CN101842900A - 薄膜太阳能电池系统和制造薄膜太阳能电池的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造薄膜太阳能电池的方法，包括在面积至少为0.75m2的衬底上设置第一导电层。第一导电层位于所述面积的沉积部分中。施加紫外激光束，使其穿过透镜到第一导电层。划刻第一导电层的部分以形成穿过该层的沟槽。透镜聚焦所述束并且具有至少100mm的焦距。聚焦的束包括对于划刻有效的有效部分和对于划刻无效的无效部分。衬底下陷并且在施加步骤中第一导电层跨越所述面积保持在聚焦的束的有效部分中。一个或多个有源层设置在第一导电层上。第二导电层设置在所述一个或多个有源层上。
Description
相关申请的交叉引用
特此要求2007年8月30日提交的美国临时专利申请序列号60/968,898的优先权，其公开内容通过引用被合并在此。
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，并且特别涉及在大面积衬底上采用激光划刻(laser scribing)技术制造薄膜太阳能电池的方法和系统。
背景技术
具有单片串联连接的薄膜太阳能电池可以通过使用划刻激光器或机械结构来形成。机械结构可以包括光刻或化学蚀刻结构。所述结构有益于形成光伏(PV)模块或“阵列”。这些构思允许PV模块被适配到期望的输出特性——VOC(开路电压)，ISC(短路电流)和FF(占空因数(fill factor)——被定义为在最大功率点处产生的最大功率除以ISC和VOC的乘积，其一般小于1)。因此可以具体地设计这些特征以满足使用者的需求/应用。
在衬底上形成太阳能电池以及在这样的太阳能电池的制造中采用激光划刻的是已知的。美国专利号4,292,092中公开了一种采用划刻激光器制造太阳能电池的方法，该专利通过引用被合并于此。公开号为US2005/0272175A1的美国专利申请中也公开了一种采用划刻激光器制造太阳能电池的方法，通过引用将其合并于此。
发明内容
依照本发明的一个方面，提供一种制造薄膜太阳能电池的方法。所述方法包括在衬底上设置第一导电层的步骤，其中所述衬底具有至少为0.75m2的面积并且所述第一导电层位于所述面积的沉积部分中。施加紫外激光束，使其穿过透镜到达第一导电层。划刻第一导电层的部分直到衬底，以形成穿过第一导电层的沟槽。透镜聚焦所述紫外激光束，并且其具有大于100mm的焦距。聚焦的紫外激光束包括对于划刻有效的有效部分和对于划刻无效的无效部分。衬底下陷以使得在施加步骤期间被划刻的第一导电层的部分在被划刻时位于聚焦的紫外激光束的有效部分内。一个或多个有源层设置在第一导电层上。第二导电层设置在所述一个或多个有源层上。
依照本发明的另一个方面，提供一种薄膜太阳能电池系统，其包括具有至少为0.75m2的面积的衬底。第一导电层位于衬底上，在所述面积的沉积部分中。第一导电层包括ZnO。第一导电层具有被划刻直到衬底的多个第一沟槽，以定义多个分离的第一导电层部分。所述多个分离的第一导电层部分通过所述多个第一沟槽而彼此分开。所述系统包括紫外激光器，其包括焦距大于100mm的透镜，该透镜将紫外激光器的激光束聚焦到第一导电层以划刻所述多个第一沟槽。所述激光束包括对于划刻所述多个第一沟槽有效的有效部分和对于划刻所述多个第一沟槽无效的无效部分。衬底下陷并且第一导电层的一些部分在所述多个第一沟槽被划刻时保持在所述激光束的有效部分内。一个或多个有源层覆盖第一导电层的一部分。所述一个或多个有源层具有被划刻直到第一导电层的多个第二沟槽，以定义多个分离的有源层部分。所述多个分离的有源层部分通过所述多个第二沟槽而彼此分开。所述多个分离的有源层部分的每个分离的有源层部分覆盖所述多个分离的第一导电层部分中的相应的一个的一部分。第二导电层覆盖所述一个或多个有源层的一部分。第二导电层具有被划刻直到基础层的多个第三沟槽，以定义多个分离的第二导电层部分。所述多个分离的第二导电层部分通过所述多个第三沟槽而彼此分开。所述多个第二导电层部分中的每个分离的第二导电层部分覆盖相应的分离的有源层部分的一部分。所述太阳能电池系统包括多个邻近的太阳能电池，所述多个邻近的太阳能电池通过连接第一导电层和第二导电层在衬底上以串联形式电连接。
