激光图案化的薄膜电池制造技术

一种薄膜电池所述可包括：基板、阴极集电体层、阳极集电体层、阴极层、电解质层和阳极层，其中阳极集电体的阳极接触区域的一部分未被阳极层覆盖，且其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域未被阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于阴极集电体层的接触区域与阳极层之间，用于使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与阳极层的激光切割边缘电气隔离。本文也描述用于形成薄膜电池的方法和设备。

Laser patterned thin-film batteries

A thin film solar cell comprises a substrate, the cathode collector layer and the anode collector layer and a cathode layer, an electrolyte layer and an anode layer, wherein a portion of the anode contact area of the anode current collector is not an anode layer cover, wherein the electrolyte layer in electrical insulating buffer area is not an anode layer the electrical insulation cover, the buffer area is located in the cathode collector layer of the contact area and the anode layer between the cathode layer for laser contact region near the cathode collector of the cutting edge and the cutting edge of anode layer electrical isolation. A method and apparatus for forming a thin film cell are also described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光图案化的薄膜电池相关申请案的交叉引用本申请主张于2014年9月4日提交申请的第62/046,051号美国临时申请案的权益。
本公开内容的实施方式一般涉及电化学器件和制造电化学器件的方法，具体而言，但不排他的，本公开内容的实施方式涉及激光图案化的薄膜电池。
技术介绍
薄膜电池(thinfilmbattery；TFB)可包含多层的薄膜堆叠，所述多层的薄膜堆叠包括集电体、阴极(正电极)、固态电解质和阳极(负电极)。具有卓越性能的TFB已经预计将在未来几年主导μ能源(μ-energy)应用空间。然而，仍有需要克服的挑战以允许TFB的具有成本效益的大批量制造(highvolumemanufacturing；HVM)。最关键的是，需要对在器件层沉积期间使用的当前最先进的TFB器件图案化技术(即荫罩(shadowmask))进行替换。存在与在HVM中使用的荫罩工艺相关联的显著复杂性和成本：(1)在设备中需要显著的资本投资用于管理、精确对准和清洗掩膜，尤其用于大面积基板；(2)由于不得不在荫罩的边缘下容纳沉积，因此存在基板面积的不良使用；以及(3)对PVD(PhysicalVaporDeposition；物理气相沉积)工艺存在约束(低功率和温度)，以便避免热膨胀引起的对准问题。替换荫罩的常见方法之一是使用光刻技术，但是此技术不仅显著增加成本，而且对TFB制造流程带来不良的湿式化学品，以及从TFB层材料与光刻化学品、湿式化学品，蚀刻和干灰工艺之间的化学和物理相互作用带来的电位层与器件效能的劣化。显然，需要一种TFB结构和制造方法，从而可通过实现简化的、与HVM更加相容的TFB工艺技术以显著降低TFB的HVM的成本。
技术实现思路
本公开内容的一些实施方式关于诸如薄膜电池(thinfilmbattery；TFB)的电化学器件、制造电化学器件的方法和被构造以用于实施这些方法的工具。根据一些实施方式，薄膜电池可包含：基板；基板上的阴极集电体层和阳极集电体层，所述阴极集电体层与所述阳极集电体层彼此电气隔离；阴极集电体层上的阴极层，其中阴极集电体层的接触区域未被阴极层覆盖；电解质层，完全覆盖阴极层的顶表面并覆盖阳极集电体层的一部分，其中阳极集电体的未被覆盖的部分为阳极集电体的接触区域；电解质层和阳极集电体上的阳极层，其中阳极集电体的阳极接触区域的一部分未被阳极层覆盖，且其中电解质层中的电气绝缘缓冲区域未被阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于阴极集电体层的接触区域与阳极层之间，用于使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的边缘与阳极层的边缘电气隔离。