专利名称：光电池的批量制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造多个光电池的方法，更具体地说，本发明涉及一种多个这种光电池的批量制造方法。
光电池，更通俗地被称为太阳能电池，是能够将光能量转换成电能的半导体结器件。光电池的典型结构基本上包括五层，亦即一个第一电极和一个第二电极，和一个半导体材料的复合主体，所说复合主体夹在两个电极之间，并且包括形成n-i-p或p-i-n结的三个叠层。两个电极之一是透光的。当光到达构成光电池半导体主体的叠层时，该器件在电极之间产生一个电压，电压随着光强度的增大而增大。
这种太阳能电池广泛地用于诸如手表或电子计算器之类的消费品，以及用于从太阳能产生电能的工业产品中。
这种类型的光电池的大规模批量制造是相当近期实现的，很长时期以来由于缺乏适合的光电池制造技术而受到限制。但是近来已经开发出以低成本大规模制造性能可靠的光电池的技术。
美国专利US-4485125中公开了用于在基片材料细长板条上连续制造多个太阳能电池的这样一种方法。根据这种方法，利用等离子体将形成至少一个高质量的n-i-p或p-i-n结的多层半导体材料连续地沉积到从一个松卷轴到一个卷取轴延伸的柔软基片上。利用这种方法获得的产品通常包括构成基片和下部电极的导电材料板条或条带，该条带覆盖有三层连续的依次为n-i-p层的半导体材料和构成上部电极的一层透明导电材料。这个条带可以是几十厘米宽，几十米长，可以认为它是一个非常大尺寸的光电池。因此必须将其分成较小尺寸的器件，以适用于最终的用途。
美国专利US-5457957公开了从诸如由在美国专利US-4485125中公开的方法获得的那些条带制造光电池的一种方法。根据后一种方法，通过在第一步骤中将所说条带剪成或锯成单个的光电池来分割所说条带，然后借助于连接带将单个的光电池连接成由若干个光电池构成的组件。但是，将所说条带分割成单个光电池的步骤会在光电池的切割边缘附近产生大量的短路缺陷，特别是造成上部电极与下部电极之间的意外接触。因此这种方法需要在切割之后检查和测试每个光电池的附加步骤。所以这种方法使得光电池不能在切割步骤之后立即投入使用，从而降低了这种方法的效率。
为了克服这个缺陷，美国专利US-5457057中提出在两个后续步骤中消除在切割步骤中产生的缺陷的方法。第一步骤包括使单个切割而成的光电池上的一个中央有效区域与包含上述在切割步骤中产生的缺陷的周边区域相绝缘。为此，该方法提出去除构成上部电极的材料层和沿光电池轮廓构成n-i-p或p-i-n结的半导体材料层以暴露出基片。通过刻划、化学蚀刻或使用激光束可以去除这些材料层。在第二步骤中，通过从光电池背面在已经去除所说材料层叠区域从所说基片上切除可以将包含所说切割缺陷的周边区域与中央区域分开。根据在这种方法中公开的另一个实施例，保留了周边区域，并用于构成光电池的跨接部分。
去除构成半导体结的半导体层是极其困难的，因为它需要施用侵蚀性非常强的化学品或者用激光烧蚀所说材料层或刻划的一种难度很大的方法，这些方法也会引起短路。
此外，保留周边区域导致电池对于给定的有效区域可能需要更大的空间。这种额外的空间占用可能对这些光电池在某些必须将光电池与小尺寸物体如手表和诸如此类的物体结合的应用中构成极大的限制。
因此，本发明的主要目的是通过提供一种光电池批量制造方法克服上述现有技术的缺点，按照所说方法，在一个批量中制成多个光电池，因此能够容易地将该批量分成单个的光电池，而没有损坏这些光电池的风险，也没有在构成各个光电池的不同的材料层之间产生短路的风险。
