CN101425550A - 用于薄膜光电装置的工艺测试器和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一般涉及工艺测试器和采用标准光电电池工艺制造工艺测试器的方法。本发明尤其涉及通过激光刻划确定的工艺测试器配置、用于产生工艺测试器的方法、将工艺测试器用于光电生产线诊断的方法、在光电模块生产中工艺测试器的放置、以及用于产生设计规则测试器的方法。
Description
技术领域
本发明的实施例一般涉及光电装置及其制造工艺。本发明的实施例尤其涉及用于薄膜光电装置的工艺测试器、制备工艺测试器的方法、以及测试方法。
背景技术
光电(PV)装置是将太阳光转换为直流(DC)电力的装置。根据如何制造该装置，可以将PV装置分为单晶、多晶、或薄膜。
通过从单晶体、高纯度、硅梨晶上切取晶片生产单晶PV装置。通过将硅的铸块锯成棒，然后锯成晶片，生产多晶PV装置。通过在适当基板上沉积诸如非晶硅、微晶硅或硒化铜铟镓(CIGS)的材料的薄层生产薄膜PV装置。
虽然单晶和多晶硅已经常规地生产了具有较高效率的PV装置，但晶体硅晶片的高成本已经促使工业界更多地使用和发展薄膜PV装置。
相应地，由于薄膜PV装置的生产变得成熟，对于提高工艺控制的需求已经发展。产量和均匀方面的考虑都推动了这种需求。另外，也需要快速且有效地解决与新的或复式生产线相关的提速问题。
因此，存在对于用于薄膜PV装置的能够通过电测试提供与生产工艺直接相关的信息的工艺测试器和测试方法的需求。
发明内容
本发明一般提供通过激光刻划确定的工艺测试器配置、用于产生工艺测试器的方法、将工艺测试器用于太阳能电池生产线诊断的方法、工艺测试器在PV模块生产中的放置、以及用于产生设计规则测试器的方法。
在本发明的一个实施例中，形成用于测试薄膜光电生产工艺的装置的方法包括在基板上形成前透明导电氧化物层，在该装置的隔离区域中的前透明导电氧化物层中激光刻划凹槽，在该前透明导电氧化物层之上形成吸收层，在该吸收层之上形成后反射层，以及在该装置的隔离区域中的后反射层中激光刻划凹槽，其中该隔离区域将该装置与相邻光电结构电隔离。
在另一个实施例中，用于测试薄膜光电生产工艺的装置包括在基板之上形成的前透明导电氧化物层、在该前透明导电氧化物层之上形成的吸收层、以及在该吸收层之上形成的后反射层。在一个实施例中，前透明导电氧化物层具有在该装置的隔离区域中的凹槽。在一个实施例中，后反射层具有在该装置的隔离区域中的凹槽，并且隔离区域将该装置与相邻光电结构电隔离。
在另一个实施例中，生产用于测试薄膜光电生产工艺的装置的方法包括在单个基板上形成多个装置，其中通过激光刻划确定装置，其中从由用于测量前透明导电氧化物层与后反射层之间的接触电阻的测试器、用于测量后反射层薄层电阻的测试器、用于测量前透明导电氧化物层薄层电阻的测试器、以及用于测量二极管特征的测试器构成的组中选择多个装置。
在另一个实施例中，生产用于测试薄膜光电生产工艺的装置的方法包括在基板上形成光电模块并在该基板上形成光电工艺测试器，其中通过激光刻划确定该测试器，其中从由用于测量前透明导电氧化物层与后反射层之间的接触电阻的测试器、用于测量后反射层薄层电阻的测试器、用于测量前透明导电氧化物层薄层电阻的测试器、以及用于测量二极管特征的测试器构成的组中选择该测试器。
仍在另一个实施例中，确定薄膜、光电电池、测试器或模块工艺设计规则的方法包括形成多个光电电池并在电池的各层中激光刻划凹槽，其中为了确定预期工艺特征的间隔改变凹槽之间的横向距离。在一个实施例中，光电电池包括在基板之上形成的透明导电氧化物层、在该透明导电氧化物层之上形成的吸收层、以及在该吸收层之上形成的后反射层。
附图说明
出于可以详细理解本发明的上述特征的方式，参考实施例给出了上面概述的本发明的更加明确的描述，在附图中示出了某些实施例。然而，应该注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，由于本发明可以允许其它的等效实施例，因此不能认为附图限制了其范围。
图1是示出独立电池之间的串联连接的薄膜PV模块的示意横截面图。
图2是用于测量TCO层和后反射层之间的接触电阻的测试器的实施例的示意横截面图。
