CN102903791B - 薄膜太阳能电池的制作方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜太阳能电池的制作方法及***。一种薄膜太阳能电池的制作方法包括以下步骤：在衬底上设定定位标记和分割轨迹；在衬底上沉积钼背电极，并根据所述定位标记进行定位，完成第一次划线；在所述钼背电极上依次沉积铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层，并根据所述定位标记进行定位，完成第二次划线；在所述高阻层上沉积窗口层，并根据所述定位标记进行定位，然后完成第三次划线，形成电池样片；及根据所述定位标记进行定位，对所述电池样片按照裁剪的轨迹进行裁剪，形成薄膜太阳能电池。上述薄膜太阳能电池的制作方法，可以制作出所需形状的、子电池面积相等的薄膜太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制作技术，特别是涉及一种薄膜太阳能电池制作方法及***。
背景技术
薄膜太阳能电池通常包括衬底以及依次沉积于衬底的导电薄膜即背电极层、吸收太阳能产生载流子的半导体层和材料为透明导电氧化物的顶部电极层。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池是最具有代表性的新型薄膜太阳能电池之一。CIGS薄膜太阳能电池包括衬底，以及依次沉积于衬底的Mo背电极层、CIGS光吸收层、CdS缓冲层、i-ZnO高阻层以及AZO窗口层。其中Mo背电极层为导电薄膜层，CIGS光吸收层、CdS缓冲层与i-ZnO高阻层组成发电层，AZO窗口层为顶部电极层。
为了在支取电流之下适当的提高开路电压，薄膜太阳能电池一般要分割成面积相等的子电池并相互进行串联，分割后的子电池具有大致相等的输出电流。划线单元用于通过划线法来实现不同功能层上子电池之间的分割。划线单元一般可以采用激光划线机，也可以采用机械划线机。
例如CIGS薄膜太阳能电池的制作通常包括如下步骤：首先，在衬底上沉积导电薄膜层，然后进行第一次划线P1，切断导电薄膜层并将导电薄膜层分割为多个面积相等的小块；其次，在上述导电薄膜层和划线P1上沉积发电层，然后靠近并且平行于第一次划线进行第二次划线P2，以切断发电层；最后，在发电层和P2上沉积顶部电极层，然后靠近并且平行于第二次划线进行第三次划线P3，以切断顶部电极层与发电层。经过三次划线，可将薄膜太阳能电池分割成多个子电池并完成子电池的串联。
激光划线也称激光刻蚀，其理论基础是激光作用下的去材料加工，可以切割出精细的沟槽，在衬底上的薄膜层分割成独立的部分。激光加工精细准确，刻槽宽度只有微米级。通过准确的能量控制，是的待加工膜层被整齐分割，其它膜层不受损伤。机械切割则是用机械力通过刀片划开薄膜层。
针对衬底是金属导电材料的薄膜太阳能电池，可以把薄膜太阳能电池块裁剪成面积相等的子电池，再首尾相连叠加层压使得相邻子电池之间的背电极层和顶部电极层之间实现电连接，从而完成子电池的串联。
上述划线法或裁剪法划出的划痕或裁剪的路径通常是平行直线，制作出的薄膜太阳能电池多为矩形状，例如每个子电池是宽度7mm的长条。随着太阳能电池的应用的普及，这种子电池的形状不能满足要求，例如，用到太阳能手表的制作，通常是对成品薄膜太阳能电池进行再次切割，以分割出与太阳能手表表盘对应形状的太阳能手表电池，然后装上引线，安装于手表中。这种手表用的薄膜太阳能电池的子电池的面积不再相等，从而影响薄膜太阳能电池的输出功率。
CIGS薄膜太阳能电池的开路电压大约为600mV，面积为1cm2的电池短路电流大约为30mA。
发明内容
基于此，有必要针对成品薄膜太阳能电池进线再次切割后使用，造成薄膜太阳能电池在实际应用中的子电池的面积不相等的问题，提供一种可使制作出的薄膜太阳能电池的子电池面积相等的薄膜太阳能电池的制作方法。
一种薄膜太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和裁剪的轨迹；
在衬底上沉积钼背电极，
在所述钼背电极上依次沉积铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层，
在所述高阻层上沉积窗口层，形成电池样片；
