Способ изготовления тонкопленочного солнечного модуля с скрайбированием слоев

Изобретение относится к способу изготовления тонкопленочного солнечного модуля (ТПСМ). Способ изготовления тонкопленочного солнечного модуля включает последовательное осаждение на стеклянную подложку слоя фронтального прозрачного проводящего контакта, слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) и слоя тыльного прозрачного проводящего контакта. После операции осаждения слоя фронтального прозрачного проводящего контакта проводят его непрерывное лазерное скрайбирование с образованием канавки, при этом после операции осаждения слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) проводят прерывистое лазерное скрайбирование этого слоя с образованием отверстий, а после операции осаждения слоя тыльного прозрачного проводящего контакта выполняют операцию разделения этого слоя непрерывным лазерным скрайбированием, при которой одновременно удаляют слои гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния и тыльного прозрачного проводящего контакта с образованием канавки. Соединение фронтального и тыльного прозрачных проводящих контактов осуществляют через отверстия слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния, образованные после прерывистого лазерного скрайбирования этого слоя. Изобретение позволяет увеличить фотоактивную площадь за счет уменьшения мертвой зоны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу изготовления тонкопленочного солнечного модуля (ТПСМ), а именно к методу прерывистого лазерного скрайбирования слоя, состоящее из гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) и может быть использовано для последовательной коммутации фотоэлектрических ячеек в ТПСМ.

Уровень техники

ТПСМ — прибор вырабатывающий электрическую энергию путем преобразования оптического излучения и состоящий из нескольких ячеек фотоэлектрических преобразователей, объединенных в общую электрическую цепь в общем модуле.

Из уровня техники известен способ изготовления тонкопленочных последовательно соединенных кремниевых солнечных элементов (см. [1] заявку США № 2005272175, МПК В23К 26/364, H01L 21/00, опубл. 08.12.2005), включающий формирование проводящего слоя на подложке, формирование одного или нескольких активных слоев поверх указанного проводящего слоя и формирование дополнительного проводящего слоя на указанном одном или нескольких активных слоях, при этом после формования проводящего слоя на подложке проводят его скрайбирование с использованием ультрафиолетового лазерного луча с образованием канавки (желоба) через и вдоль некоторой части указанного проводящего слоя, причем значительная часть энергии упомянутого лазера поглощается указанным проводящим слоем, так что указанное нанесение испаряет значительную часть указанного проводящего слоя в контакте с указанным лазерным лучом, образуя по существу гладкие стенки канавки.

Недостатком данного метода является то, что на этапе лазерного скрайбирования удаляется большая площадь фотоактивного слоя a-Si:H/µc-Si:H. Процесс скрайбирования слоя a-Si:H/µc-Si:H происходит с перекрытием отверстий. Данные отверстия, из-за их перекрытия, формируют непрерывной линию (лазерный скрайб). В результате через непрерывный лазерный скрайб происходит соединение тыльного и фронтального прозрачного проводящего контакта (ППК) у соседних фотоэлектрических ячеек.

Из уровня техники известна способ изготовления тонкопленочного солнечного элемента (см. [2] патент США № 8476097, МПК В23К 26/02, H01L 31/046, опубл. 02.07.2013). Лазерное скрайбирование слоя a-Si:H/µc-Si:H осуществляется с помощью импульсного лазерного излучения, при котором отдельный импульс формирует отдельное отверстие, а эти отверстия частично перекрываться между собой. При формировании первого отверстия вокруг него происходит термическое воздействие на слое a-Si:H/µc-Si:H. При формирования второго отверстия, которое частично перекрывает первое отверстие, также вблизи него происходит термическое воздействие на слой a-Si:H/µc-Si:H. Однако термическое воздействие слоя a-Si:H/µc-Si:H от второго лазерного импульса увеличивает зону термического воздействия вокруг первого отверстия. В результате все последующие лазерные импульсы увеличивают термическое воздействие у предыдущих отверстий. В данном методе недостатком является то, что при формировании лазерного скрайба в слое a-Si:H/µc-Si:H образуется большое термическое воздействие в слое a-Si:H/µc-Si:H, которое изменяет оптические свойства слоя a-Si:H/µc-Si:H. Это нарушает принцип согласованности каскадов по току в слое a-Si:H/µc-Si:H.