图3是用于测量后反射层中的薄层电阻的测试器的实施例的示意横截面图。
图4是用于测量前TCO层的薄层电阻的测试器的实施例的示意横截面图。
图5A是用于执行二极管测量的测试器的示意俯视图。
图5B是图5A中测试器沿线5-5的示意横截面图。
图6是在单个基板上生产的测试器组的示范实施例的示意俯视图。
图7是在单个基板顶上形成的四个太阳能模块的示意俯视图。
图8是本发明的包括测试模块的实施例的示意横截面图，该测试模块具有在绝缘透明导电氧化物层凹槽和吸收层凹槽之间的变化的横向间隔的一连串电池。
具体实施方式
本发明一般包括采用标准的PV装置工艺制造的工艺测试器。本发明尤其包括通过激光刻划确定的工艺测试器配置、用于产生工艺测试器的方法、将工艺测试器用于太阳能电池生产线诊断的方法、工艺测试器在PV模块生产中的放置、以及用于产生设计规则测试器的方法。
在薄膜PV模块制造中，通过激光刻划电池层形成独立PV电池并将其互连到模块。图1是示出独立电池101之间的串联连接的薄膜PV模块100的示意横截面图。PV模块100包括诸如玻璃或聚合物基板的基板102、以及在其上形成的薄膜。
在PV模块100的制造工艺中，可以在基板102之上形成前透明导电氧化物(TCO)层105。TCO层105可以包括氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、锡酸镉、它们的组合或其它适当的材料。在第一激光刻划步骤中，可以在TCO层105中产生用于中断横向电流的第一绝缘凹槽112。可以随后在TCO层105之上形成吸收层115。吸收层115可以包括多层薄膜，包括但不限制于非晶硅、微晶硅、硒化铜铟镓(CIGS)或它们的组合。接下来，第二激光刻划可以在吸收层115中产生凹槽124，在吸收层115之上形成后反射层125的后续步骤中可以填满凹槽124。这导致在前TCO层105与后反射层125之间的互连。后反射层125可以包括导电层和/或反射涂层。该导体层可以是第二TCO层。该反射涂层可以包括金属材料，包括但不限制于Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、它们的合金、它们的组合以及其它导电和反射材料。最后在后反射层125中形成用于中断后反射层125中的横向电流的第二绝缘凹槽136。
结果，模块100的每个独立PV电池101与每个相邻电池101串联地电连接。图1示出通过前述激光刻划工艺串联连接的五个PV电池101；然而，为了形成PV模块100，可以这种方式连接任何数量的PV电池101。
在薄膜PV制造中，在生产线上大规模地制造这种装置。线端测试可以提供诸如模块电特征的成品信息，但是其不能提供关于工艺失效的根本原因的直接信息。本发明的实施例可以在工艺运行之前、期间、或之后提供用于诊断工艺失效的根本原因所需的诸如导电层的薄层和接触电阻及装置的二极管部件的饱和电流密度的直接信息的工艺测试器。
本发明的实施例包括采用用来在PV模块100内产生并互连PV电池101的相同激光刻划处理来产生工艺测试器。
图2是用于测量TCO层与后反射层之间的接触电阻的测试器200的实施例的示意横截面图。测试器200包括具有在其上形成并划分为隔离区域210、探针区域220、及一个或几个连接区域230的薄膜的基板202。
在制造测试器200中，可以在基板202之上形成前TCO层205。在第一激光刻划中，可以在每个隔离区域210内设置一个或几个凹槽212，在每个探针区域220内设置一个或几个凹槽222，并且在每个连接区域230内设置一个或几个凹槽232的方式，在TCO层205中产生TCO绝缘凹槽212、222、及232。因此，绝缘凹槽212、222以及232中断TCO层205中的横向电流。
接下来，可以在TCO层205之上形成吸收层215。在第二激光刻划中，可以在每个探针区域220中设置一个或几个凹槽224并在每个连接区域230内设置一个或几个凹槽234的方式，在吸收层215中产生凹槽224和234。由于吸收层215低的横向导电率，虽然可以在吸收层215的每个隔离区域210中产生一个或几个凹槽，一般来说这不是必须的。
