專利名稱：生產串聯連接的薄膜太陽電池陣列的方法
用于生產許多串聯連接的薄膜太陽能電池的方法，這些薄膜太陽能電池排列在一塊共用襯底上，并且按順序一個在另一個之上地用淀積方法制造第一電極層，至少有一層是由半導體材料構成的層，以及第二電極層，所述各層都是大面積的，而且是特殊構造，以形成串聯連接。
為了能夠滿足從12至15伏的電壓范圍的有關應用方面的需求，有必要串聯連接各太陽電池。同連接各分立的晶體硅圓片相比較，薄膜太陽電池顯示了明顯的優點，就是，用噴涂、蒸發淀積和等離子體放電工藝將大面積薄膜淀積到各襯底上進行生產的可能性，所述各薄膜隨后被分成為各單獨的太陽電池區，并將它們在電氣上連接起來。
聯邦德國專利申請公開說明書DE-OS2839038號描繪了那樣的一個例子。該說明書涉及本文開頭一段提到的那種類型的一些方法，用此方法，所述襯底表面起初用透明的、導電的材料的薄膜完全涂覆，在其頂上再加上至少一種半導體材料的第二薄膜，此后就有選擇地除去所述各薄膜的一些區段，用以在所述襯底上做出許多有規則性間距的光生伏打電池。接著敷上大面積的覆蓋薄膜，作為第二電極層。為了能作必要的串聯連接，該覆蓋層就在那些條帶的鄰近處中止，在那些條帶處，材料已被有選擇地從所述第一電極層和從其上的各半導體層除去。
實現在各單獨區域之間的分隔，即構造各個層的已知諸方法包括，例如用熱力的、機械的或化學的性質除去材料的工藝，或者是利用構造桿條或遷料(lift-off)技術的工藝。但是，此類清除方法有著一些明顯的缺點。例如，當用熱力手段除去材料時，在襯底上的冷卻點處造成凝結現象;在機械清除的情況下在剩余層中出現散布的、被剝落的材料以及龜裂現象;或者當用化學手段除去材料時，由于使用刻蝕劑作不均勻的化學刻蝕以及不能徹底清除所述刻蝕劑的所有殘留物而發生鉆蝕現象。如果用于遷料的干燥條件是在對于半導體的臨界溫度范圍內，那么結果就可能是要清除的材料沒有被完全除去(例如，一些金屬氧化物，或是象生橡膠一類的有機材料)。
當大小為幾微米至幾乎20至30微米的材料微粒(例如，導電、透明的第一層的)存留在隨后要敷上(各)半導體層的各表面上(可能是由于被凝結的材料及因此形成了化合物)時，先前提到的一些清除工藝的缺點就特別嚴重。在非晶形硅太陽電池的情況下，例如，所述(各)層甚至不到1微米厚。所述a-Si半導體層的典型厚度是500至700毫微米，以致這樣一些微粒的存在就能引起所述第一和第二電極層之間的短路。
DE-OS 28 39 038的方法(其中，如所提到的，第一電極層加上淀積于其上的半導體材料，是構造在一起的)特有的缺點也能從這樣的事實中看出來，就是在化學清除工藝的情況下，例如，導致若干不確定層合成物(化學計量的更改，生成SiO2)的一些反應出現(主要是氧化性質的-空氣、酸)，隨后便使所述半導體層的質量降低。在a-Si太陽電池中也用堿性溶液(NaOH、KOH)清理材料表面，這樣做時，所述a-Si材料因為堿性離子而遭致的質量下降則是常見的。如所已經提到過的，用于從位于其下的所述電極層清除最上層半導體材料的機械過程往往造成對電極層的機械損害，以致最后要在第一和第二電極層之間造成的接觸會成為不充分的。熱力清除，例如用激光，同樣導致在所述第一電極層上表面中發生類似的變更。
本發明的目的是創造一種具有上面提到的性質的方法，就是能夠不損害各別的層、不需要當前工藝水平的各輔助層的特性，而基本上實現對于將排列在一塊共用襯底上的各薄膜太陽電池連接起來所必要的結構。本發明還要創造機會，在要做得盡可能窄的各單獨的電極層之間設計各連接區，以便能夠最好地利用所述光敏材料。