所以，根据第一个方面，本发明涉及一种多个光电池的批量制造方法，每个光电池包括-构成第一电极的一个导电基片；-第二透明或半透明电极和构成设置在所说第一和第二电极之间的半导体结的光电池半导体主体；该方法的特征在于它至少包括以下步骤(a)提供至少一个导电材料条带，(b)沿着基本限定了所需光电池的形状和尺寸的一条切割线在所说条带中连续地冲压构成所说下部电极的基片，(c)将条带中切割下来的基片放回它们被切出的位置，
(d)在该条带的一个面上沉积构成至少一个b-i-p或p-i-b结的半导体材料，(e)在所说半导体材料的上面沉积一层透明或半透明的导电材料以构成上部电极，和(f)从所说条带中取出覆盖有所说半导体材料和所说上部电极的切割基片以形成单个的光电池。
采用这种技术，首先在导电材料条带中冲压具有所需单个光电池尺寸的基片，然后将切割下来的基片放回到条带中它们被切出的各个位置，因此这种技术是一种简单、可靠、迅速、因而是特别经济的一种切割技术。
此外，为了形成多个完成的光电池，该方法在取出步骤之前需要在所说条带上执行一系列的步骤，其中包括，特别是，在需要用光电池作为表或诸如此类装置的刻度盘的情况下在光电池上转印标记的步骤，如果需要的话，沉积电触点，以便于连接各个完成的光电池。
该方法与现有技术的方法相比特别可取之处在于将单个光电池从导电材料条带中取出是通过简单地在光电池上施加压力实现的，因此不需要使用激光器或者射流切割装置，这些装置是复杂而且昂贵的。此外，在从条带上取出之后，不再需要对单个的光电池进行后续处理步骤，但是，如果需要的话，可以执行检验步骤。因此根据本发明方法提供的光电池可以立即投入使用。
根据第二个方面，本发明还涉及一种多个光电池的批量制造方法，每个光电池包括-构成第一电极的一个导电基片；第二透明或半透明电极和构成设置在所说第一和第二电极之间的半导体结的光电池半导体主体；该方法的特征在于其至少包括以下步骤(a)提供至少一个导电材料条带，(b)在所说条带中连续切割出构成每个光电池下部电极并具有所需光电池尺寸的基片，使得每个所说基片通过至少一个材料跨接部分与所说条带的其余部分相连，(c)在所说条带的一个表面上沉积构成至少一个n-i-p或p-i-n结的半导体材料，
(d)在所说半导体材料上面，但是材料跨接部分除外，沉积一层透明或半透明导电材料，以形成上部电极，(e)通过在没有覆盖所说透明或半透明材料的位置切除所说材料跨接部分，覆盖有所说半导体材料和上部电极的基片从所说条带中取出，以构成单个的光电池。
作为该方法这些特征的结果，因为在将要切除的材料跨接部分上没有导电材料，所以避免了在切出完成的单个光电池过程中由于上部电极塑性流动而可能产生的任何短路问题。
还应当指出，按照一种可取的方式，根据本发明的方法，利用所说材料跨接部分保持在导电条带上的光电池彼此电绝缘。这样允许，特别是，在光电池仍然留在条带上时对光电池进行检验，并标记出存在缺陷的光电池。在标记之后，就会在后续的制造步骤，例如打印标志或装饰设计转印步骤中忽略存在缺陷的光电池，特别是在将这种光电池用作表或诸如此类装置的刻度盘时。
根据本发明两个方面共有的一个有利特征，在执行沉积所说半导体材料和透明或半透明材料层的步骤之前，将所说条带切割成条带段，每一段包括预定数目的光电池。
根据本发明两个方面共有的一个有利特征，半导体材料层是利用等离子体方法沉积的，而构成上部电极的透明或半透明层是利用蒸气沉积方法沉积的。应当指出，后一种方法是定向的，不覆盖或者几乎不覆盖垂直于基片平面的侧面。
这个特征与本发明的第二个方面结合是特别有利的。实际上，半导体材料层的等离子体沉积覆盖了构成下部电极的每个基片的外边缘和侧面，使得该基片与其后沉积的透明或半透明层完全电绝缘，从而使构成半导体结的半导体层具有高电阻值。因此无需在每个光电池的周边留有空白边缘，使得每个光电池的有效面积增大。此外还改善了光电池的外观，在使用这种光电池作为表的刻度盘的情况下这是十分重要的。
