一种硅基薄膜太阳电池及其子电池的隔离线刻蚀方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅基薄膜太阳电池及其子电池的隔离线刻蚀方法，该硅基薄膜太阳电池包含：绝缘衬底以及由绝缘衬底向上依次设置的背面电极、有源层和正面电极。硅基薄膜太阳电池上设有若干隔离线，将其划分为若干子电池；每条隔离线使其两侧的子电池的背面电极之间电绝缘，正面电极之间也电绝缘，每个子电池各自的背面电极和正面电极之间电绝缘。本发明还提供硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，将激光刻蚀与机械刻蚀相结合。本发明提供的硅基薄膜太阳电池及其子电池的隔离线刻蚀方法，工艺方案可靠经济，能够避免子电池在隔离线边缘处短路。有利于提高大面积薄膜太阳电池组件工艺的可靠性，推动产业化进程。
【专利说明】一种硅基薄膜太阳电池及其子电池的隔离线刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太阳电池及用于其子电池隔离线刻蚀方法，具体地，涉及一种硅基薄膜太阳电池及其子电池的隔离线刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着全球不可再生能源的急剧减少，作为清洁可再生能源的太阳电池备受关注。在降低成本方面，硅基薄膜太阳电池极具优势:其有源层材料可沉积在玻璃、聚酰亚胺、不锈钢片等廉价衬底上，且有源层厚度仅为数百纳米，显著地减少了生产成本。柔性非晶硅薄膜太阳电池的柔性衬底带来的可卷曲、质量轻、便于携带等优点使得其可以广泛应用于光伏建筑一体化(BIPV)、平流层飞艇及无人机、单兵电源等方面，应用前景广阔。
[0003]由于单片电池的开路电压较低，通常需要将较大面积的薄膜太阳电池分隔成若干相互独立的子电池进行串联以增大开路电压。通常采用机械刻划、激光刻划加工此步工艺。但在实际生产过程中，分别使用这两种方法进行加工的效果均不理想。这是由于薄膜太阳电池的有源层极薄(数百纳米)，机械刻划线的刻线边缘会有正电极和/或背面电极的涂抹(smearing)，导致正面电极和背面电极直接连接，造成电池短路，这会大大降低太阳电池的性能。激光刻划则引起非晶态有源层材料晶化，晶化后的有源层材料导电性能良好，也会造成正面电极和背面电极的连接，引发电池短路。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种高可靠性硅基薄膜太阳电池，以及用于该高可靠性硅基薄膜太阳电池子电池的隔离线刻蚀方法，将较大面积的硅基薄膜太阳电池分隔成若干子电池，并避免子电池在隔离线边缘处短路，且工艺方案可靠经济。
[0005]为了达到上述目的，本发明提供了一种硅基薄膜太阳电池，其中，该硅基薄膜太阳电池包含绝缘衬底，以及由所述绝缘衬底向上依次设置的背面电极、有源层和正面电极；所述的硅基薄膜太阳电池上设有若干隔离线；所述的隔离线将硅基薄膜太阳电池划分为若干子电池；每条隔离线使其两侧的子电池的背面电极之间电绝缘，该两个子电池的正面电极之间也电绝缘，每个子电池各自的背面电极和正面电极之间电绝缘；所述的隔离线为台阶状结构，其截面呈倒置的“凸”字形，隔离线的台阶状结构中位于水平台阶面之上的第一层的宽度大于水平台阶面之下的第二层的宽度。
[0006]上述的硅基薄膜太阳电池，其中，所述的隔离线的底部为绝缘衬底，即隔离线的深度达到绝缘衬底处。
[0007]上述的硅基薄膜太阳电池，其中，所述的隔离线，其台阶状结构中间的水平台阶面位于背面电极和正面电极之间的有源层处。
[0008]上述的硅基薄膜太阳电池，其中，所述的隔离线，其台阶状结构中的位于水平台阶面之上的第一层通过激光刻线完成，水平台阶面之下的第二层通过机械刻线完成。
[0009]上述的硅基薄膜太阳电池，其中，所述的隔离线，其中因激光刻线造成的水平台阶面之下的晶化区域不接触背面电极。