依照本发明的另一个方面，提供一种用于形成薄膜太阳能电池的激光划刻设备。所述设备包括支撑器件，所述支撑器件用于支撑具有至少为0.75m2的面积的太阳能电池衬底和包括ZnO的导电层，所述导电层位于衬底上，在所述面积的沉积部分中。选择性地可定位的紫外激光器产生波长小于400nm的光束。所述激光器包括用于聚焦光束的、焦距至少为100mm的透镜。所述选择性地可定位的紫外激光器关于衬底选择性地可定位。所述透镜将光束聚焦到导电层上，使得光束划刻导电层的部分直到衬底，以形成穿过导电层的沟槽。所述光束包括对于划刻所述导电层的部分有效的有效部分和对于划刻所述导电层的部分无效的无效部分。衬底在被支撑器件支撑时下陷，以使得通过光束被划刻的所述导电层的部分在被划刻时位于所述光束的有效部分内。
附图说明
图1是几个串联连接的薄膜太阳能电池的示意图；
图2是示出实验测量的采用划刻技术的采用LP-CVD的ZnO TCO层的吸收特性的图表；
图3是采用激光束和聚焦透镜的激光划刻技术的示意图；
图4a是激光束和聚焦透镜的示意图；
图4b是激光束和聚焦透镜的示意图；以及
图5是激光划刻设备的示意图。
具体实施方式
图1是示出了串联连接的薄膜光伏(PV)模块的一部分的示意图，。该图示出了串联连接的三个电池(Celln，Celln+1，Celln+2)，当然可以制造任意数量的期望的电池，并且根据需要，各个电池可以代之以并联连接，或者不电连接在一起。
一般地，如图1所示，典型地非导电的衬底21(如由玻璃制成)具有设置在衬底上的第一导电层22。之后，一个或多个有源层23设置在第一导电层上，并且一个外部电极层或第二导电层24设置在有源层上作为第二导电层。不同的层通过一种或多种技术(例如在施加后续的层之前采用激光束激光划刻各层)被分割成分离的部分，每个部分用于单个的太阳能电池。例如，第一导电层22的部分可通过激光束被划刻直到衬底21，以形成多个分离的第一导电层部分，这些多个分离的第一导电层部分通过多个第一沟槽25而被彼此分离。可以划刻所述一个或多个有源层23的部分直到第一导电层22，以形成多个分离的有源层部分，所述多个分离的有源层部分通过多个第二沟槽27而被彼此分离。可以划刻第二导电层24的部分直到基础层，以形成多个第二导电层部分，所述多个第二导电层部分通过多个第三沟槽26而被彼此分离。这导致将第一导电层、有源层和第二导电层分别分离到相应的太阳能电池的沟槽25、26和27。
衬底21和第一导电层22一般是透光的，以允许光经过它们到达有源层23，这是因为半导体有源层足够透光以让光通过。此外，可以应用背反射体(backreflector)以使得光被迫第二次通过有源层23以便最终被吸收，从而提高效率。作为替换，可以将第二导电层24制作为透光的以允许光从该侧到达有源层。
此外，一个电池中的第二导电层24一般通过将该第二导电层交叠在邻近电池的第一导电层22上而连接到该邻近电池的第一导电层，以便串联连接各个太阳能电池，从而形成串联连接的PV模块。例如，Celln的第二导电层部分与邻近的Celln+1的第一导电层部分相交叠，而Celln+1的第二导电层部分与邻近的Celln+2的第一导电层部分相交叠。