通过以下以非限定性实施例的形式参照附图对于本发明方法的优选实施例的描述可以清楚地了解本发明的其它特征和优点，在所说附图中
图1为一个条带的透视示意图，其中根据本发明方法的第一实施例，冲压出构成基片和光电池下部电极的元件，然后放回到条带中，之后将条带切割成段；图2为在取出单个的光电池步骤之前，沿图1所示的覆盖有构成半导体光电池n-i-p或p-i-n结的半导体材料层和上部电极的一段条带的剖线Ⅱ-Ⅱ所作的局部剖图，图3为取出步骤之后与图2所示相似的一个图，图4为根据本发明方法的另一个实施例与图2所示相似的一个图，图5为图4所示的光电池在脱离条带段之后的顶视图，图6为一个条带的透视示意图，其中根据本发明方法的第二实施例，切割构成光电池下部电极的基片，所说条带已经切成条带段，图7为在沉积用于构成上部电极的材料的步骤之前一个条带段的局部透视图，图8为沿图7中Ⅷ-Ⅷ剖线所作的剖面图，图9为在沉积上部电极步骤之后沿图7中Ⅸ-Ⅸ剖线所作的剖面图，和图10为在将单个光电池切出的步骤过程中与图9相似的剖面图。
下面在制造构成表例如手表刻度盘的一种圆形光电池的应用范围内描述本发明。但是不用说，本发明决不局限于这种应用，它可以用于制造各种形状的和应用于任何其它类型的电子仪表，特别是低耗电量仪表中的光电池的范围。
首先参照图1至图5，介绍本发明方法的第一实施例。
图1表示用于构成基片4的导电材料条带2，所说基片4形成多个光电池的下部电极4，特别是包含形成光电池半导体结的半导体层。条带2通常是由不锈钢制成。当然，在沉积条件下能够与构成半导体结的半导体层兼容的其它金属材料也是可以采用的。
根据另一个实施例，条带2可以由一种绝缘材料制成，并在其一个面上覆盖一层导电材料。因此术语“导电条带”意指由金属材料制成的条带或者由覆盖有一层导电材料的一种绝缘材料制成的条带。
在图1所示的示例中，条带2从一个松卷轴1供应，传送到一个冲压台(未示出)。在这个冲压台上，利用一个适合的冲压头连续地冲压基片2，沿切割线6排列的模具基本限定了所需光电池的最终形状和尺寸。
应当指出，在这种特殊情况下，冲头和模具在切割出光电池轮廓的同时，在每个基片4的基本中心位置形成一个通孔8，以便以后能够使表针轴从中穿过，从而固定光电刻度盘。条带上还形成有定位孔和驱动孔10，这些孔能够确保在以后的步骤如将设计图案转印在完成的光电池上的步骤中使条带段精确定位。
在冲压步骤之后，立即按照一种已知技术将切出的基片2放回条带2中它们被切出的位置。应当指出，切出部分是利用微焊保持在条带中的，这是当冲压出的部分被敲入条带中其被冲压的位置时自然形成的。
在将基片2放回条带中的步骤之后，将条带2切割成条带段12，每个条带段包含预定数目的基片2，通常大约10个。在图1中用虚线表示条带2上用于将其切割成段的切割线14。将条带2切割成条带段12的步骤通常利用冲压、剪切、锯切或任何其它本领域技术人员熟知的方式进行。将条带2切割成条带段12的优点是条带段12比较容易保持平整，从而不会使所说条带段12过度弯曲而造成基片4脱离条带段，所说过度弯曲会在条带中产生应力，能够使切出的基片与它重新放入的条带之间的连接断裂。
然后将条带段12放入存储盒中，随后将它们置入不同的连续腔室中，在基片4的前表面4a上沉积构成至少一个n-i-p或p-i-n结的半导体材料，然后在半导体材料层16之上(图2和图3)沉积一层透明或半透明的导电材料，这种材料组合构成了光电池的结构。
半导体材料16按照一种常规的PECVD(等离子体增强化学蒸气沉积)方法沉积，所说方法记载在例如由Miller&Mullin Plenum PressNew York于1991年编辑出版的《(Electronic materials》“AmorphousSilicon Electronics”一章，143页以下部分中。