根据所述定位标记进行定位，对所述电池样片按照裁剪的轨迹进行裁剪，形成薄膜太阳能电池。
在其中一个实施例中，所述电池样片的面积小于200平方毫米。
一种薄膜太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和分割轨迹，所述分割轨迹包括三次划线的轨迹与一次裁剪的轨迹；
在衬底上沉积钼背电极，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第一次划线的轨迹完成第一次划线；
在所述钼背电极上依次沉积铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第二次划线的轨迹在所述高阻层完成深至所述钼背电极的第二次划线；
在所述高阻层上沉积窗口层，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第三次划线的轨迹在所述窗口层上完成深至所述钼背电极的第三次划线，形成电池样片；及
根据所述定位标记进行定位，对所述电池样片按照裁剪的轨迹进行裁剪，形成薄膜太阳能电池。
在其中一个实施例中，所述相邻的两个第三次划线之间围成的面积小于200平方毫米。
在其中一个实施例中，所述完成第一次划线之后还包括设定第一工艺标记的步骤；所述完成第二次划线之前还包括检测所述第一工艺标记的步骤；所述完成第二次划线之后还包括设定第二工艺标记的步骤；所述完成第三次划线之前还包括检测所述第二定位标记的步骤；所述完成第三次划线之后还包括设定第三定位标记的步骤；所述裁剪之前还包括检测所述第三定位标记的步骤。
一种薄膜太阳能电池的制作***，包括薄膜生长装置、真空维持装置、监控装置，以及划线装置；薄膜生长装置用于在衬底上依次沉积钼背电极、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层；所述真空维持装置为所述薄膜生长装置提供和保持真空环境；监控装置用于检测真空维持装置的真空度并监测残余气体的成分；所述划线装置包括：
中央控制单元，根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和分割轨迹，所述分割轨迹包括三次划线的轨迹与一次裁剪的轨迹；
存储单元，用于存储所述分割轨迹；
划线机，所述划线机在所述中央控制单元的控制下根据所述定位标记进行定位，完成三次划线及一次裁剪。
在其中一个实施例中，所述划线装置还包括：
标记单元，用于控制所述划线机在每次划线后做出不同的工艺标记；
检测单元，用于检测所述工艺标记，所述中央控制单元根据所述检测单元的检测结果控制所述划线机执行相应的划线或裁减步骤。
在其中一个实施例中，所述裁剪的轨迹为四个同心的圆，所述四个圆的半径比分别为0.5：0.707：0.866:1。
上述薄膜太阳能电池的制作方法，可以根据薄膜太阳能电池所要应用的环境，设计薄膜太阳能电池的形状，通过划线机设定预制作的薄膜太阳能电池的形状，制作出所需形状的、子电池面积相等的薄膜太阳能电池。
附图说明
图1为一个实施例的薄膜太阳能电池的制作***的原理模块示意图；
图2为图1中划线装置的原理模块示意图；
图3为一个实施例的薄膜太阳能电池的制作方法的流程图；
图4为圆形薄膜太阳能电池的制作设计图；
图5为按图4设计制作出的薄膜太阳能电池示意图；
图6为一个实施例中通过划线并实现子电池串联的结构示意图；
图7为一个实施例的定位标记和工艺标记的示意图。
图8为另一个实施例的薄膜太阳能电池示意图；
图9为图8所示薄膜太阳能电池的子电池示意图。
图10为叠压法实现子电池串联示意图。
具体实施方式
为了解决对成品薄膜太阳能电池进行再次切割后，可能造成切割出的薄膜太阳能电池的子电池的面积不再相等的问题，提供一种可使制作出的薄膜太阳能电池的子电池面积相等的薄膜太阳能电池的制作方法。
请参阅图1，所示为一实施方式的薄膜太阳能电池的制作***的原理模块示意图。薄膜太阳能电池的制作***100包括薄膜生长装置10、真空维持装置20、监控装置30，以及划线装置40。
薄膜生长装置10用于在衬底上依次沉积钼背电极、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层。真空维持装置20为薄膜生长装置10提供和保持真空环境。监控装置30用于检测薄膜生长装置10空间内的真空度、监测残余气体的成分等。