可以选择包括氧化锌(ZnO)的透明导电氧化物(TCO)层用于第一导电层22。诸如通过低压化学气相沉积(LP-CVD)工艺或等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺，可将第一导电层22沉积在衬底21的上表面上，在上表面的沉积部分中。作为替换，溅射工艺也可以用来在透光衬底上的沉积部分中沉积TCO层。第一导电层22位于其中的沉积部分可以是衬底的整个上表面或者是上表面的一部分。例如透光衬底包括玻璃和高透光的UV稳定塑料。在衬底上进行沉积后，ZnO TCO层的部分可以采用紫外激光束被激光划刻直到衬底21，从而形成沟槽25并且将第一导电层22分成多个分离的第一导电层部分，其中每个部分与单独的太阳能电池相对应。
一个或多个有源层可以用于形成p-i-n结，典型地包括不同地掺杂的和/或非掺杂的硅层。这些有源层可以沉积在ZnO TCO层上，诸如通过LP-CVD工艺或PECVD工艺。这可以使得TCO沟槽25被有源层中的一个或多个填充，如图1所示。在施加这些之后，有源层23的部分可被向下激光划刻，以暴露第一导电层22，从而形成沟槽27并将有源层分成多个分离的有源层部分，其中每个部分与单独的太阳能电池相对应。
之后，电极层作为第二导电层24被施加在有源层上以形成各个太阳能电池的各个外部电极。第二导电层24可以由TCO或全反射材料组成，诸如铝或其他适合的材料。可以使用LP-CVD工艺或PECVD工艺将第二导电层24施加在有源层上，但是也可以使用其它可替换的工艺，诸如溅射。在施加之后，第二导电层24的部分可以被向下激光划刻以暴露基础层，从而形成沟槽26并且将第二导电层分成多个第二导电层部分，其中每个部分对应单个太阳能电池。
如图1所示，三种划刻沟槽25，26和27的适当的排列导致PV模块的串联连接的电池。尽管为方便起见只示出了三个独立的电池，但对于任意期望数量的串联连接的电池，处理是相似的。
由于ZnO TCO第一导电层22对于400nm以下的波长具有强吸收，因此工作在355nm(～3.5eV)波长的紫外Nd:YVO4激光器(例如，CoherentAVIA355-X10瓦特激光器)可以用于TCO划刻步骤(参见下面给出的该激光器的特性)。通过在ZnO TCO第一导电层22上采用这样的短波长紫外激光束，激光束的多数或者大部分被ZnO膜有效地吸收。这通过图2的由实验获得的图表被示出，该图表示出LP-CVD形成的ZnO层的吸收特性。水平轴上部刻度代表激光波长，而下部刻度代表照射在TCO层上的激光的等效能量。阿尔法(alpha)代表激光能量的相对吸收系数。B2H6(乙硼烷)是用于半导体工艺中的P-掺杂的在TCO(ZnO)施加过程中混合的硼-氢掺杂气体。“sccm”(标准立方厘米每分钟)代表气体的气体流量量度。从图中可以看出，光能量的相对吸收在2.9eV时或以后和之上实质地增大。因此3.2eV的激光比2.5或2.0eV的激光更有效大约100倍。
使用这样的紫外激光来形成PV串联连接模块，导致在向下切割到衬底21的沟槽25中的ZnO TCO第一导电层22有效的熔化和蒸发以及/或者切除(参见图1)。这样的紫外激光束不是仅熔化ZnO材料，而是气化多数或者所有与激光束接触的的ZnO材料，从而导致精确切割并且基本上光滑的沟槽25(减少或者去除沟槽中的不想要的凸缘和突起)。因此，使用适当波长(以优化激光能量的期望的吸收)的高能量(短波长)紫外激光束获得了高效率，并且得到在各个电池被适当隔离的情况下的较高的占空因数FF。类似地，对于ZnO之外的材料，选择适合于高吸收的适当的激光波长也可以得到相似的结果。因此，通过使用这样的短波长激光束来划刻TCO层可以获得在高划刻速度(大于10m/min)下的非常良好的隔离。
图3是用于形成PV模块的激光划刻系统的示意图。透镜31将来自紫外激光器33的激光束32聚焦到衬底21上的第一导电层22，以划刻穿过第一导电层到衬底的沟槽，如上所述。透镜31具有相关焦距(f)并位于第一导电层22的上方一定距离(d)处。
