹相反的负向图形，所述一或多层金属层展示出了与光俘获条纹相同 的正向图形。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，步骤ii-Ι)与ii-2)之前包括 -3)在所述透明衬底的第一本质上平坦表面上提供一粘性固化材料层，此处步骤 ii-2)进一步包括步骤 -4)采用光照和/或加热的方法固化所述粘性固化材料的条纹层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述粘性固化材料层采用紫外固化材 料，例如光聚合漆或者溶胶凝胶材料。
11.根据权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，步骤ii-Ι)与ii-2)之前包括 -5)加热所述透明衬底的所述第一本质上平坦表面至透明衬底的形变温度以上，此 处步骤ii-幻进一步包括步骤 -6)冷却所述透明衬底的所述第一本质上平坦表面上的所述加热的条纹至透明衬底的形变温度以下。
12.根据权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，步骤ii-幻进一步包括 ii-7)采用注入塑形的方法转印透明衬底暴露表面的所述负向转印条纹。
13.一种制作光伏器件的方法，至少包括如下步骤 i)提供一透明衬底，具有一第一本质上平坦表面； )在所述透明衬底的暴露表面上施加一光俘获条纹；iii)在所述光俘获条纹上沉积一个或多个用于实现光电转换的半导体层；iv)在所述一个或多个半导体层上提供一个覆盖衬底，其中步骤ii)根据权利要求 1-12中的任意一项或者多项实施。
14.一种用于对入射太阳光进行光电转换的器件，至少包括如下堆叠结构 具有第一本质平坦表面的一透明衬底；在所述第一表面上的一条纹状光俘获层；沉积在所述条纹状光俘获层表面的一或多层用于光电转换的半导体层；以及 一覆盖衬底，其特征在于，光俘获层中的条纹采用权利要求1-13中任意一项或多项所 述的转印方法施加。
全文摘要
本发明是有关于一种在用于光伏器件的透明衬底上制作光俘获层的方法，包括如下步骤i)提供一透明衬底，具有一第一本质上平坦表面；ii)在所述透明衬底的暴露表面上施加光俘获条纹。所述方法的步骤ii)进一步包括；ii-1)提供具有一复制条纹的一复制衬底，所述复制条纹具有与施加在所述透明衬底暴露表面的光俘获条纹相反的反向图形；ii-2)复制所述透明衬底暴露表面的所述反向复制条纹。
文档编号H01L31/0236GK102144297SQ200980134383
公开日2011年8月3日 申请日期2009年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者高迪弗雷多斯 雅克布斯 马尔拉 皮特斯 帕提克, 约翰尼斯 伯格 赫曼纽斯 申请人:摩斯巴尔光伏有限责任公司