Из уровня техники известен способ изготовления солнечных ячеек (см. [3] заявку США № 2012103416, МПК H01L 31/18, опубл. 03.05.2012). В данной заявке все этапы лазерного скрайбирования происходит со стороны воздуха т.е. лазерный луч до поглощаемого слоя доходят не со стороны подложки, а со стороны воздуха. Это ведет к увеличению вероятности появления продуктов удаления на месте прохода лазерного луча, что увеличивает появления электрических потерь в солнечном модуле. Также в данной заявке лазерное скрайбирование слоя a-Si:H/µc-Si:H удаляет большую фотоактивную площадь из-за перекрытия отверстий при формировании непрерывного скрайба.

Из уровня техники известен монолитически-интегрированный солнечный модуль (см. [4] заявка США № 20100078064, МПК H01L 31/052, опубл. 01.04.2010). В данной заявке разделение ППК на основе ZnO происходит с помощью импульсного лазерного излучения. Лазерного скрайбирование тыльного ППК осуществляется способом при котором лазерное излучение попадает не со стороны подложки, а со стороны воздуха. В результате этого удаляется только слой тыльный ППК, а фотоактивный слой остается. Оставшиеся фотоактивный слой подвергается тепловому воздействию в процессе лазерного скрайбирования. Из-за этого оставшиеся в фотоактивном слое образуются кристаллические включения и диффузия легированных элементов. Через этот область фотоактивного слоя введет к уменьшению шунтирующего сопротивления солнечного модуля. При лазерном скрайбировании тыльного контакта ZnO со стороны воздуха, вероятность загрязнения места прохода лазерного луча продуктами удаления, большем чем при лазерном скрайбировании через подложку. Это введет к шунтированию тыльных контактов. В данной заявке также метод лазерного скрайбирования слоя a-Si:H/µc-Si:H удаляет большую фотоактивной площадь из-за перекрытия отверстий при формировании непрерывного скрайба.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, взятым за прототип, является способ изготовления батареи взаимосвязанных солнечных элементов (см. [5] заявку на изобретение РФ № 2017126061, МПК H01L 51/00, опубл. 24.01.2019), включающий этапы: обеспечения на подложке пакета непрерывных слоев заданной толщины, причем пакет слоев содержит верхний и нижний проводящие слои с расположенными между ними фотоактивным слоем и полупроводящим слоем с электронной проводимостью; селективного удаления верхнего проводящего слоя и фотоактивного слоя для получения контактного канала, открывающего полупроводящий слой с электронной проводимостью; селективного нагрева пакета слоев на первую глубину для получения первой подвергнутой нагреву зоны на первом межцентровом расстоянии от контактного канала, при этом первая подвергнутая нагреву зона преобразуется в по существу изолирующую область с по существу первой глубиной в пакете слоев, предоставляя тем самым локально повышенное удельное электрическое сопротивление пакету слоев.

Недостатком прототипа является присутствие дополнительной операции помимо этапов скрайбирования Р1, Р2 и Р3 на этапе коммутации элементов в ТПСМ, а именно применение этапа печати проводящим электросоединительным элементом с использованием печатной композиции, содержащей серебро, углерод, медь, алюминий, и/или углеродные нанотрубки. Также имеется недостаток, который является следствием применения дополнительного этапа печати – это уменьшение фотоактивной площади ТПСМ из-за наличия площадей затенения от печатной композиции.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков прототипа и аналогов.