具有沉积部分(第一导电层22通过诸如PECVD工艺沉积在该部分中)的衬底21的表面可以具有至少为0.75m2的大面积。这样的“大面积衬底”由于它们的大面积和相应的重量在划刻工艺过程中趋于表现出横跨该大面积的显著的下陷。可在沿着衬底的多个点处支撑衬底21，从而下陷发生在这样的支撑点之间。下陷的量取决于诸如衬底材料及其厚度以及支撑点之间的距离的因素。下陷可以被保持为尽可能小，如小于1mm。然而，1mm或者更大的下陷也是可能的。衬底21的下陷示意性地显示在图3中。
聚焦的激光束具有处理窗口(D)，如图4a和4b所示。所述处理窗口(D)提供聚焦激光束的有效部分，所述有效部分对于在第一导电层中划刻沟槽是有效的。处理窗口(D)提供一距离范围，在该距离范围内聚焦的激光束的功率密度大于给定的有效值。所述有效值可以是功率密度，该功率密度对于蒸发和/或切除第一导电层的部分是有效的。位于处理窗口(D)外面的聚焦的激光束的部分具有较低的功率密度并且不足以用于在第一导电层中划刻沟槽。
处理窗口(D)的长度取决于激光束32的宽度以及透镜31的焦距(f)。对于给定的激光束宽度，可以通过选择具有较长焦距(f)的透镜31来延长处理窗口(D)。这示意性地显示于图4a和4b中。图4a中的透镜31具有63mm的焦距(f)，而图4b中的透镜具有大于63mm的焦距(f)。激光束32的宽度在图4a和4b中基本上是一样的。然而，图4b中的处理窗口(D)长于图4a中的处理窗口，原因在于图4b中的透镜31的焦距(f)较长。
现有技术中的划刻激光器已知使用焦距为63mm的透镜31。通过这样的透镜确立的处理窗口(D)对于小衬底可能是适合的，但是对于至少为0.75m2的大面积衬底可能是不合适的，例如用于PEVCD沉积系统的那些衬底。小衬底比大衬底表现出较小的下陷，并且，主要取决于机械原因，透镜31和被处理(即，划刻)层之间的距离(d)容易控制。可移动的透镜31和激光器33可以设置在衬底21和被划刻层的上方，其中透镜31设置在被划刻层上方一定距离(d)处。可移动的透镜31和激光器33应该遵循预定的(例如，预先编程的)划刻路线以在被划刻层中划刻沟槽。当衬底21变大时，诸如大于或等于0.75m2，它可能会下陷到由63mm的激光确立的处理窗口(D)之外，这可使得第一导电层22置于处理窗口(D)之外。
在增大衬底大小的情况下，透镜31和激光器33的引导系统(如，y设备或x-y设备)对于衬底的下陷变得越来越敏感。对衬底下陷的补偿可能增加划刻系统的移动质量和构建成本。当衬底呈现出工业大面积(如，≥0.75m2)时，扰动该距离的变量变得越来越相关，特别是当需要可重复的划刻时导致很多困难。然而，具有较长焦距的透镜提供较大的景深和较大的处理窗口(D)，这导致对衬底下陷的较好的耐受性。
在一个实施例中，例如，衬底21为至少0.75m2的大面积衬底，激光束32为波长小于400nm(如，大约355nm)的紫外激光束，并且激光束32具有6mm或更小(如3.5mm)的直径。第一导电层22通过PECVD工艺沉积在大面积衬底上的沉积部分中并且包括ZnO。用于聚焦激光束32的透镜31具有至少为100mm(如，在100mm和150mm之间)的焦距。如上文所述，这样的系统被认为对于在第一导电层22中划刻沟槽是有效的，尽管存在由于衬底的大面积而导致的显著的衬底下陷。在划刻工艺过程中大面积衬底产生下陷。然而，较大的处理窗口(D)适应于这样的下陷，使得激光束32被引导到其上的衬底21和第一导电层22的部分保持在聚焦的激光束的有效部分内。所以，在划刻工艺过程中，透镜31和激光器33在z方向(如，垂直方向)上的位置可以保持基本上恒定，但透镜和激光器以及/或者衬底在x和y方向中的一个或者两者上沿着预定的划刻路线移动。