如图2和图3所清楚表示的，所说光电池的结构包括分别构成p-i-n或n-i-p层的三个薄层20a、20b和20c，它们夹在基片4与构成光电池上部电极的层18之间。
通常在p-i-n结的情况下，20a层为掺杂有硼的含氢无定形硅层(a-Si∶H)以获得p型导电特性，20b层为固有i层，20c层为掺杂有磷的含氢无定形硅层以获得n型导电特性。
透明或半透明层18采用常规的蒸气沉积方法沉积。在透明层的情况下，层18通常由氧化铟和氧化锡的混合物(ITO)构成。在半透明层的情况下，层18一般为金属层，例如铝、银、铂、钯、镍、钛或铹或金。
应当指出，这些附图并没有反映出各个不同层的准确尺寸，为了便于说明和表示清楚，已经大大夸大了这些尺寸。为了给出一个概念，条带2的厚度通常为0.5毫米量级，层20a和20c的厚度一般为10至30纳米(nanometer)的量级，当层18为透明层时其厚度在50至200纳米的量级，当层18为半透明层时，其厚度为20至50纳米的量级。
在沉积层20a、20b、20c和18之后，将此前经过切割和覆盖的基片2从各个条带段12中取出，以获得可以使用的单个的光电池22。为了将光电池取出，在电极18一侧垂直于每个被取出的光电池22施加压力，如图3所示。这个步骤可以利用例如一个将光电池22向下推出的简单冲杆自动执行。应当指出，在取出过程中，层20a、20b、20c和18断开，向下取出移动倾向于使层组合向上提起。这种取出方法特别有利，因为上部电极18与下部电极4分开，而它们之间易于形成短路。
根据本发明方法的另一个实施例，在取出步骤之前将材料层18从每个光电池22的周边区域24除去，以便使光电池22彼此电绝缘。一旦电绝缘，光电池22的优点是能够在它们仍然置于条带段12中时进行电学检验。周边区域24中材料层18按照常规方式除去，例如将光敏树脂掩模沉积在层18之上，将层18中希望保护的部分用紫外光(uv)照射，然后溶解掉没有曝光的树脂部分。通常采用化学蚀刻方法除去层18中这些可见部分，例如当所说材料层18为铝时，使用包含4体积磷酸、4体积醋酸、1体积硝酸和1体积水的腐蚀剂。然后将保护掩模从条带段12的表面除去。应当指出，在这一方面，周边区域24部分地延伸到各个光电池22的表面中。
当然本发明的另一个实施例可以在沉积材料层18之前在区域24上沉积一层保护漆，然后在层16上和在漆掩模覆盖区域24上沉积材料18，接着溶解掉漆掩模和材料层18以露出区域24。
本发明方法在取出步骤之前，还可以包括在各个光电池22的上部电极18顶面上形成至少一个电触点26的步骤。电触点26通过例如沉积具有高导电性的材料，例如金属膏、导电漆或诸如此类的材料形成。应当指出，可取的是，电触点26连续延伸越过光电池22的周边以使其串联电阻最小，但是不能延伸超过上述切割线6。
本发明的方法还可以包括在每个光电池22的上部电极18的表面上转印一种图案或者标志例如时圈28(图5)的步骤。可取的是，在取出步骤之前，如果需要，可在光电池电子检验步骤之前，执行上述的这个步骤，从而仅仅对那些已表明可以工作的光电池22上执行转印步骤。
在制造完成之后，可以以任何适合的方式包装光电池22，以便于进行以后的处理。
现在参照图6至图10，描述本发明方法的第二实施例。在这些附图中，与图1至图5所示相同的部分用相同的标号表示。
与图1至图5所示实施例不同，该实施例将基片2从条带2上切割出来，使得每个这样的基片2通过至少一个材料跨接部分30与条带2的其余部分保持连接。为了迅速和简便，可取的是，切割步骤利用一个冲头和具有相应于所需光电池轮廓的适合形状的模具进行。与上述实施例一样，在冲压出基片4轮廓的同时形成通孔8。不用说，也可以采用其它切割手段。关于这一点，可以提及激光束和高压射水切割。