Техническим результатом является уменьшение так называемой мертвой зоны в ТПСМ, то есть уменьшение не фотоактивной области ТПСМ. Уменьшение мертвой зоны в свою очередь увеличивает фотоактивную площадь ТПСМ. В результате на заданном геометрическом размере ТПСМ увеличивается генерация фотоэлектрического тока и как следствие увеличивается эффективность ТПСМ. Осуществление данного способа не требует применения дополнительных материалы и этапов/операций при изготовлении ТПСМ.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет способ изготовления тонкопленочного солнечного модуля включающего последовательное осаждение на стеклянную подложку слоя фронтального прозрачного проводящего контакта, слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) и слоя тыльного прозрачного проводящего контакта, причем после операции осаждения слоя фронтального прозрачного проводящего контакта проводят его непрерывное лазерное скрайбирование с образованием канавки, при этом после операции осаждения слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) проводят прерывистое лазерное скрайбирование этого слоя с образованием отверстий, а после операции осаждения слоя тыльного прозрачного проводящего контакта выполняют операцию разделения этого слоя непрерывным лазерным скрайбированием, при которой одновременно удаляют слои гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния и тыльного прозрачного проводящего контакта с образованием канавки, при этом соединение фронтального и тыльного прозрачных проводящих контактов осуществляют через отверстия слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния, образованные после прерывистое лазерное скрайбирование этого слоя..

Технический результат также достигается за счет того, что слои фронтального и тыльного прозрачного проводящего контакта выполнены из оксида цинка.

Технический результат также достигается за счет того, что расстояние между центрами отверстий после прерывистого лазерного скрайбирования составляет 600 мкм.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 Вид сверху после этапа Р1.

Фигура 2 Вид сверху после этапа Р2.

Фигура 3 Вид сверху после этапа Р3.

Фигура 4 Вид профиль.

Осуществление изобретения

В заявленном изобретении в процессе производства ТПСМ на основе a-Si:H/µc-Si:H проводится три этапа лазерного скрайбирования. Заявленные три этапа лазерного скрайбирования при изготовлении ТПСМ на основе a-Si:H/µc-Si:H – это процессы последовательного соединения отдельных фото ячеек в общую электрическую цепь. Под отдельной фото ячейкой подразумевается солнечный элемент с двухкаскадной pin-структурой (a-Si:H/µc-Si:H), необходимой для работы ТПСМ, нанесенными токосъемными слоями (выпаленными из прозрачных проводящих контактов, на основе оксида цинка (ZnO)).

Заявленный способ включает последовательное осаждение на стеклянную подложку слоя фронтального прозрачного проводящего контакта, слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) и слоя тыльного прозрачного проводящего контакта.

После операции осаждения фронтального прозрачного проводящего контакта проводят его непрерывное лазерное скрайбирование (первый этап лазерного скрайбирования (Р1)) с образованием канавки. Первый этап лазерного скрайбирования (Р1), необходим для того, чтобы у соседних отдельных фото ячеек фронтальные прозрачно проводящие контакты (ППК) на основе ZnO были электрически изолированы друг от друга. Электрическое сопротивление изоляции между двумя фронтальными ППК у соседних ячеек будет ограничиваться стеклом (фиг. 1) и слоем a-Si:H/µc-Si:H (фиг. 2).

