一种用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板

摘要

本发明公开了一种用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板，为由第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板构成的成套掩模板，其中，第一掩模板用于制备背电极，设有若干条互相垂直的横向主栅线和纵向主栅线，分别用于将第一掩模板分成若干组和若干列，从而将第一掩模板分成若干空格，每一个空格对应一个电池的面积；第二掩模板用于制备铜铟镓硒吸收层、缓冲层和透明导电层，第二掩模板与第一掩模板左右对称；第三掩模板用于制备金属栅线，设有若干条主栅和若干条细栅。本发明的掩模板用于制备太阳能聚光光伏系统的接收器，在薄膜沉积过程中实现单体电池的分离和单体电池之间的串联，无需使用外部接线，不但降低了生产成本，而且提高了接收器的可靠性。

权利要求

1.一种用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板，其特征在于，为由第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板构成的成套掩模板，其中，(1)所述的第一掩模板用于在衬底上进行背电极溅射，所述的第一掩模板上设有若干条互相垂直的横向主栅线和纵向主栅线，所述的横向主栅线用于将所述的第一掩模板分成若干组，所述的纵向主栅线用于将所述的第一掩模板分成若干列，这样，所述的横向主栅线和纵向主栅线将所述的第一掩模板分成若干空格，每一个空格对应一个电池的面积，在所述第一掩模板中每一个空格的两个左侧角上各有一个矩形标签；

(2)所述的第二掩模板用于制备铜铟镓硒吸收层、缓冲层和透明导电层，所述的第二掩模板与所述的第一掩模板左右对称，即所述第二掩模板具有与所述第一掩模板相同的横向主栅线、纵向主栅线和若干空格，且所述第二掩模板中每一个空格的两个右侧角上各有一个与所述第一掩模板中相同大小的矩形标签；

(3)所述的第三掩模板用于制备金属栅线；所述的第三掩模板上设有若干条主栅和若干条细栅，光生电子在流经所述第三掩模板的细栅制备的金属栅线后汇聚到所述第三掩模板的主栅制备的金属栅线，所述第三掩模板中的各条主栅制备的金属栅线还跨过所述第一掩模板的纵向主栅线和所述第二掩模板的纵向主栅线覆盖的区域，与所述第二掩模板的矩形标签覆盖的区域连接。

2.如权利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的第一掩模板的长度等于衬底的长度，所述的第一掩模板的宽度等于衬底的宽度。

3.如权利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的衬底为绝缘衬底或镀有介电层的导电衬底。

4.如权利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的细栅为梯形。

5.如权利要求1所述的掩模板，其特征在于，所述的矩形标签的长度L满足：0.05mm＜L＜1mm，宽度W满足：0.05mm＜W＜1mm。

说明书

一种用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳能聚光光伏发电技术领域，具体涉及一种用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板。

背景技术

[0002] 近年来，太阳能已成为现代社会资源开发的重点，光伏发电在我国受到前所未有的重视，太阳能发电正在成为我国可再生能源利用中的一支生力军。其中，对太阳能聚光光伏系统(CPV)的关注和研究发展，将光伏发电带进了一个新的时代。

[0003] 太阳能聚光光伏系统通过光学元件把一定面积上的阳光几十倍甚至上千倍的会聚在一个较小的电池芯片上，从而有效地减少了光电池的用量，大幅度降低电池成本。

[0004] 太阳能聚光光伏系统中，聚光组件中的接收器由一个或多个光伏电池组成，接受汇聚后的阳光，产生光电转换。接收器主要为砷化镓基多结电池和晶体硅电池。其中，砷化镓基多结电池被独立用作点聚光CPV组件中的接收电池，而多晶硅电池则是通过外围引线连接形成线性接收器。

[0005] 薄膜电池也可用来作为CPV接收器，如铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2，CIGS)电池。但是，在线聚光CPV系统中，由于CIGS电池的两个电极均在衬底上表面，将各独立CIGS聚光电池互连形成线性接收器就极具困难。各电池之间的外围接线会增加电池的阴影，也会由于暴露于强光中而产生安全问题。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种用于制备太阳能聚光薄膜电池的接收器的掩模板，实现多个太阳能聚光薄膜电池的分离和串联互连，无需使用外部接线，有效节省了成本，并提高了接收器的可靠性。

[0007] 一种用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板，为由第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板构成的成套掩模板，其中，

[0008] (1)所述的第一掩模板用于在衬底上进行背电极溅射，所述的第一掩模板上设有若干条互相垂直的横向主栅线和纵向主栅线，所述的横向主栅线用于将所述的第一掩模板分成若干组，所述的纵向主栅线用于将所述的第一掩模板分成若干列，这样，所述的横向主栅线和纵向主栅线将所述的第一掩模板分成若干空格，每一个空格对应一个电池的面积；