然后，可以在后反射层225与TCO层205之间在凹槽224及234处建立电互连的方式，在吸收层215之上形成后反射层225。在最后的激光刻划中，可以在每个隔离区域210内设置一个或几个凹槽216，并在每个连接区域230内设置一个或几个凹槽236的方式，在后反射层225中形成后反射层绝缘凹槽216和236。因此，绝缘凹槽216和236中断后反射层225中的横向电流。
如图2所示，所产生的测试器200包括隔离区域210、探针区域220、以及一个或几个连接区域230。隔离区域210使测试器200与相邻结构电隔离。通过一个或几个连接区域230在探针区域220之间建立电互连链接，其中在后反射层225与TCO层205之间交替传导。虽然图2示出一个连接区域230，但是在测试器200中可以互连任何数量的连接区域230。
在将测试器200用于测试后反射层225与TCO层205之间的接触电阻中，在测试器200的每个探针区域220内，可以将诸如自动测试设备中通常使用的电探针与后反射层225接触放置。由后反射层225与TCO层205之间的接触决定两个探针之间的测量的电阻。因此，接触电阻近似等于用凹槽224和234的数量总和除以测量电阻。
图3是用于测量后反射层中薄层电阻的测试器300的实施例的示意横截面图。测试器300包括具有在其上形成并划分为隔离区域310、探针区域320、及连接区域330的薄膜的基板302。
在制造测试器300中，可以在基板302之上形成前TCO层305。在第一激光刻划中，可以在每个隔离区域310内设置一个或几个凹槽312的方式，在TCO层305中产生TCO绝缘凹槽312。因此，绝缘凹槽312中断TCO层305中的电流。
接下来，可以在TCO层305之上形成吸收层315。然后，可能在吸收层315之上形成后反射层325。
在第二激光刻划工艺中，可在每个隔离区域310内产生用于将后金属电阻测试器300与相邻结构电隔离的一个或几个绝缘凹槽316。
在运行中，可以在每个探针区域320中将电探针与后反射层325接触放置，并且可以测量探针之间的电阻。由于在后反射层325与TCO层305之间没有电互连，探针之间的测量电阻近似等于后反射层325中的薄层电阻。
图4是用于测量前TCO层的薄层电阻的测试器400的实施例的示意横截面图。测试器400包括具有在其上形成并划分为隔离区域410、探针区域420、及连接区域430的薄膜的基板402。
在制造测试器400中，可以在基板402之上形成前TCO层405。在第一激光刻划中，可以在每个隔离区域410内设置一个或几个凹槽412的方式，在TCO层405中产生TCO绝缘凹槽412。因此，绝缘凹槽412中断TCO层405中的电流。
随后可以在TCO层405之上形成吸收层415。在第二激光刻划工艺中，可以在吸收层415中产生一个或几个凹槽424并将其设置在每个探针区域420内。
然后，可以在后反射层425与TCO层405之间在凹槽424处形成电连接的方式，在吸收层415之上形成后反射层425。
在第三激光刻划工艺中，可以在每个隔离区域410内产生用于将测试器400与相邻结构电隔离的一个或几个绝缘凹槽416。另外，可以在测试器400的连接区域430内产生用于中断后反射层425中横向电流的一个或几个绝缘凹槽436。
在运行中，可以在每个探针区域420中将电探针与后反射层425接触放置，并且可以测量探针之间的电阻。由于通过一个或几个绝缘凹槽436中断后反射层425中的横向电流，由TCO层405决定横向传导。因此，探针之间的测量电阻近似等于TCO层405的薄层电阻。
图5A是用于执行二极管测量的测试器500的示意俯视图，而图5B是测试器500沿图5A的线5-5的示意横截面图。测试器500可以包括具有在其上形成并分隔成隔离区域510、内探针区域520、外探针区域521、内有源区域530、及外有源区域531的薄膜的基板502。
在制造测试器500中，可以在基板502之上形成前TCO层505。在第一激光刻划中，可以产生用于中断TCO层505中横向电流并设置在每个隔离区域510中的一个或几个绝缘凹槽512。另外，可以产生用于中断TCO层505中横向电流并设置成横过内有源区域530及外有源区域531的绝缘凹槽513。
接下来，可以在TCO层505之上形成吸收层515。在第二激光刻划工艺中，在外有源区域531内，在层515中产生一个或几个凹槽526。