[0010]本发明还提供了一种上述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其中，所述的方法包含:步骤1，制备包含绝缘衬底，以及由所述绝缘衬底向上依次设置的背面电极、有源层和正面电极的硅基薄膜太阳电池；步骤2，激光刻划正面电极，形成隔离线第一层，使正面电极从隔离线两侧分开成两部分；隔离线第一层深度能够到达有源层，测试隔离线第一层最低处的有源层因激光刻划造成的晶化区域的深度，保证晶化区域未接触到背面电极；步骤3，在激光刻划形成的隔离线第一层的内侧，机械刻划去除晶化层及其下方的未晶化的有源层和背面电极，形成隔离线第二层，隔离线第二层的底部到达绝缘衬底处；机械刻划最宽处的宽度小于激光刻划最窄处的宽度；步骤4，去除隔离线内的残留物；优选地使用吸气装置或氮气枪将隔离线内的残留物去除；步骤5，使用绝缘物质填充隔离线，优选地使用直径为0.W0.6mm的注射器将绝缘物质(如道康宁1_2577)填充到隔离线中，并放置于氮气柜内约24h使绝缘物质固化；步骤6，对子电池进行开路电压的测量，以调整刻蚀参数，子电池的开路电压能够达到不小于刻线前硅基薄膜太阳电池的80%。子电池开路电压的测量在具有稳定光谱的太阳模拟器下进行，选用AMO光谱与AMl.5光谱均可进行测试。当各子电池平均开路电压小于同批次未刻线太阳电池平均开路电压的80%时，适当减小刻蚀激光功率参数，使子电池开路电压不小于刻线前的80%。
[0011]上述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其中，所述的步骤2采用共焦拉曼光谱仪测试隔离线第一层最低处的有源层因激光刻划造成的晶化区域的深度。
[0012]上述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其中，所述的步骤3中，机械刻线形成的隔离线第二层的侧壁边缘与激光刻线形成的隔离线第一层的内侧边缘不接触。
[0013]上述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其中，一般可以使用卷对卷激光划线工艺与卷对卷机械划线工艺将大面积柔性单体电池分隔成长条状子电池。
[0014]本发明提供的硅基薄膜太阳电池及其子电池的隔离线刻蚀方法具有以下优点:
本发明提供了高可靠性的硅基薄膜太阳电池，以及用于该高可靠性硅基薄膜太阳电池子电池的隔离线刻蚀方法。该工艺方案可靠经济，将激光刻蚀与机械刻蚀相结合，能够避免子电池在隔离线边缘处短路。有利于提高大面积薄膜太阳电池组件工艺的可靠性，推动产业化进程。
[0015]刻蚀子电池隔离线是制备特定结构的大面积薄膜太阳电池集成组件的重要工艺步骤，隔离线的作用是将大面积薄膜太阳电池分隔成若干相互独立的子电池单元。本发明中的隔离线具有台阶状结构，因此避免了正电极和/或背面电极的涂抹(smearing)导致子电池的正面电极和背面电极直接连接。隔离线采用激光划线机械划线相结合的加工工艺，避免了激光晶化区域将子电池的正面电极和背面电极连接造成电池短路。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的硅基薄膜太阳电池的平面示意图。
[0017]图2为本发明的硅基薄膜太阳电池在隔离线刻划完成后的横截面示意图。
[0018]图3为本发明的硅基薄膜太阳电池在隔离线刻划第一步即激光划线工艺完成后的横截面示意图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步地说明。
[0020]本发明提供的硅基薄膜太阳电池5，包含:绝缘衬底1，以及由绝缘衬底I向上依次设置的背面电极2、有源层3和正面电极4。
[0021]如图1所示，硅基薄膜太阳电池5上设有若干隔离线6 ;隔离线6将硅基薄膜太阳电池5划分为若干子电池；每条隔离线6使其两侧的子电池的背面电极2之间电绝缘，该两个子电池的正面电极4之间也电绝缘，每个子电池各自的背面电极2和正面电极4之间电绝缘。
[0022]隔离线6为台阶状结构，其截面呈倒置的“凸”字形。隔离线6的底部为绝缘衬底1，即隔离线6的深度达到绝缘衬底处。隔离线6其台阶状结构中间的水平台阶面13位于背面电极2和正面电极4之间的有源层3处。隔离线6的台阶状结构中位于水平台阶面13之上的第一层10的宽度大于水平台阶面之下的第二层14的宽度。隔离线6的第一层10通过激光刻线完成，隔离线6的第二层14通过机械刻线完成。其中因激光刻线造成的水平台阶面13之下的晶化区域9不接触背面电极2。