通過先構造第一電極層，而后淀積其它各層，基本上解決了這項任務。此項方法允許在淀積第一電極層后，但也可以在這之前，立即進行構造。這后一方案意味著，所述結構首先在玻璃襯底上確定下來，例如用淀積可除去的材料的方法，然后將所述電極層敷于其上，接著，除去或處理該材料，使得可在該電極層內做出最好是條帶形式的各電絕緣區。術語“淀積”在這種情況下不是用來僅僅指，例如材料的淀積或析出，而且如果必要的話，還意味著例如表面電阻或透明度的后處理、性能改善或最佳化。當然，也可以把淀積看作是簡單地指所述層在襯底上的配置。
當所述電極層由ITO構成時，TiO2是特別合適的材料。此外，如果結構完整，為了消除可能已經出現的、不需要的電阻變化，可以使所述ITO層的材料最佳化。
還可能是，最好成行地淀積糊狀材料，淀積它們的走向是平行于所需的電極層結構。所述這些材料使得隨后的那些層的結構化變得容易，而且還被用作為構造所述電極層的各導引行，例如，用激光跟隨所述各行。
因為這個緣故，人們至少在各半導體層在第一電極層上淀積好之前放棄不進行構造的這一當前工藝狀態的解決辦法。相反，按照本發明，為串聯連接各單獨的薄膜太陽電池而基本上構造好所述第一電極層是在淀積其它各層之前做的。于是，所述第一電極層就可以使用這方法構成，若用別的方法，它會對其上各層，特別是對所述(各)半導體層產生不希望有的影響。
首先要將電極材料區域轉換成為高電阻率的材料，以此完成構造第一電極層的任務。這可以，例如用火花放電腐蝕的方法來達到。由此，本發明規定，在窄火花放電(例如，可用金屬的解剖刀實現)區域內的第一電極層熔化，并且被精確地快速重新冷卻，以致所述熔融材料又在鄰近重新凝結。在這種情況下沒有清除材料，只是專門將所述材料從導電狀態轉變成為高電阻率的材料。冷卻作用本身可以通過例如，水-酒精混合液來達到。
本發明所提出的改進方法規定，導電材料淀積在第一電極層上，最好在該層被構造的同時進行，所述導電材料要被其它各層覆蓋，其后建立一個從第二電極層到所述導電材料的導電通路，以便利連接。所述導電材料最好要用糊料，例如銀糊，配置在緊挨第一電極層各窄區的狹窄條帶內，這些材料例如通過先前提到的、用轉變所述材料的方法，被轉變為高電阻率的材料。
按照本發明的另一形式，將另一種材料平行于所述導電材料敷上，并最好是同時進行，所述材料確定(各)半導體材料層和第二電極層的構造。所述材料也可以用糊狀的。由此，并根據所用材料，使用熱處理，或者例如超聲波手段，將是可能的，以便用一種可控制的方式使所述材料碎裂，以清除所述半導體層和第二電極層的各疊置區域。在這樣做時，對于各所謂遷料桿條，或結構桿條或各條帶，沒有必要將它們完全除去，因為它們是高電阻率的。
至此，而且就本發明所提出的來說，構造第一電極層(例如，用火花電蝕的方法)是同淀積先前提到的那些材料同時進行的，人們談到所謂的同時構造工藝，緊接其后的便是淀積(各)半導體層和第二電極層。這種同時構造工藝用單件工具可很好地進行，該工具包含一個用于火花電蝕的裝置，并另有兩個裝置緊挨著(乃至重疊)，這后兩者是要淀積一對平行的、窄的糊狀料行，所述各行被平行涂敷以構造化的第一電極層。盡管這種同時構造工藝被認為是最可取的，然而各種個別構造的工藝當然也可以用其它方法來獨立進行，例如用激光(將所述材料熔化)或絲網印刷(將糊狀料淀積在各狹窄條帶上)。
一般來說，可以把在電極層上淀積材料的任務說成是取決于要被隨后涂敷的各層結構。
本發明的其它細節可以從本發明權利要求書，以及從要單獨地和/或結合起來地在其中找到的各種特征中看到。
以下基于各優選的設計例并結合附圖，盡量詳細地描述本發明，由這些設計和附圖可以看到其它一些細節、優點和特征。
各
如下圖1最初的用于生產串聯連接的太陽電池陣列的概略順序圖，圖2用于第二方法的概略工其順序，圖3展示生產某個結構的基本圖解，圖4一個薄膜太陽電池陣列的完全示意的透視圖。