较大的焦距增大了焦点处的束直径并且因此增大了聚焦的激光束的光斑尺寸。通常这并不是优点，因为期望减小光斑尺寸以便局部地增大能量密度。减小光斑尺寸并且局部地增大能量密度可以允许使用低能耗激光器。令人惊奇的是，发现：通过采用具有较长焦距的透镜来增大聚焦的激光束的光斑尺寸，划刻工艺的鲁棒性(稳定性)提高了。例如，划刻工艺对颗粒的敏感性较低了。同时发现分离的层部分(如，分离的第一导电层部分)之间的隔离由于较大的划刻宽度(典型地为20-35μm，相比于较小的63mm透镜的10-20μm)也被改善了。改进的隔离在大PV模块中是有益的，在所述大PV模块中电势差可以大于200V。
图5中示意性地示出了一个示例激光划刻设备。如上文所述，激光划刻设备包括选择性地可定位的紫外激光器33和透镜31，用于划刻第一导电层22和/或一个或多个有源层以及第二导电层的部分。所述设备进一步包括用于支撑衬底21的衬底支撑器件35，衬底21具有至少0.75m2的面积。衬底支撑器件35可以包括用于在X-方向移动衬底的X工作台。衬底21可设置在销38或带/辊(没有示出)上。激光器33和透镜31关于衬底21和支撑器件35选择性地可定位。例如，激光器33和透镜31可以通过y器件36在y方向上移动。衬底21通过x工作台在x方向上的以及激光器33和透镜31通过y器件36在y方向上的混合移动使得可以沿着预定的划刻线路进行划刻。随着衬底21以及激光器33和透镜31沿着划刻路线移动，透镜31聚焦激光束32到第一导电层22上以在第一导电层中划刻期望的沟槽。
应当理解的是，可选择地，在划刻过程中，激光器33和透镜31可以在x-和y-方向两方向上移动，而衬底21保持固定。同样，在划刻过程中，衬底21可以在x-和y-方向两个方向上移动，而激光器33和透镜31保持固定。
例如在图5中示意性地示出了x-和z-方向的例子并且y-方向应该正交于x-和z-方向这两者。所述x-和y-方向可以是水平方向。
激光划刻设备可以包括用于控制y器件36的移动并且因此控制激光器33和透镜31的移动的控制器37。控制器37也可以控制x工作台的操作和衬底21以及被处理层22的移动。控制器37可以是电子控制器并可以包括处理器。控制器37可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、分立逻辑电路等等中的一个或多个。控制器37可以进一步包括存储器，并且可以存储使得控制器提供在此归于其的功能的程序指令。存储器可以包括一个或多个易失性、非易失性、磁的、光的或电子的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存等等。
在一个实施例中，控制器37是可编程的并且执行划刻程序。所述划刻程序可以包括预定的划刻路线并且所述控制器37可以基于预定的划刻路线控制x工作台和y器件36的移动。所述控制器37可以接收来自x工作台和y器件36的多个模拟和/或数字输入(诸如位置和速度输入)，并且输出多个模拟和/或数字控制信号到x工作台和y器件。控制器37也可以与紫外激光器33通信并控制其操作。
衬底21在被支撑器件35支撑时下陷。如上文所述，由激光器33和透镜31提供的较大的处理窗口(D)适应这样的下陷，从而使得激光束被引导到其上的衬底21和第一导电层22的部分保持在聚焦的激光束的有效部分内。因此，透镜31以及激光器33在z方向的位置在划刻过程中可以保持基本上恒定，而透镜和激光器沿着预定的划刻路线在y方向上移动以及衬底在x方向上移动。例如，透镜31和激光器33在划刻工艺过程中可以保持在支撑器件35上方基本上恒定的垂直距离处。