[0023]参见图2，其中显示沿着与纵轴垂直方向的本发明的硅基薄膜太阳电池5在隔离线刻划完成后的横截面，该硅基薄膜太阳电池5具有台阶状的隔离线6，该隔离线6将硅基薄膜太阳电池5分隔成两个子电池7、8。
[0024]本发明还提供硅基薄膜太阳电池5的子电池的隔离线刻蚀方法，其包含:
步骤1，制备包含绝缘衬底1，以及由绝缘衬底I向上依次设置的背面电极2、有源层3和正面电极4的硅基薄膜太阳电池5。
[0025]步骤2，激光刻划正面电极4，形成隔离线6第一层10，使正面电极4从隔离线6两侧分开成两部分；隔离线6第一层10深度能够到达有源层3，采用共焦拉曼光谱仪测试隔离线6第一层10最低处的有源层3因激光刻划造成的晶化区域9的深度，保证晶化区域9未接触到背面电极2。
[0026]参见图3，其中显示沿着与纵轴垂直方向的本发明的硅基薄膜太阳电池5的在隔离线6刻划的第一步工艺，即隔离线刻蚀方法步骤2，也即激光划线工艺完成后的横截面，激光刻线将硅基薄膜太阳电池5的正面电极4分成两个部分11、12，且晶化区域9没有触及背面电极2。
[0027]步骤3，在激光刻划形成的隔离线6第一层10的内侧，机械刻划去除晶化层9及其下方的未晶化的有源层3和背面电极4，形成隔离线6第二层14，隔离线6第二层14的底部到达绝缘衬底I处；机械刻划最宽处的宽度小于激光刻划最窄处的宽度。机械刻线形成的隔离线6第二层14的侧壁边缘与激光刻线形成的隔离线6第一层10的内侧边缘不接触。
[0028]步骤4，去除隔离线6内的残留物；优选地使用吸气装置或氮气枪将隔离线内的残留物去除。
[0029]步骤5，使用绝缘物质填充隔离线6，优选地使用直径为0.W0.6mm的注射器将绝缘物质，如道康宁1-2577 (市售)，填充到隔离线中，并放置于氮气柜内约24h使绝缘物质固化。
[0030]步骤6，对子电池进行开路电压的测量，以调整刻蚀参数，子电池的开路电压能够达到不小于刻线前硅基薄膜太阳电池5的80%。子电池开路电压的测量在具有稳定光谱的太阳模拟器下进行，AMO光谱与AMl.5光谱均可进行测试。大气圈外的太阳光谱定义为ΑΜ0，当太阳光照射到地球表面时，由于大气层与地表景物的散射与折射的因素，会多增加百分之二十的太阳光入射量，抵达地表上所使用的太阳电池表面，因此针对地表上的太阳光谱为AMl.5。当各子电池平均开路电压小于同批次未刻线硅基薄膜太阳电池5平均开路电压的80%时，适当减小刻蚀激光功率参数，使子电池开路电压不小于刻线前的80%。
[0031]一般可以使用卷对卷激光划线工艺与卷对卷机械划线工艺将大面积柔性单体电池分隔成长条状子电池。
[0032]实施例1
制备硅基薄膜太阳能电池5，其包含绝缘衬底1、直接设置在衬底顶部上的背面电极2、有源层3和正面电极4。
[0033]采用λ =1064nm,功率为0.3_1W的激光刻蚀正面电极4，将正面电极4分成两个部分11、12，激光刻线形成的隔离线6第一层10的最窄处宽度为80 μ m。采用共焦拉曼光谱仪测试隔离线6第一层10中心有源层晶化深度，须保证晶化区域9未接触到背面电极2。
[0034]在激光刻线形成的隔离线6第一层10内机械刻划，去除晶化非晶硅层即晶化区域9，及其下方的非晶硅有源层3和背面电极4，机械刻线形成的隔离线6第二层14最宽处宽度为40ym ；
使用吸气装置或氮气枪将隔离线6内的残留物去除。
[0035]使用直径为0.5mm的注射器将绝缘物道康宁1_2577 (市售)填充到隔离线6中，并放置于氮气柜内约24h使绝缘物质固化。
[0036]在稳定光源的太阳模拟器下测量各子电池的开路电压并记录。取同一批次未刻线硅基薄膜太阳电池5样品5个，在同一模拟器下测试开路电压并记录，如表I所示。
[0037]表1:同批次硅基薄膜太阳电池样品开路电压表示例。
[0038]当子电池平均开路电压小于同批次未刻线硅基薄膜太阳电池5平均开路电压的80%时，将激光功率参数减小0.1W，重新取硅基薄膜太阳电池样品刻蚀子电池隔离线，并将子电池平均开路电压与同批次未刻线样品平均开路电压比较。若其仍小于未刻线样品平均开路电压的80%，则重复这一步骤直至子电池开路电压不小于未刻线样品开路电压的80%。