[0009] 所述的第一掩模板的长度不小于衬底的长度，所述的第一掩模板的宽度不小于衬底的宽度，这样所述的第一掩模板的长度和宽度能够覆盖衬底的长度和宽度。通常，所述的第一掩模板的长度等于衬底的长度，所述的第一掩模板的宽度等于衬底的宽度，这样所述的第一掩模板的长度和宽度刚好覆盖衬底的长度和宽度。所述的第一掩模板的组数可以由每组的宽度、横向主栅线的宽度及第一掩模板的宽度来确定，每组最后成为包含若干个依次串联的单体电池的一个线性接收器；所述的第一掩模板的列的数目，即每组的电池数目，由每块电池的长度、纵向主栅线的宽度及第一掩模板的长度决定。在所述的每一个空格的两个左侧角上设有矩形标签，所述的矩形标签的长度L满足：0.05mm＜L＜1mm，宽度W满足：0.05mm＜W＜1mm。

[0010] 用所述的第一掩模板在衬底上沉积薄膜后，在横向主栅线和纵向主栅线及矩形标签覆盖的区域没有背电极材料，在衬底的其它区域均沉积有背电极材料。这样，纵向主栅线的宽度决定了在同一线性接收器上相邻电池之间的距离。由于相邻电池之间的区域虽然被光照到但是不会产生光电流，因此这个距离需要尽量缩小。

[0011] 为了达到这个目标，可以省去纵向主栅线(或者说设置纵向主栅线的宽度为零)，但在完成背电极薄膜制备之后，要利用激光划线来进行每排中的背电极的分离，由于激光的宽度可以在毫米量级，这样在相邻电池之间只会产生极小的死区。

[0012] 所述的衬底为绝缘衬底或镀有介电层的导电衬底。

[0013] (2)所述的第二掩模板用于制备铜铟镓硒吸收层、缓冲层和透明导电层，所述的第二掩模板与所述的第一掩模板左右对称，或者说互为镜像。

[0014] 同样，如果采用省去纵向主栅线的第一掩模板，则所述的第二掩模板也省去纵向主栅线(或者说设置纵向主栅线的宽度为零)。这样，使用所述的第二掩模板完成上述铜铟镓硒吸收层、缓冲层和透明导电层三层材料的制备后，需要通过机械或激光划线来进行每排中这三层材料的分离，以尽可能的减少相邻电池之间的死区。

[0015] 用所述的第二掩模板在背电极和衬底上沉积薄膜后，形成铜铟镓硒吸收层、缓冲层和透明导电层；

[0016] (3)所述的第三掩模板用于制备金属栅线；所述的第三掩模板上设有若干条主栅和若干条细栅，光生电子通过所述的细栅汇集到所述的主栅上。

[0017] 所述的细栅为梯形，越接近主栅，细栅的宽度越大，梯形细栅的面电阻越小，避免因电流密度的增加引起串联损耗增大。该设计在降低细栅覆盖面积的同时，有效降低了细栅的串联损耗。

[0018] 一方面，由于细栅位于光照区域内，细栅的覆盖面积应该尽量降低，以减少阴影损失；另一方面，细栅也要有足够大的尺寸以获得低电阻，来降低光电流流经细栅时的电阻损失。这两方面的权衡要求细栅设计(尺寸、间距、材料)要根据特定条件进行调整，这些条件包括电池的尺寸，聚光倍数和前电极的表面电阻等等。

[0019] 由于主栅没有被光照到，主栅面积不用降到最低；但是，较小的主栅宽度意味着在相同面积衬底上可以制备更多的电池，即获得更高的开路电压，因此，主栅的宽度要适中。此外，主栅尺寸(厚度及宽度)设计时需要考虑的另一个因素，就是要使光电流在主栅上的电阻损失能够降到最低。

[0020] 所述的第三掩模板的长度不小于衬底的长度，所述的第三掩模板的宽度不小于衬底的宽度，通常，所述的第三掩模板的长度等于衬底的长度，所述的第三掩模板的宽度等于衬底的宽度。

[0021] 用所述的第三掩模板沉积金属栅线后，每组中的若干个单体电池通过金属栅线构成串联电流，形成线性接收器。

[0022] 相对于喷墨-打印法，采用上述的第三掩模板制备金属栅线，能避免高温退火过程，从而避免对电池造成损害；相对于光刻法，采用所述的第三掩模板制备金属栅线，可以不受栅线厚度的限制，也不会对透明导电层造成影响。