然后，可以以在TCO层505与后反射层525之间通过一个或几个凹槽526形成电连接的方式，在吸收层515之上形成后反射层525。
在第三激光刻划工艺中，在每个隔离区域510内，在后反射层525中产生用于将测试器500与相邻装置电隔离的一个或几个绝缘凹槽516。另外，可以在后反射层525中产生用于电中断在内有源区域530与外有源区域531之间的后反射层525中的横向电流的一个或几个绝缘凹槽536。一个或几个绝缘凹槽536还中断在内探针区域520与外探针区域521之间的横向电流，以及中断内有源区域530与外探针区域521之间的横向电流。
在一个实施例中，测试器500可以具有用于执行四端测量的四个探测区域。两个端点可以连接到外探针区域521中的后反射层525，以通过外有源区域531中的一个或几个凹槽526电连接到TCO层505。其它两个端点可以连接到内探针区域520中与外探针区域521及外有源区域531中的后反射层525横向电绝缘的后反射层525。作为测试器500的配置的结果，可以进行多个测量，包括但不限制于，暗饱和电流、理想系数、以及串联电阻。另外，使用适当的光源，可以确定诸如短路电流、开路电压、以及填充系数的太阳能电池参数。
在制造本发明的测试器中，可以在单个基板上制造多个测试器。可以使用计算机辅助设计软件确定测试器，当需要用于工艺开发和产量改进的信息时，允许连续的修改。例如，如果在太阳能电池的特定生产运行中怀疑存在接触电阻问题，可以在太阳能电池生产运行之间加工一套链接测试器。相似地，如果存在均匀问题，可以制造并测量电池阵列，以便获得绘图数据。另外，在生产线提速和生产线诊断设定中，可以在生产线中在远程位置制造一套标准测试器。然后可以将该测试器送回中央设备或就地测量。随后可以将数据与从参考工艺获得的数据相比较。因此，本发明的实施例允许持续地在线测试与工艺直接相关的参数。
图6是在单个基板602上产生的测试器200、300、400、以及500的组的示范实施例的示意俯视图。在图6中，可以在单个基板602上编组和生产接触电阻测试器200、金属层薄层电阻测试器300、TCO层薄层电阻测试器400、以及二极管测试器500的可能配置。
任何数量的测试器组配置是可以的，并且预计其在本发明的范围内。例如，可以在单个基板上编组并生产多个接触电阻测试器200。另外，为了在任何数量的组合中的最大空间利用率，可以对本发明的测试器编组并确定尺寸。
另外，可以在单个基板上与太阳能模块一起生产本发明的工艺测试器。图7是在单个基板702顶部上形成的四个PV模块100的示意俯视图。在相同生产运行期间，可以在模块100之间的切割区域705中形成测试器700，其可以是测试器器200、300、400、500、它们的组合或其它测试器。在生产和测试之后，将基板702切割成模块100，其中破坏切割区域705。图7示出了从单个基板切割的四个模块100；然而，可以从单个基板切割任何数量的模块100。优选地，可以将测试器700放置在也将被破坏的外围区域中，或者可以用测试器700取代模块100中的一个或几个。因此，可以在PV模块100的常规生产运行期间，在最佳利用可用空间的配置中形成测试器700。
本发明的其它实施例包括用于确定生产PV电池的工艺设计规则的方法，用于优化性能、生产产量和效率的测试器或模块。
本发明的一个实施例包括用于确定与PV电池、测试器或模块中激光刻划凹槽的间距相关的工艺设计规则的方法。例如，为了确定图1的PV模块中绝缘凹槽112与凹槽124之间的间距，可以制造具有变化的间距的一系列测试器。重要的是，通过软件编程或手工输入到激光刻划系统中，可以自动执行改变该间距的方法。
图8是本发明实施例800的示意横截面图，其包括具有一系列单元的测试模块，该系列单元的绝缘凹槽812与凹槽824之间具有变化的间距。
虽然以上描述涉及本发明的实施例，在不偏离其基本范围的情况下，可以设计出本发明的其它的和更多的实施例，权利要求确定本发明的范围。
Claims (20)
1.一种形成用于测试薄膜光电生产工艺的装置的方法，包括：
在基板上形成前透明导电氧化物层；
在该装置的隔离区域中的该前透明导电氧化物层中激光刻划凹槽；
在该前透明导电氧化物层之上形成吸收层；
在该吸收层之上形成后反射层；以及