可以接受的用于在涂敷有ZnO作为TCO层的大面积玻璃衬底的覆膜侧上划刻TCO沟槽的激光参数包括8瓦特或以上的激光功率以及25m/min(米/分钟)或以上的划刻速度。焦距在100mm到150mm之间的聚焦透镜可以用来聚焦TCO划刻激光。
示例应用
应用UV-激光器(CoherentAVIA 355-X)的示例的规格为：
波长：355nm
功率：60kHz时为10.0瓦特
脉冲频率范围：1Hz到100kHz
脉冲长度：＜30ns直到60kHz
M2：＜1.3(TEM00)(波型)
偏振：＞100∶1，水平的
束直径(出射)：在1/e2为3.5mm
全角度束偏离：＜0.3mrad
可以采用已知的划刻有源和/或第二电极层23，24(图1)的方法，诸如美国专利4,292,092中公开的方法，该专利通过引用被包含于此。这些层可以采用例如532nm的激光来划刻。
用于具有通过其它方法(溅射，等)沉积的ZnO或具有与ZnO相似的吸收特性的其它TCO材料的涂敷衬底的激光划刻或层结构化处理同样也可以受益于上面所公开的工艺。
显而易见的是，本发明公开是以示例的方式且可以在不背离本发明公开中所包含的教导的公平范围的情况下通过增加、修改或删除实现各种变化。本发明因此不限于本公开的具体细节，而是延伸到权利要求所限定的范围。
Claims (23)
1.一种用于制造薄膜太阳能电池的方法，包括步骤：
在衬底上提供第一导电层，其中所述衬底具有至少为0.75m2的面积并且所述第一导电层位于所述面积的沉积部分中；
施加紫外激光束，使其穿过透镜到所述第一导电层，并且划刻所述第一导电层的部分直到所述衬底，以形成穿过所述第一导电层的沟槽，
其中所述透镜聚焦所述紫外激光束并且具有大于100mm的焦距，
其中聚焦的紫外激光束包括对于划刻有效的有效部分和对于划刻无效的无效部分，以及
其中，所述衬底下陷，从而使得所述第一导电层的在施加步骤中被划刻的部分在被划刻时位于聚焦的紫外激光束的有效部分之内；
在所述第一导电层上提供一个或多个有源层；以及
在所述一个或多个有源层上提供第二导电层。
2.如权利要求1所述的方法，其中紫外激光束具有小于400nm的波长。
3.如权利要求2所述的方法，其中紫外激光束具有大约355nm的波长。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述焦距小于150nm。
5.如权利要求4所述的方法，其中在施加步骤期间所述透镜在垂直方向上的位置保持基本上恒定。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述沟槽具有至少为20μm的宽度。
7.如权利要求4所述的方法，其中第一导电层包括ZnO。
8.如权利要求7所述的方法，其中第一导电层的被划刻的部分是通过紫外激光束被蒸发的，从而使得所述沟槽包括基本上光滑的沟槽壁。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括步骤：
划刻所述一个或多个有源层的部分直到所述第一导电层；以及
划刻第二导电层的部分直到基础层。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述衬底上形成以串联方式电连接的多个薄膜太阳能电池。
11.一种薄膜太阳能电池系统，包括：
面积至少为0.75m2的衬底；
第一导电层，其位于所述衬底上且在所述面积的沉积部分中，其中第所述第一导电层包括ZnO，并且其中第一导电层具有被划刻直到所述衬底的多个第一沟槽，以定义多个分离的第一导电层部分，并且其中所述多个分离的第一导电层部分通过所述多个第一沟槽而被彼此分开；
紫外激光器，其包括焦距大于100mm的透镜，所述透镜将紫外激光器的激光束聚焦到第一导电层上以划刻所述多个第一沟槽，