请参阅图2，划线装置40包括中央控制单元41及与中央控制单元41相连的存储单元43、划线机45、标记单元47及检测单元49。下面结合薄膜太阳能电池的制作方法详细介绍上述单元的作用。
请参阅图3，一个实施例中，一种薄膜太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
S110、根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和分割轨迹，所述分割轨迹包括三次划线的轨迹与一次裁剪的轨迹。
具体的，中央控制单元根据预先输入的薄膜太阳能电池最终产品的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和分割轨迹，并将该分割轨迹储存在存储单元内。在默认设置下，由中央控制单元所控制的划线机的分割轨迹为直线，分割出的子电池为矩形。若是需要制作其他形状的子电池，可以通过设置划线机的分割轨迹来实现。只需在划线机中设置划线机的分割轨迹，然后运行划线机，划线机沿设定的分割轨迹运动，即可分割出相应形状的子电池，有利于薄膜太阳能电池的推广使用。划线机的分割轨迹可以是圆形、三角形、五边形等规则形状，也可以是其他不规则形状。对于太阳能手表电池来说，通过改变设置划线机的分割轨迹，即可分割出适用于表盘具体形状的、具有美观效果的薄膜太阳能电池。
通常一个子电池的面积在1-2平方厘米之间，即可满足例如手表、计算器等电器的电源需求。
通常，在一块衬底可以制作形成多个薄膜太阳能电池，因此，可先对预制作的薄膜太阳能电池进行合理的布局。如图4所示，为圆形薄膜太阳能电池320的制作设计图，在衬底上制作前，可根据衬底的尺寸以及衬底与预制作的薄膜太阳能电池的比例在划线机中设计预制作的薄膜太阳能电池的布局。如图5所示，为按照图4中设计的薄膜太阳能电池制作出的薄膜太阳能电池320，该薄膜太阳能电池为圆形，其中，分割出的子电池的面积相等。制作时，设圆形薄膜太阳能电池320的半径为R，该圆形薄膜太阳能电池320由四个子电池组成，第一子电池S0是半径为r0的圆，第二子电池S1是内径为r0、外径为r1的圆环，第三子电池S2是是内径为r1、外径为r2的圆环，第四子电池S4是是内径为r2、外径为r3的圆环。为了保证四个子电池的面积相等，可以得出，r0≈0.5R；r1≈0.707R；r2≈0.866R；r3≈R。假设R等于15mm，则子电池的面积等于176.5mm2。按照上述比例分割获得四个子电池，然后进行处理形成薄膜太阳能电池。制作出的圆形薄膜太阳能电池的输出电流为50mA左右，输出电压为2.4V左右。辅以适当的***电路即可安装于太阳能手表的圆形表盘中和其他需要圆形薄膜太阳能电池的场合。
定位标记在沉积功能层之前设置于衬底，由于功能层为透明状且较薄（例如2微米），因此不会因为功能层的沉积而遮盖定位标记，也不会影响划线机对准。定位标记可以是“十”字形、三角形、方形等。定位标记的设置需要避开最终制成的薄膜太阳能电池所覆盖的区域。如图4所示，定位标记320设置于衬底的中部。为了便于制作，定位标记320设置于衬底的中心。不难理解，定位标记320还可以设置于除设计制作的四个薄膜太阳能电池310所覆盖区域以外的其他位置。
S120、在衬底上沉积钼背电极，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第一次划线的轨迹完成第一次划线。
具体的，将衬底送入薄膜生长装置10内，并通过磁控溅射法在衬底上沉积钼背电极。结合图6所示，在衬底810上沉积Mo背电极层820。在衬底上沉积Mo背电极层形成电池样片后，将该电池样片置于划线机的工作台上。放置电池样片时，应考虑划线机工作过程中可能扫描的区域，使扫描区域处于电池样片的边界之内。电池样片放置好后，调整划线机的位置，使划线机与定位标记对准。通常，可以在划线机上选择一点作为与衬底上的定位标记对准的对准标志，每对电池样片的位置调整后，都需要调整划线机使划线机与定位标记对准，即使划线机的对准标志与定位标记的相对位置不变。由于衬底上的薄膜要分多次进行沉积，每次沉积后都需要重新将电池样片放置于划线机的工作台，都需要重新调整划线机与定位标记的相对位置。因此，首次调整划线机与定位标记对准后需要记录划线机与定位标记的相对位置，以保证此后调整划线机与定位标记的相对位置保持不变。设置完成后，运行划线机，划线机便会按照预先设定的第一次划线的轨迹进行第一次划线P1，以切断Mo背电极层820。