[0023] 本发明的用于制备聚光薄膜电池的接收器的掩模板，可以在薄膜沉积的过程中，形成多个单体电池，同时实现各个单体电池之间的串联，无需使用外部接线，有效节省了成本，并提高了接收器的可靠性。

附图说明

[0024] 图1是单个铜铟镓硒薄膜电池的结构示意图；

[0025] 图2是第一掩模板的两种结构示意图；

[0026] 图3是第二掩模板的两种结构示意图；

[0027] 图4是第三掩模板的结构示意图；

[0028] 图5是每个工艺步骤对应的器件截面示意图；

[0029] 图6是制备的薄膜电池的表面结构示意图。

具体实施方式

[0030] 下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

[0031] 图1是典型的铜铟镓硒电池结构示意图。在衬底110上依次沉积背电极120(通常为钼)，铜铟镓硒吸收层130，缓冲层140和透明导电层150(通常为透明导电膜TCO)及金属栅线160。产生的光生电子被金属栅线160收集，并通过外部负载电路170，然后回到背电极120。

[0032] 为了在同一衬底上制备多个独立的电池，需要依次进行背电极120的制备；铜铟镓硒吸收层130、缓冲层140和透明导电层150的制备；和金属栅线160的制备。

[0033] 图2(a)所示的掩模板可以用来在衬底110上制备背电极120。

[0034] 图2(a)是第一掩模板210的结构示意图。第一掩模板210上设有若干条互相垂直的横向主栅线230和纵向主栅线250。

[0035] 第一掩模板210的长度等于衬底长度270，第一掩模板210的宽度等于衬底宽度260，因此第一掩模板210能够覆盖衬底110；横向主栅线230将第一掩模板210分成若干组，组数可以由每组的宽度280(即每个铜铟镓硒电池的宽度)、横向主栅线230的宽度及衬底宽度260来确定。第一掩模板210还包括纵向主栅线250，纵向主栅线250与横向主栅线230垂直并将第一掩模板210分为若干列，列的数目，即每排的电池数目，由每块电池的长度290、纵向主栅线250的宽度及衬底长度270确定。这样，纵向主栅线250与横向主栅线230将第一掩模板210分为若干空格，每一个空格对应一个电池的面积。在每个空格的两个左侧角各有一个矩形标签240，矩形标签240的长度为0.5mm，宽度为0.5mm。

[0036] 用第一掩模板210在衬底110上制备薄膜后，在纵向主栅线250、横向主栅线230及矩形标签240覆盖的区域没有背电极材料，在衬底110的其它区域均沉积有背电极120。这样，纵向主栅线250的宽度决定了在同一线性接收器上的各个电池之间的距离。由于各个电池之间的区域虽然被光照到但是不会产生光电流，同一线性接收器上的各个电池之间的距离需要尽量缩小，因此纵向主栅线250的宽度应尽可能小。

[0037] 光刻法是制作背电极的另一种方法。与本发明的技术方案相比，光刻法也需要使用掩模，而且还需要额外的材料和时间。

[0038] 图3(a)是第二掩模板310的结构示意图。第二掩模板310被用来制备铜铟镓硒吸收层130、缓冲层140和透明导电层150。

[0039] 从图3(a)可以看出，第二掩模板310是第一掩模板210的左右对称图或镜像。第二掩模板310上设有若干条互相垂直的横向主栅线330和纵向主栅线350。

[0040] 同样，第二掩模板310的长度等于衬底长度370(与第一掩模板210上标示的衬底长度270相同)，第二掩模板310的宽度等于衬底宽度360(与第一掩模板210上标示的衬底宽度260相同)，因此第二掩模板310能够覆盖衬底110；横向主栅线330将第二掩模板310分成若干组，组数可以由每组的宽度380(与第一掩模板210上标示的每组的宽度280相同，即每个铜铟镓硒电池的宽度)、横向主栅线330及衬底宽度360来确定。第二掩模板
310还包括纵向主栅线350，纵向主栅线350与横向主栅线330垂直并将第二掩模板310分为若干列，列的数目，即每排的电池数目，由每块电池的长度390(与第一掩模板210上标示的每块电池的长度290相同)、纵向主栅线350的宽度和衬底长度370确定。这样，纵向主栅线350与横向主栅线330将第二掩模板310分为若干空格，每一个空格对应一个电池的面积。在每个空格的两个左侧角各有一个矩形标签340，矩形标签340的长度为0.5mm，宽度为0.5mm。