其中激光束包括对于划刻所述多个第一沟槽有效的有效部分和对于划刻所述多个第一沟槽无效的无效部分，并且，
其中衬底下陷且在划刻所述多个第一沟槽时第一导电层的一部分保持在激光束的有效部分内；
一个或多个有源层，其覆盖第一有源层的一部分，其中所述一个或多个有源层具有多个第二沟槽，所述多个第二沟槽被划刻直到所述第一导电层，以定义多个分离的有源层部分，并且其中所述多个分离的有源层部分通过所述多个第二沟槽而被彼此分离，并且其中所述多个分离的有源层部分中的每个分离的有源层部分覆盖所述多个分离的第一导电层部分中的相应的一个的一部分；
第二导电层，其覆盖所述一个或多个有源层的一部分，其中所述第二导电层具有多个第三沟槽，所述多个第三沟槽被划刻直到基础层，以定义多个分离的第二导电层部分，并且其中所述多个分离的第二导电层部分通过所述多个第三沟槽而被彼此分开，并且其中所述多个第二导电层部分中的每个分离的第二导电层部分覆盖相应的分离的有源层部分的一部分，
其中所述太阳能电池系统包括通过连接第一导电层和第二导电层在衬底上以串联方式电连接的多个邻近的太阳能电池。
12.如权利要求11所述的薄膜太阳能电池系统，其中所述激光束具有小于400nm的波长。
13.如权利要求12所述的薄膜太阳能电池系统，其中所述激光束具有大约355nm的波长。
14.如权利要求13所述的薄膜太阳能电池系统，所述焦距小于150mm。
15.如权利要求14所述的薄膜太阳能电池系统，其中在所述多个第一沟槽被划刻时所述透镜在垂直方向上的位置保持基本上恒定。
16.如权利要求14所述的薄膜太阳能电池系统，其中所述多个第一沟槽中的每个第一沟槽具有至少为20μm的宽度。
17.如权利要求14所述的薄膜太阳能电池系统，其中所述多个第一沟槽包括基本上光滑的沟槽壁。
18.一种用于形成薄膜太阳能电池的激光划刻设备，包括：
支撑器件，其适合于支撑面积至少为0.75m2的太阳能电池衬底以及包括ZnO的导电层，所述导电层位于衬底上且在所述面积的沉积部分中；以及
选择性地可定位的紫外激光器，其产生波长小于400nm的光束并且其包括焦距至少为100mm、用于聚焦所述光束的透镜，其中选择性地可定位的紫外激光器关于衬底选择性地可定位，
其中透镜将所述光束聚焦到所述第一导电层，使得所述光束划刻所述导电层的部分直到所述衬底，以形成穿过所述导电层的沟槽，
其中所述光束包括对于划刻所述导电层的部分有效的有效部分和对于划刻所述导电层的部分无效的无效部分，以及
其中所述衬底在被所述支撑器件支撑时下陷，从而使得被所述光束划刻的所述导电层的部分在被划刻时位于所述光束的有效部分中。
19.如权利要求18所述的激光划刻设备，其中所述激光器位于距离支撑器件一定距离的位置，并且当所述光束波聚焦到所述导电层上时所述距离保持基本上恒定。
20.如权利要求19所述的激光划刻设备，其中所述激光划刻设备包括用于执行划刻程序并且基于预定的划刻路线控制所述激光器的移动的处理器。
21.如权利要求20所述的激光划刻设备，其中所述波长大约为355nm。
22.如权利要求21所述的激光划刻设备，其中所述焦距不大于150nm。
23.如权利要求22所述的激光划刻设备，其中所述沟槽的宽度至少为20μm并且包括基本上光滑的沟槽壁。
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|---|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102820380A (zh) * | 2012-08-28 | 2012-12-12 | 保定天威薄膜光伏有限公司 | 一种提高激光划刻透明导电氧化物薄膜绝缘性能的方法 |
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