После операции осаждения слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H) проводят прерывистое (импульсное) лазерное скрайбирование (второй этап лазерного скрайбирования (Р2)) этого слоя с образованием отверстий. Для этого применяется импульсное лазерное излучение, при котором один импульс формирует одно отверстие в слое a-Si:H/µc-Si:H т.е. в данном отверстии отсутствует слой a-Si:H/µc-Si:H. Второй этап лазерного скрайбирования (Р2) необходим (фиг. 2), чтобы соединить тыльный ППК фото ячейки с соседней фронтальной ППК. После этапа прерывистого лазерного скрайбирования осаждается тыльный прозрачный проводящий контакт на поверхности слоя a-Si:H/µc-Si:H. В результате где имеется отверстие в слое a-Si:H/µc-Si:H происходит соединение тыльного и фронтального прозрачного проводящих контактов у соседних фотоэлектрических ячеек (фиг. 2). Для соединения тыльного и фронтального проводящего контакта нет необходимости формировать непрерывный скрайб, при котором удаляется большая площадь фотоактивного слоя a-Si:H/µc-Si:H и из-за этого уменьшается ток короткого замыкания ТПСМ. Для коммутации тыльного и фронтального прозрачно проводящего контакта можно формировать скрайб прерывисто т.е. скрайб состоит из отверстий равно удаленных друг от друга и между собой не перекрываются. Данный скрайб позволяет также коммутировать соседние фотоэлектрические ячейки, как и при формировании непрерывного скрайба в слое a-Si:H/µc-Si:H без ухудшения номинальной мощности ТПСМ. Более того это увеличивает номинальную мощность ТПСМ (увеличивается ток короткого замыкания) т.к. для формирования данного скрайба используется намного меньше фотоактивной площади a-Si:H/µc-Si:H. При лазерном скрайбировании слоя а-Si:H/µc-Si:H, около скрайба образуется термическое воздействие. Термическое воздействие изменяет оптические свойства слоя а-Si:H/µc-Si:H. Это приводит к нарушению согласованности каскадов в пленке а-Si:H/µc-Si:H. Соответственно, чем больше лазерных импульсов используется для формирования скрайба в пленке а-Si:H/µc-Si:H, тем значимее площадь термического воздействия. Оптимальное расстояние между центрами отверстий составляет 600 мкм, при котором наблюдается минимальное термическое воздействие на площадь пленки a-Si:H/µc-Si:H находящиеся в близи скрайба и не наблюдается существенное повышение последовательного сопротивления ТПСМ из-за уменьшения общей площади сечения соединения тыльного и фронтального контакта. При данном расстоянии наблюдается максимальное увеличение номинальной мощности ТПСМ.

После операции осаждения слоя тыльного прозрачного проводящего контакта выполняют операцию разделения этого слоя непрерывным лазерным скрайбированием (третий этап лазерного скрайбирования (Р3)). Третий этап лазерного скрайбирования (Р3) необходим для того, чтобы у соседних отдельных фото ячеек тыльные ППК на основе ZnO были изолированы друг от друга (фиг. 3 и фиг. 2).

Процесс лазерного скрайбирования Р1 осуществляется через стекло. Для этого импульсное лазерное излучение имеет длину волны 355 нм. Данная длина волны оптически прозрачна для стекла, но активно поглощается фронтальным ППК на основе ZnO. Каждый лазерный импульс создает сквозное отверстие в слое фронтального ППК. Эти отверстия перекрываются друг с другом, тем самым создают непрерывную линию, в которой на поверхности стекла удален слой фронтальный ППК (фиг. 1).

Процесс лазерного скрайбирования Р2, в котором импульсное лазерное излучение с длиной волны 532 нм проходит через стекло и фронтальный ППК, но поглощается слоем a-Si:H/µc-Si:H. Каждый лазерный импульс создает сквозное отверстие в слое a-Si:H/µc-Si:H. Данные отверстия не перекрываются, а находятся друг от друга на расстоянии 600 мкм между центрами отверстий (фиг. 2).

Процесс лазерного скрайбирования Р3, в котором импульсное лазерное излучение с длиной волны 532 нм проходит через стекло и фронтальный ППК, но поглощается слоем a-Si:H/µc-Si:H. Каждый лазерный импульс одновременно удаляет два слоя a-Si:H/µc-Si:H и тыльный ППК. В результате лазерный импульс создает сквозное отверстие через слои a-Si:H/µc-Si:H и тыльный ППК. Эти отверстия перекрываются друг с другом тем самым создают непрерывную линию, в которой на поверхности стекла удален слои a-Si:H/µc-Si:H и тыльный ППК (фиг. 3).