在优选的实施方式中，在完成第一次划线P1后，标记单元47控制划线机45在电池样片上做出一个第一工艺标记。不同的工艺标记代表不同的工艺节点。该第一工艺标记即表示该电池样片是已经完成了第一次划线P1的电池样品。
S130、在所述钼背电极上依次沉积铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第二次划线的轨迹在所述高阻层完成深至所述钼背电极的第二次划线。
具体的，完成第一次划线P1的样品将会再次送入薄膜生长装置10内，结合图6所示，然后在Mo背电极层820上采用共蒸法沉积CIGS光吸收层830、采用化学水浴法沉积CdS缓冲层840，以及采用磁控溅射法沉积i-ZnO高阻层850。沉积i-ZnO高阻层850形成电池样片后，将该电池样片置于划线机的工作台上，并根据定位标记进行定位，然后进行第二次划线P2，以切断CdS缓冲层830、CIGS光吸收层840以及i-ZnO高阻层850。
类似的，在进行第二次划线P2之前，检测单元49可以事先检测工艺标记，并将检测结果发送给中央控制单元41。检测单元49可以为CCD摄像头等检测装置。中央控制单元41通过检测结果判断进入划线机45的电池样片的工艺节点。例如，当检测到第一工艺标记时，即可判断该电池样片是已经完成了第一次划线P1的电池样品，因此本次划线机45所要执行的任务应该是进行第二次划线P2，而不是其他。
在第二次划线P2之后，标记单元47控制划线机45在电池样片上做出一个第二工艺标记，表示该电池样片是已经完成了第二次划线P2的电池样品。
S140、在所述高阻层上沉积窗口层，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第三次划线的轨迹在所述窗口层上完成深至所述钼背电极的第三次划线，形成电池样片。
具体的，完成第二次划线P2的样品将会再次送入薄膜生长装置10内，结合图6所示，在i-ZnO高阻层850沉积AZO窗口层860。沉积完AZO窗口层860形成电池样片后，将该电池样片置于划线机的工作台上，并根据定位标记进行定位，然后进行第三次划线P3，以切断AZO窗口层860、CdS缓冲层830、CIGS光吸收层840以及i-ZnO高阻层850。
类似的，在进行第三次划线P3之前，检测单元49可以事先检测工艺标记，并将检测结果发送给中央控制单元41。中央控制单元41通过检测结果判断进入划线机45的电池样片的工艺节点，并控制划线机45执行正确的划线工艺，实现正确的位置和形状的划线。
在第三次划线P3之后，标记单元47控制划线机45在电池样片上做出一个第三工艺标记，表示该电池样片是已经完成了第三次划线P3的电池样品。
优选的，第一次划线P1、第二次划线P2与第三次划线P3均采用激光划线。通过三次划线和多次薄膜沉积，制造出的薄膜太阳能电池具有多个子电池并相互串联，图6中虚线箭头方向为子电池串联后子电池间电子或电流的移动方向。
S150、根据定位标记进行定位，对所述电池样片按照裁剪的轨迹进行裁剪，形成薄膜太阳能电池。
例如，可以按照图4所示的四条圆形裁剪的轨迹进行裁剪。
类似的，在进行裁剪之前，检测单元49可以事先检测工艺标记，并将检测结果发送给中央控制单元41。中央控制单元41通过检测结果判断进入划线机45的电池样片的工艺节点，并控制划线机45执行正确的裁剪工艺。
如图7所示是定位标记和工艺标记的实施例，图7中A为衬底上的定位标记，B是完成P1划线后的工艺标记；C是完成P2划线的工艺标记；D是完成P3划线的工艺标记。
本实施方式中，由于每次划线均采用同一定位标志作为参照标准，划线精度较高，且能够保证切割后的子电池的面积相等。
作为本发明的另一个实施例，图8为花瓣形薄膜太阳能电池的制作设计图；把整个花瓣形近似看成一个矩形，假设矩形的边长为40mm，整个电池被分割成8个子电池，图9为图8所示薄膜太阳能电池子电池形状示意图，子电池面积0.875平方厘米，计算可知每个子电池可以输出26mA电流600mV电压，串联后可以输出4.8V电压。