圖1打算原理性地說明用于生產被串聯連接的許多薄膜太陽電池的順序。將第一電極層(12)大面積地敷于襯底(10)上，它最好要包括如象ITO、氧化錫或氧化銦這樣的透明的導電氧化物(TCO)。在淀積了第一電極層(12)之后，又在該電極層(12)中做出桿條樣區域(14)和(16)，以便在各插入區(18)、(20)和(22)之間造成絕緣阻擋層。所述各桿條按照所希望的結構彼此間隔一定距離，并且是互相平行地從襯底(10)的一側走向另一側，就是說，在這張圖上它們是橫斷面視圖。所述設計例中的各桿條(14)和(16)通過火花電蝕做出來，因而沒有材料要被清除，而是代之以通過加熱和隨后的冷卻或淬火，將導電材料轉變成為高電阻率的狀態。不用說，將桿條(14)和(16)占有的空間中的電極層材料(12)清除掉也是可能的。最好是在做出絕緣區(14)和(16)的同時，平行地淀積各糊料直線條帶(24)、(26)和(28)、(30)，所述這些條帶各有不同任務需要完成。因此，各糊料直線條帶(24)、(26)和(28)、(30)各配置在電極層(12)的各區域(18)、(20)和(22)的一側上，(在這個設計例中是在左側)，這些區域挨近該電極層內包含的阻擋層(14)和(16)。
各連接條帶或桿條(24)和(26)，也被稱為絎合桿條，擔負在做成的薄膜太陽電池陣列中，在第一電極層(12)和第二電極層(32)之間建立導電連接，務使各單個的薄膜太陽電池被串聯連接起來的任務。相反，各構造條帶或桿條(28)和(30)，也被稱為遷料桿條，是用來構造后被淀積的半導體層(34)，以及第二電極層(32)。各條帶(24)、(26)、(28)和(30)的寬度各為50-200微米，最佳高度5-10微米，并可能到20微米。
作為用于各連接或絎合條帶或桿條(24)和(26)的材料而要特別提到的，是一種可焙干的銀糊，其固體材料含量按重量計算為80-85%，焙燒溫度400-460℃。這種材料的優點在于，襯底(10)不致變形，電極層(12)幾乎不承受熱應力就這個范圍來說，它包括透明的導電氧化物，特別是ITO。
作為用于各構造或遷料條(28)和(30)的材料而要特別提到的，是一種諸如TiO2的糊料，其固體含量按重量計為20%，同時也用透明的導電氧收物TCO作為電極層材料。
在構造第一電極層(12)和各桿條(24)、(26)、(28)和(30)，最好是用糊狀材料，成行地敷上之后，在全面積上淀積半導體層(34)。實際上，半導體層(34)在該處是多層結構，以便使射落其上的光產生載流子，這些載流子又被傳導至各電極上。如上所述，半導體層(34)和第二電極層(32)，是淀積在整個第一電極層(12)的表面上的，因而也覆蓋那些材料(24)、(26)、(28)和(30)。以此方法，假設材料合適，各遷料桿條(28)和(30)可以通過，比方說超聲振蕩效應來清除掉，這樣的振蕩將(28)、(30)以及半導體層(34)和第二電極層(32)的各重疊表面一起攜帶走。結果形成的是自由空間(36)和(38)，它們將半導體層(34)和第二電極層(32)分隔成為各離散的、如此做成各單獨的薄層太陽電池的區域。因此，在所述附圖中，第一電極層的區段(20)連同半導體層(34)的區段(40)，以及第二電極層的區段(42)，形成一單獨的薄膜太陽電池。為提供用于所述載流子的通路以及將各個鄰近的薄膜太陽電池串聯連接，本方法中最后的步驟包括，在第一電極層(12)的各區域(18)、(20)和(22)，同第二電極層各適當對應的區域(42)和(44)之間建立接觸。這種接觸最好也能通過火花電蝕建立起來，這種電蝕把絎合桿條(24)和(26)連接到區域(42)和(44)上。這導致了由各層(20)、(40)和(42)組成的中央太陽電池(46)，分別同鄰近的太陽電池(48)和(50)串聯連接。