[0041] 图4(a)是第三掩模板的表面结构示意图。第三掩模板被用来制备金属栅线160。

[0042] 如图4(a)所示，用于沉积金属栅线的第三掩模板上设有若干条主栅460和若干条细栅470，光生电子通过细栅470汇集到所述的主栅460，然后通过主栅460到达上一个子电池的背电极，以此构成串联电路。图4(b)是第三掩模板的一角的放大图，显示了主栅460和细栅470的形状。

[0043] 由于主栅460没有被光照到，所以其面积不需要降到最低；但是，主栅460面积较小，则意味着在相同面积衬底上可以制备更多的电池。进行主栅460的尺寸设计(厚度及面积)时需要考虑的另一个因素是，尽量降低光电流在主栅上的串联损失。

[0044] 由于细栅470位于光照区域内，细栅470的尺寸应该尽量降低，以减少阴影损失；另一方面，细栅470也要有足够大的尺寸，即低电阻来降低光电流流经细栅470时的电阻损失。这两方面的权衡要求细栅设计(尺寸、间距、材料)要根据特定条件进行调整。这些条件包括电池的尺寸、聚光倍数和前电极的表面电阻等等。

[0045] 尽管对于不同的电池细栅470构造也是不同的，但是对应于不同的电池，均可采取优化的细栅形状。如图4(b)所示，细栅470是梯形的。光生电子被细栅470收集后沿纵向汇集到主栅460，越靠近主栅460，细栅470上的电流密度越大。为了降低串联损耗，需要逐步增加细栅470的宽度，以降低串联电阻，以此降低串联损耗。相对于采用矩形的等宽细栅，梯形细栅470可以实现受光面积与串联损耗的最佳平衡。

[0046] 相对于喷墨-打印，采用上述的第三掩模板沉积金属栅线，能避免高温退火过程，从而避免对电池造成损害；相对于光刻法，采用所述的第三掩模板沉积金属栅线，可以不受栅线厚度的限制，也不会对前电极层造成影响。

[0047] 图5是采用上述的第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板制备薄膜太阳能电池时，每个工艺步骤对应的器件横断面的示意图。由于在第一掩模板210中使用了纵向主栅线250和矩形标签240，实现了对背电极120的分隔，其中，分隔区中的520是纵向主栅线250覆盖的区域，510是矩形标签240覆盖的区域；由于在第二掩模板310中使用了纵向主栅线350和矩形标签340，实现了对铜铟镓硒吸收层130、缓冲层140和透明导电层150的分隔，其中，分隔区中的520是纵向主栅线350覆盖的区域，530是矩形标签340覆盖的区域。由于矩形标签340的覆盖，背电极材料120中部分区域未被镀上铜铟镓硒吸收层130、缓冲层140和透明导电层150，而直接暴露在空气中。第三掩模板中的各条主栅460除收集对应单体电池的表面电流外，还跨过纵向主栅线250和纵向主栅线350覆盖的区域520，与矩形标签340覆盖的区域530(预留的Mo背电极材料)连接，以此实现各子电池之间的串联。因此，采用上述第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板，在电池制备过程中自动实现电池的内部串联，无需使用外部连线，成本低，而且接收器的可靠性更好。

[0048] 图6是采用上述的第一掩模板、第二掩模板和第三掩模板制备的薄膜太阳能电池的表面结构示意图。沿实线650、670和690进行切割后，每组都成为由若干个单体电池串联而成的一个线性接收器。虚线640、660、680是每组电池中相邻两个电池的分割线，亦即主栅线250和350覆盖的区域。

[0049] 在这里提到的衬底110指绝缘衬底或镀有介电层的导电衬底。

[0050] 需要说明的是，上述的方案中，第一掩模板210可以采用如图2(b)所示的第一掩模板220替代，其区别就在于，第一掩模板220中纵向主栅线250的宽度为零(或者说省略了纵向主栅线250)，以减少位于光照区域却不产生光电流的面积，以尽可能减少相邻电池之间的死区。采取第一掩模板220完成背电极制备后，需要通过激光划线对背电极进行纵向分隔，由于激光的宽度可以在毫米量级，这样在相邻电池之间只会产生极小的死区。

[0051] 相应地，第二掩模板310可以采用如图3(b)所示的第二掩模板320来替代，其区别就在于，第二掩模板320中纵向主栅线350的宽度为零(或者说省略了纵向主栅线350)，同样也是为了减少位于光照区域却不产生光电流的面积，以尽可能减少相邻电池之间的死区。采取第二掩模板320制备铜铟镓硒吸收层120、缓冲层130和透明导电层150后，需要利用激光划线来进行这三层材料的分隔，由于激光的宽度可以在毫米量级，这样在相邻电池之间只会产生极小的死区。