[0039]刻蚀子电池隔离线6是制备特定结构的大面积薄膜太阳电池集成组件的重要工艺步骤，隔离线6的作用是将大面积薄膜太阳电池分隔成若干相互独立的子电池单元。本发明提供的硅基薄膜太阳电池5及其子电池的隔离线6刻蚀方法，采用激光刻蚀与机械刻蚀相结合，避免了由于正面电极4与背面电极2的“涂抹”在刻线边缘及有源层3晶化造成的子电池短路问题，同时保证了子电池间绝缘、子电池的正面电极4和背面电极2绝缘的刻蚀效果，是一种十分经济可靠的方法。有利于提高大面积薄膜太阳电池组件工艺的可靠性，推动产业化进程。
[0040]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种硅基薄膜太阳电池，其特征在于，该硅基薄膜太阳电池(5)包含绝缘衬底(I )，以及由所述绝缘衬底(I)向上依次设置的背面电极(2)、有源层(3)和正面电极(4); 所述的硅基薄膜太阳电池(5)上设有若干隔离线(6)； 所述的隔离线(6)将硅基薄膜太阳电池(5)划分为若干子电池；每条隔离线(6)使其两侧的子电池的背面电极(2)之间电绝缘，该两个子电池的正面电极(4)之间也电绝缘，每个子电池各自的背面电极(2)和正面电极(4)之间电绝缘； 所述的隔离线(6)为台阶状结构，其截面呈倒置的“凸”字形，隔离线(6)的台阶状结构中位于水平台阶面(13)之上的第一层(10)的宽度大于水平台阶面之下的第二层(14)的宽度。
2.如权利要求1所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述的隔离线(6)的底部为绝缘衬底(I)。
3.如权利要求2所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述的隔离线(6)，其台阶状结构中间的水平台阶面(13)位于背面电极(2)和正面电极(4)之间的有源层(3)处。
4.如权利要求3所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述的隔离线(6)，其台阶状结构中的位于水平台阶面(13)之上的第一层(10)通过激光刻线完成，水平台阶面之下的第二层(14)通过机械刻线完成。
5.如权利要求4所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述的隔离线(6)，其中因激光刻线造成的水平台阶面(13)之下的晶化区域(9)不接触背面电极(2)。
6.一种如权利要求1飞所述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其特征在于，所述的方法包含: 步骤1，制备包含绝缘衬底(1)，以及由所述绝缘衬底(I)向上依次设置的背面电极(2)、有源层(3)和正面电极(4)的硅基薄膜太阳电池(5)； 步骤2，激光刻划正面电极(4)，形成隔离线(6)第一层(10)，使正面电极(4)从隔离线(6)两侧分开成两部分；隔离线(6)第一层(10)深度能够到达有源层(3)，测试隔离线(6)第一层(10)最低处的有源层(3)因激光刻划造成的晶化区域(9)的深度，保证晶化区域(9)未接触到背面电极(2); 步骤3，在激光刻划形成的隔离线(6)第一层(10)的内侧，机械刻划去除晶化层(9)及其下方的未晶化的有源层(3)和背面电极(4)，形成隔离线(6)第二层(14)，隔离线(6)第二层(14)的底部到达绝缘衬底(I)处；机械刻划最宽处的宽度小于激光刻划最窄处的宽度； 步骤4，去除隔离线(6)内的残留物； 步骤5，使用绝缘物质填充隔离线(6)； 步骤6，对子电池进行开路电压的测量，子电池的开路电压能够达到不小于刻线前硅基薄膜太阳电池(5)的80%。
7.如权利要求6所述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其特征在于，所述的步骤2采用共焦拉曼光谱仪测试隔离线(6)第一层(10)最低处的有源层(3)因激光刻划造成的晶化区域(9)的深度。
8.如权利要求6所述的硅基薄膜太阳电池的子电池的隔离线刻蚀方法，其特征在于，所述的步骤3中，机械刻线形成的隔离线(6)第二层(14)的侧壁边缘与激光刻线形成的隔离线(6)第一层(10)的内侧边缘不接触。
【文档编号】H01L31/18GK104269449SQ201410556974
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】焦小雨, 陈亮, 马宁华, 刘成 申请人:上海空间电源研究所