不用說，任何太陽電池的組成都是可以更改的，從而半導體層(34)可以做成多層結構，或者例如，可以在第二電極層(32)和其下的半導體層(34)之間夾入一其它的中間層(未示出)，例如-SnOx薄膜，該薄膜的任務是，反射紅外輻射熱，從而防止所述太陽電池陣列變熱。
圖2說明一種生產薄膜太陽電池陣列的方法，其中各同樣的標號適用于各同樣的元件。
構造第一電極層(12)先于淀積其它各層，即半導體層(34)和第二電極層(32)，就象在圖1中說明的工藝中進行的一樣。因此，分隔各區域(18)、(20)和(22)的阻擋層(14)和(16)，也可以通過材料狀態的變換，否則也可以用機械清除的方法形成。此笤誚舭ぷ璧膊悖 4)和(16)的地方，將遷料桿條(52)和(54)涂敷到區域(20)和(22)上，于是那兩桿條對應于圖1所示的遷料桿條(28)和(30)。接著，按照圖1的描述，在大面積上淀積半導體層(34)和第二電極層(32)，如果并且當需要時，還有預先設置的中間層。這件事做完后，各遷料桿條(52)和(54)即被除去，以達到構造半導體層(34)和第二電極層(32)的目的。通過，例如用絲網印制方法做出的各導電糊條帶(60)和(62)，于是能夠被引進到敞開的空間(56)和(58)中去。所述糊料分別在第二電極層(32)的區域(64)和第一電極層(12)的區域(20)之間，以及在區域(66)和區域(68)之間建立連接通道，從而將部分地表示出來的各單獨的薄膜太陽電池(70)、(72)和(74)在電路上串聯連接起來。
圖4是薄層太陽電池陣列的充分簡略的透視圖，用它說明許多平行配置的、用前面描述的方法做在一塊襯底(10)上的各薄膜太陽電池，作為例子，將所述某些太陽電池注上了標號(76)、(78)和(80)這些在實體上平行的薄膜太陽電池(76)、(78)和(80)在電路上是串聯連接的，以便使所述陣列提供所需要的電壓。為了生產各單個的太陽電池(76)、(78)和(80)，最好使用如圖3中完全按簡化形式表示的一種工具。
可以看到，配置在襯底(10)上的第一電極層(12)，最好用透明的導電氧化物構成，并利用火花電蝕方法，以便分別做出條帶形區域(14)和(16)。同時，所述工具有噴嘴(82)和(84)，通過該兩噴嘴，在電極層(12)的表面上，挨著區域(14)和(16)，平行地、連續地分別擠壓出各糊料條帶(24)、(26)和(28)、(30)。用于所述條帶(24)、(26)的材料，如前所提到的，最好是可焙干的銀糊，而條帶(28)和(30)則最好用TiO2做成。
實際的火花電蝕作用用區域(14)、(16)上面的閃電符號描繪。放電通過一解剖刀形狀的電極進行。為確保所述火花放電出現，必須設置一電流發生器(86)，其一個極同電極層(12)的表面連接，而另一極則同所述解剖刀形狀的電極(未示出)相連。
可從圖3看到的所述工具，可以更改用作多用途裝置。這就是說，為了要生產如圖4的薄膜太陽能電池陣列，可以緊挨著布置好幾個解剖刀形電極和噴嘴(82)和(84)，用以同時做出互相平行排列的好幾個薄膜太陽電池結構。
權利要求
1.用于生產被串聯連接并布置在一塊共用襯底上的各薄膜太陽電池的方法，在該襯底上依次大面積地疊置第一電極層、至少一層半導體材料以及第二電極層，由此所述各層被構造成在電路上是連接起來的，所述方法的特征在于，先構造第一電極層，再淀積其后的各層。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，所述第一電極層是緊接在它被淀積好之后構造成的。
3.按照權利要求1的方法，其特征在于，首先在所述襯底上淀積確定第一電極層結構的材料，接著做出所述第一電極層本身，然后用象制造所述電極層結構那樣的方法將所述材料除去。