将各个基片4与条带2其余部分相连的跨接部分30的数目根据所说基片4的形状而不同。通常，有三个这样的跨接部分30，在基片为圆形的情况下，它们按照规则方式分布在基片4周围。在基片为矩形的情况下，可以包含四个跨接部分30，即，例如在基片4的每一个角上有一个跨接部分。
然后将冲压的条带2切割成条带段12，并将它们平放在箱子或盒中，以备其后根据在本发明第一实施例所述方法沉积构成n-i-p或p-i-n结16的半导体材料。
应当指出，这个等离子体沉积步骤不仅覆盖基片4的前表面4a，而且覆盖基片4的边缘32和外侧面34，只是后者的厚度很小。
接下来的步骤包括在半导体材料16的上面沉积透明或半透明层18。
根据这个实施例，为了避免在切断跨接部分30将光电池22从条带段22中取出的后续步骤中引起的上部电极18与基片4之间的任何短路问题，这些跨接部分30必须不包含构成上部电极18的材料。
为了做到这一点，在如以上结合第一实施例所述执行沉积层18的步骤之前，利用保护材料36如一种保护漆或保护树脂保护好跨接部分30。通常，保护材料36为一种合成树脂，是利用一个输送机构以滴落形式自动沉积的，在沉积层18之后利用如溶解树脂的方法将其除去，同时除去在跨接部分30上面的材料层18。
根据另一种实施方式，当然可以不在沉积18之前沉积保护材料，而是在沉积步骤之后利用如化学蚀刻的方式借助于一种适合形状的保护掩模有选择地除去构成跨接部分30上的材料。
然后利用切割从条带段12中取出光电池22，以形成可以使用的单个光电池22。可取的是，利用在图10中局部示出的一个冲头38以冲压方式进行切割。当然，也可以使用激光束或射流进行切割。
象第一实施例所述方法一样，该方法在取出步骤之前还包括形成电触点26的步骤、对光电池22进行电子检验的步骤、和转印图案和/或标记的步骤。
权利要求
1.一种多个光电池(22)的批量制造方法，每个光电池包括-构成一个第一电极(4)的一个导电基片(2)；-一个第二透明或半透明电极(18)和光电半导体主体(16)，所说半导体主体包含构成n-i-p或p-i-n结并且位于在所说第一和第二电极(4,18)之间的三个叠层；该方法的特征在于它至少包括以下步骤(a)提供至少一个导电材料条带(1)，(b)沿着基本限定了所需光电池(22)的形状和尺寸的一条切割线(6)在所说条带(1)中连续地冲压出构成所说下部电极(4)的基片(2)，(c)将条带(1)中切割下来的基片(2)放回它们被切出的位置，(d)在该条带(2)的一个面(4a)上沉积构成一个n-i-p或p-i-n结的三个叠层以形成所说主体(16)，(e)在所说主体(16)的上面沉积一层透明或半透明的导电材料以构成上部电极(18)，和(f)从所说条带中取出覆盖有所说主体(16)和所说上部电极(18)的切割基片(2)以形成单个的光电池(22)。
2.一种多个光电池(22)的批量制造方法，每个光电池(22)包括构成一个第一电极(4)的一个导电基片(2)；-一个第二透明或半透明电极(18)和设置在所说第一和第二电极(4,18)之间的一个半导体光电主体，该方法的特征在于它至少包括以下步骤(a)提供至少一个导电材料条带(1)，(b)在所说条带(1)中连续地切割出构成所说的各个光电池下部电极(4)并且具有所需光电池(22)尺寸的基片(2)，使得每个基片(22)借助于至少一个材料跨接部分(30)与所说条带(1)的其余部分相连，(c)在所说条带(1)的一个表面(4a)上沉积构成至少一个n-i-p或p-i-n结(16)的半导体材料，(d)在所说半导体材料(16)的顶面上沉积一层透明或半透明导电材料层以形成一个上部电极(18)，但是材料跨接部分(30)除外，(e)通过在没有覆盖所说透明或半透明材料的位置切断所说材料跨接部分(30)，将覆盖有所说半导体材料(16)和上部电极(18)的基片(2)从所说条带(1)中取出，以构成单个的光电池(22)。