假设该电池制作于不锈钢电导体衬底上，在依次沉积了背电极层，发电层，和顶部电极层后，直接裁剪，再首尾相连叠加层压使得相邻子电池之间的背电极层和顶部电极层之间实现电连接，从而完成子电池的串联。这样的工艺省却了划线工艺，降低了成本，提高了成品率。
同样，圆形薄膜太阳能电池也可以制作在金属衬底上，例如不锈钢，在依次沉积了背电极层，发电层，和顶部电极层后，直接裁剪成园和圆环，再部分叠加层压使得相邻子电池之间的背电极层和顶部电极层之间实现电连接，重新拼接成一个完整的园，从而完成子电池的串联。
图10是叠压法实现子电池串联示意图。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和裁剪的轨迹；
在衬底上沉积钼背电极，
在所述钼背电极上依次沉积铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层，
在所述高阻层上沉积窗口层，形成电池样片；
根据所述定位标记进行定位，对所述电池样片按照裁剪的轨迹进行裁剪，形成薄膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述电池样片的面积小于200平方毫米。
3.一种薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和分割轨迹，所述分割轨迹包括三次划线的轨迹与一次裁剪的轨迹；
在衬底上沉积钼背电极，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第一次划线的轨迹完成第一次划线；
在所述钼背电极上依次沉积铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第二次划线的轨迹在所述高阻层完成深至所述钼背电极的第二次划线；
在所述高阻层上沉积窗口层，并根据所述定位标记进行定位，然后根据第三次划线的轨迹在所述窗口层上完成深至所述钼背电极的第三次划线，形成电池样片；及
根据所述定位标记进行定位，对所述电池样片按照裁剪的轨迹进行裁剪，形成薄膜太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述完成第一次划线之后还包括设定第一工艺标记的步骤；所述完成第二次划线之前还包括检测所述第一工艺标记的步骤；所述完成第二次划线之后还包括设定第二工艺标记的步骤；所述完成第三次划线之前还包括检测所述第二工艺标记的步骤；所述完成第三次划线之后还包括设定第三工艺标记的步骤；所述裁剪之前还包括检测所述第三工艺标记的步骤。
5.一种薄膜太阳能电池的制作***，其特征在于，包括薄膜生长装置、真空维持装置、监控装置，以及划线装置；薄膜生长装置用于在衬底上依次沉积钼背电极、铜铟镓硒光吸收层、缓冲层和高阻层；所述真空维持装置为所述薄膜生长装置提供和保持真空环境；监控装置用于检测真空维持装置的真空度并监测残余气体的成分；所述划线装置包括：
中央控制单元，根据预先输入的薄膜太阳能电池的大小和形状以及衬底的大小和形状，在衬底上设定定位标记和分割轨迹，所述分割轨迹包括三次划线的轨迹与一次裁剪的轨迹；
存储单元，用于存储所述分割轨迹；
划线机，所述划线机在所述中央控制单元的控制下根据所述定位标记进行定位，完成三次划线及一次裁剪。
6.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池的制作***，其特征在于，所述划线装置还包括：
标记单元，用于控制所述划线机在每次划线后做出不同的工艺标记；
检测单元，用于检测所述工艺标记，所述中央控制单元根据所述检测单元的检测结果控制所述划线机执行相应的划线或裁剪步骤。
7.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池的制作***，其特征在于，所述裁剪的轨迹为四个同心的圆，所述四个圆的半径比分别为0.5：0.707：0.866:1。
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