4.按照權利要求3的方法，其特征在于，所述材料是漿糊狀的，并最好是由TiO2組成或是包含TiO2，其特征還在于，所述電極層包括透明的導電氧化物，最好是ITO，以及在淀積至少一層半導體材料和第二電極層之前，使所述糊狀材料凝固，至少要將有機溶劑除去。
5.按照權利要求1的方法，其特征在于，最好與構造第一電極層同時，在所述第一電極層上并且平行于它的結構淀積導電材料，最好呈條帶形式，隨后用其它各層將其全部覆蓋，此后，借助于所述導電材料建立一連接通道，用以將第一電極層和第二電極層連接起來。
6.按照權利要求1的方法，其特征在于，將其它材料淀積到所述第一電極層上，確定并迪炙絳砘母韃愕慕峁埂
7.按照權利要求6的方法，其特征在于，所述其它各種材料最好由以直線或條帶形式淀積在所述第一電極層上的TiO2糊料組成。
8.按照權利要求5的方法，其特征在于，使確定半導體層和第二電極層構造的材料平行于所述電材料，并最好是同時予以淀積。
9.按照權利要求6的方法，其特征在于，最好與構造第一電極層同時，將材料淀積在所述第一電極層上，該材料確定半導體層和第二電極層的構造。
10.按照權利要求1的方法，其特征在于，所述構造第一電極層是通過局部范圍內變換為高電阻率的材料來實現的。
11.按照權利要求1的方法，其特征在于，所述構造第一電極層是通過火花電蝕來實現的。
12.按照權利要求10的方法，其特征在于，所述構造第一電極層是通過火花電蝕來實現的。
13.按照權利要求5的方法，其特征在于，所述導電材料由一種糊料，例如焙燒溫度為400-600℃的可焙干的銀糊組成。
14.按照權利要求6的方法，其特征在于，所述確定構造半導體層和第二電極層的材料是一種高電阻率的材料，最好是用超聲波手段使其振蕩，以便用可控方式破壞半導體層和第二電極層的各上層表面。
15.按照權利要求5的方法，其特征在于，通過腐蝕手段在導電材料和第二電極層之間建立接觸。
16.按照權利要求8的方法，其特征在于，所述導電材料和/或所述確定半導體層和第二電極層構造的材料以條帶形式配置，并且平行于為第一電極層的電絕緣性能設置的結構部分。
17.按照權利要求8的方法，其特征在于，將導電材料和確定半導體層及第二電極層結構的材料互相緊挨著淀積在第一電極層上，如果必要，還可部分地重疊，并最好是同時淀積。
18.按照權利要求10的方法，其特征在于，所述第一電極層由透明的導電氧化物組成，并通過熔化各平行走向的條帶形區域，緊挨著又予冷卻而構成。
19.按照權利要求1的方法，其特征在于，構造第一電極層和淀積所要接著淀積的那層的結構材料是用一個工具同時進行的。
20.用于生產被串聯連接并布置在一塊共用襯底上的各薄膜太陽電池的方法，在該襯底上依次大面積地疊置第一電極層、至少一層半導體材料以及第二電極層，因而構造所述第一電極層要先予淀積其它各層，所述方法的特征在于，與構造第一電極層同時，在所述第一電極層上，平行于它的結構淀積一條其它的結構材料帶，而且可任選地淀積一條導電材料帶，所述各條帶被其后的各層覆蓋，此后，那條其它的結構材料帶連同所述疊層的至少一層半導體層以及第二電極層都被除去，以及在最后，為從電路上連接各薄膜太陽電池，從第二電極層到第一電極層，或到任意設置的導電材料條帶，建立一條通過其它各層的連接通道。
全文摘要
提出一種生產薄膜太陽電池陣列的方法，其中各單獨的太陽電池在電路上被串聯連接。所述各單個太陽電池通過淀積制造，而且是大面積地在一塊襯底上構造各太陽電池所需要的各層。這樣做時，第一電極層在其后各層(半導體層、第二電極層)被淀積之前構成。所要接著淀積的各層的結構最好通過將糊料形式的材料同時涂敷到第一電極層上來確定。
文檔編號H01L31/0224GK1037052SQ88102268
公開日1989年11月8日 申請日期1988年4月14日 優先權日1987年4月14日
發明者于爾格·溫納 申請人:紐肯股份有限公司