3.如权利要求1和2所述的方法，其特征在于在执行沉积所说半导体材料(16)和所说透明或半透明导电材料层之前，将所说条带(1)切割成条带段(12)，每个条带段中包含预定数目的基片(2)。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于它还包括为每个光电池(22)的上部电极(18)形成一个电触点(26)的步骤。
5.如权利要求4从属于权利要求1时所述的方法，其特征在于所说电触点(26)设置在所说光电池(22)的周边，使得它不超过切割线(6)。
6.如权利要求4和5之一所述的方法，其特征在于所说电触点(26)是连续的并且在光电池(22)的整个周边上延伸。
7.如前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于它还包括在每个光电池(22)的上部电极(18)表面上转印一个图案如一个时圈(28)的步骤。
8.如前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于在执行沉积所说半导体材料(16)和所说透明或半透明导电材料层的步骤之前，还在每个光电池(22)基本中心位置打孔。
9.如前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于所说半导体材料层利用等离子体方法沉积，而构成所说上部电极(18)的所说透明或半透明导电材料层是利用蒸气沉积方法沉积的。
10.如前面任意一项权利要求从属于权利要求1时所述的方法，其特征在于所说取出步骤是在所说光电池(22)上上部电极(18)一侧施加压力。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于在执行取出步骤之前，该方法还包括以下步骤-在构成所说上部电极(18)的材料层上面沉积一层保护材料(36)，-除去各个光电池(22)周边区域中的保护材料(36)，以使这个区域中的透明或半透明导电材料层曝光，-从所说周边区域中除去所说透明或半透明导电材料层，-去掉剩余的保护材料(36)。
12.如前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于它包括在所说取出步骤之前对所说光电池进行电子检验的附加步骤。
13.如前面任意一项权利要求从属于权利要求2时所述的方法，其特征在于所说切割步骤是利用冲压方式实现的。
14.如前面任意一项权利要求从属于权利要求2时所述的制造方法，其特征在于所说步骤(d)包括在沉积所说透明或半透明导电材料层之前在材料跨接部分上沉积一种保护材料(36)，和在执行步骤(f)之前将所说保护材料(36)和构成所说上部电极(18)的材料层除去的步骤。
15.如前面任意一项权利要求从属于权利要求2时所述的制造方法，其特征在于所说条带(2)是由不锈钢制成的。
全文摘要
本发明涉及一种多个光电池(22)的批量制造方法,该方法包括以下步骤:(a)提供至少一个导电材料条带(1),(b)在所说条带(1)中连续地切割出具有所需光电池(22)形状和尺寸的基片(2),(c)将切割出的基片(2)放回所说条带(1)中,(d)在所说条带(2)的一个表面上沉积构成至少一个n－i－p或p－i－n结的半导体材料(16),(e)在所说半导体材料(16)的顶面上沉积透明的导电材料层,(f)从所说条带(1)中取出覆盖有所说半导体材料(16)和所说上部电极(18)的切割基片(2),以构成可以使用的单个光电池。
文档编号H01L31/075GK1230033SQ9910430
公开日1999年9月29日 申请日期1999年3月24日 优先权日1998年3月25日
发明者E·肖雷尔 申请人:阿苏拉布股份有限公司