Под непрерывным лазерным скрайбированием при изготовлении ТПСМ на основе a-Si:H/µc-Si:H понимается процедура формирование канавки с удалением слоя или слоев, осуществляемый с перекрытием отверстий.

Под прерывистым лазерным скрайбированием при изготовлении ТПСМ на основе a-Si:H/µc-Si:H понимается процедура формирование отверстий находящиеся в прямой линии с удалением слоя или слоев, в котором отверстия не перекрываться.

Пример 1. (пример способа коммутации ячеек в ТПСМ)

На подложку (стекло) осаждают фронтальный ППК ZnO. Проводят непрерывное лазерное скрайбирования слоя фронтального контакта ZnO с образованием канавки в слое фронтального ППК (длина волны лазерного излучения 355 нм, которое прозрачно для стекла, но сильно поглощается слоем ZnO, при этом лазерный луч до слоя ZnO доходит через стекло). После этой операции осаждают слой гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/µc-Si:H). Далее проводят прерывистое лазерное скрайбирование слоя a-Si:H/µc-Si:H с образованием отверстий и расстоянием между центрами отверстий 600 мкм (длина волны лазерного излучения 532 нм, которое прозрачно для секла и фронтального ППК ZnO, но сильно поглощается слоем a-Si:H/µc-Si:H). Потом наносят тыльный ППК ZnО. Далее выполняют разделение тыльного контакта ZnО с применением непрерывного лазерного скрайбирования, при котором одновременно удаляется два слоя a-Si:H/µc-Si:H и тыльный контакт ZnО с образованием канавки (длина волны лазерного излучения 532 нм, которое поглощается фотоактивным слоем a-Si:H/µc-Si:H).

Пример 2. (пример способа коммутации ячеек в ТПСМ)

На подложку (стекло) осаждают фронтальный прозрачный проводящий контакт ZnO с применением метода LPCVD. Данный слой подвергают электрическому разделению на равные по геометрии и по форме ячейки. Между ячейками образуется электрическое сопротивление более 2 МОм. Далее, с применением метода PECVD, осаждают слой a-Si:H/µc-Si:H, который подвергают процессу лазерного скрайбирования. При этом лазерное скрайбирование осуществляют не с перекрытием отверстий, а в прерывистом режиме. В данном скрайбе расстояния между центрами отверстий составляет 600 мкм. Далее с применением метода LPCVD осаждают тыльный ППК ZnO. Данный слой подвергают процессу лазерного скрайбирования, с целью разделения тыльного контакта от соседних ячеек.

Существенные признаки заявленного изобретения позволяют уменьшить мертвую зоны на 0.8%, за счет того, что меньше удаляется площадь фотоактивного слоя a-Si:H/µc-Si:H и меньше подвержен данный слой нарушению фотоэлектрических свойств из-за термического воздействия от лазерных импульсов.

1. Способ изготовления тонкопленочного солнечного модуля, включающий последовательное осаждение на стеклянную подложку слоя фронтального прозрачного проводящего контакта, слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/μc-Si:H) и слоя тыльного прозрачного проводящего контакта, отличающийся тем, что после операции осаждения слоя фронтального прозрачного проводящего контакта проводят его непрерывное лазерное скрайбирование с образованием канавки, при этом после операции осаждения слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния (a-Si:H/μc-Si:H) проводят прерывистое лазерное скрайбирование этого слоя с образованием отверстий, а после операции осаждения слоя тыльного прозрачного проводящего контакта выполняют операцию разделения этого слоя непрерывным лазерным скрайбированием, при которой одновременно удаляют слои гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния и тыльного прозрачного проводящего контакта с образованием канавки, при этом соединение фронтального и тыльного прозрачных проводящих контактов осуществляют через отверстия слоя гидрогенизированного аморфного и микрокристаллического кремния, образованные после прерывистого лазерного скрайбирования этого слоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слои фронтального и тыльного прозрачного проводящего контакта выполнены из оксида цинка.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между центрами отверстий после прерывистого лазерного скрайбирования составляет 600 мкм.