在该装置的隔离区域中的该后反射层中激光刻划凹槽，其中该隔离区域将该装置与相邻光电结构电隔离。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
在形成金属后层之前，在该装置的第一探针区域中的该吸收层中激光刻划凹槽和在该装置的第二探针区域中的该吸收层中激光刻划凹槽；以及
在该装置的连接区域中的该后反射层中激光刻划凹槽。
3.如权利要求2所述的方法，还包括在形成该吸收层之前，在第一探针区域中的该前透明导电氧化物层中激光刻划凹槽和在第二探针区域中的该前透明导电氧化物层中激光刻划凹槽。
4.如权利要求3所述的方法，还包括在形成该吸收层之前，在连接区域中的该前透明导电氧化物层中激光刻划凹槽。
5.如权利要求4所述的方法，还包括在形成该后反射层之前，在连接区域中的该吸收层中激光刻划凹槽。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
在形成该吸收层之前，在横跨该装置的外和内有源区域的该透明导电氧化物层中激光刻划凹槽；
在形成该后反射层之前，在该装置的外有源区域中激光刻划凹槽；以及
在该装置的外有源区域与内有源区域之间的该后反射层中激光刻划凹槽。
7.一种用于测试薄膜光电生产工艺的装置，包括：
在基板之上形成的前透明导电氧化物层，其中该前透明导电氧化物层具有在该装置的隔离区域中的凹槽；
在该前透明导电氧化物层之上形成的吸收层；以及
在该吸收层之上形成的后反射层，其中该后反射层具有在该装置的隔离区域中的凹槽，并且该隔离区域将该装置与相邻光电结构电隔离。
8.如权利要求7所述的装置，其中该吸收层具有在该装置的第一探针区域中的凹槽和在该装置的第二探针区域中的凹槽，以及其中该后反射层具有在该装置的连接区域中的凹槽。
9.如权利要求8所述的装置，其中该透明导电氧化物层具有在第一探针区域中的凹槽和在第二探针区域中的凹槽。
10.如权利要求9所述的装置，其中该透明导电氧化物层具有在连接区域中的凹槽。
11.如权利要求10所述的装置，其中该吸收层具有在连接区域中的凹槽。
12.如权利要求7所述的装置，其中该透明导电氧化物层具有横过该装置的外和内有源区域的凹槽，其中该吸收层具有在该装置的外有源区域中的凹槽，以及其中该后反射层具有在该装置的外有源区域与内有源区域之间的凹槽。
13.一种生产用于测试薄膜光电生产工艺的装置的方法，包括在单个基板上形成多个装置，其中通过激光刻划确定该装置，其中从由用于测量前透明导电氧化物层与后反射层之间的接触电阻的测试器、用于测量后反射层薄层电阻的测试器、用于测量前透明导电氧化物层薄层电阻的测试器、以及用于测量二极管特征的测试器构成的测试器组中选择该多个装置。
14.如权利要求13所述的方法，其中在光电模块生产期间操纵并控制装置的位置、放置和数量。
15.一种生产用于测试薄膜光电生产工艺的装置的方法，其包括：
在基板上形成光电模块；以及
在该基板上形成光电工艺测试器，其中通过激光刻划确定该测试器，其中从由用于测量前透明导电氧化物层与后反射层之间的接触电阻的测试器、用于测量后反射层薄层电阻的测试器、用于测量前透明导电氧化物层薄层电阻的测试器、以及用于测量二极管特征的测试器构成的测量器组中选择该测试器。
16.如权利要求15所述的方法，其中将测试器放置在基板的切割区域。
17.一种确定薄膜光电电池、测试器或模块工艺设计规则的方法，包括：
形成多个光电电池，其中光电电池包括：
在基板之上形成的透明导电氧化物层；
在该透明导电氧化物层之上形成的吸收层；以及
在该吸收层之上形成的后反射层；以及
在电池的各层中激光刻划凹槽，其中为了确定预期工艺特征的间隔，改变凹槽之间的横向距离。
18.如权利要求17所述的方法，其中为了确定预期工艺特征的间隔，改变透明导电氧化物层中的凹槽与吸收层中的凹槽之间的横向距离。
19.如权利要求17所述的方法，其中为了确定预期工艺特征的优化间隔，改变吸收层中的凹槽与后反射层中的凹槽之间的横向距离。
20.如权利要求17所述的方法，其中为了确定预期工艺特征的间隔，在处理期间通过自动软件操纵凹槽之间的横向距离。
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