根据一些实施方式，制造薄膜电池的方法可包含：在基板上毯覆沉积(blanketdeposition)集电体层和阴极层；激光晶粒图案化(laserdiepatterning)集电体层和阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，并激光剥蚀阴极层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域并暴露全部的阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层；激光剥蚀电解质层的一部分以暴露阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；在第二图案化堆叠上方毯覆沉积阳极层和初始保护层；在集电体层和阴极层的激光晶粒图案化的晶粒图案内激光晶粒图案化电解质层、阳极层和初始保护层；激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域，并激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的厚度的一部分以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域，以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与图案化阳极的激光切割边缘电气隔离，和激光剥蚀初始保护层和电解质层的一部分以露出阳极集电体的接触区域，以形成第三器件堆叠。根据一些实施方式，用于在基板上制造薄膜电池的设备可包含：第一系统，用于在基板上毯覆沉积集电体层和阴极层，并激光晶粒图案化集电体层和阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，并激光剥蚀阴极层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域并暴露全部的阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；第二系统，用于在第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层，并激光剥蚀电解质层的一部分以暴露阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；第三系统，用于在第二图案化堆叠上方沉积阳极层和初始保护层，在集电体层和阴极层的激光晶粒图案化的晶粒图案内激光晶粒图案化电解质层、阳极层和初始保护层，激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的多个部分以露出阴极集电体的接触区域，激光剥蚀初始保护层、阳极层和电解质层的厚度的一部分以在电解质层中形成电气绝缘缓冲区域，以使邻近于阴极集电体的接触区域的阴极层的激光切割边缘与图案化的阳极的激光切割边缘电气隔离，和激光剥蚀初始保护层和电解质层的一部分以露出阳极集电体的接触区域，以形成第三器件堆叠。附图说明在结合所附附图参阅特定实施方式的以下描述后，本公开内容的这些和其他构想和特征对熟悉本
的一般技术人员将变得显而易见，其中：图1是用于薄膜电池的器件层堆叠的横截面表示；图2是在现有激光晶粒图案化后的图1的薄膜电池的横截面表示；图3是在用于露出阴极集电体以产生器件侧电气接触的现有激光工艺后的图2的薄膜电池的横截面表示；图4至图9为根据一些实施方式的利用非导电基板制造TFB的第一工艺流程中的连续步骤的横截面表示；图10至图15是根据进一步实施方式的利用非导电基板制造TFB的第二工艺流程中的连续步骤的横截面表示；图16图21是根据一些实施方式的利用导电基板制造TFB的工艺流程中的连续步骤的横截面表示；图22为根据一些实施方式的在切割前具有12个TFB的基板的平面图，图示阴极区域超过90％的TFB占用面积(器件区域)的TFB，并图示对应图4至图9和图10至图15的工艺流程的示例性TFB配置；图23是LiPON材料的光学常数的曲线图；图24A与图24B分别是随利用248nm激光剥蚀1.5微米的LiPON和利用513nm飞秒激光剥蚀0.7/1.8微米的Cu/LiPON的激光通量函数变化的剥蚀深度的曲线图；图25是根据一些实施方式的选择性激光图案化工具的示意图；图26是根据一些实施方式的用于TFB制造的薄膜沉积集群工具的示意图；图27是根据一些实施方式的用于TFB制造的具有多个直列工具的薄膜沉积系统的表示；图28是根据一些实施方式的用于TFB制造的直列沉积工具的表示；图29至图36是根据一些实施方式的利用非导电基板制造TFB的第三工艺流程中的连续步骤的横截面表示；图37是根据一些实施方式的在切割前具有12个共面TFB的基板的平视图，图示对应于图29至图36的工艺流程的示例性TFB配置；以及图38是根据一些实施方式的在切割前具有12个TFB的基板的平视图，图示对应于图16至图21的工艺流程的示例性TFB配置。具体实施方式现将参考附图详细描述本公开内容的实施方式，提供这些实施方式作为本公开内容的说明性实例以便使得熟悉本
的技术人员能够实践本公开内容。应注意，下文中的附图和实例并不旨在将本公开内容的范围限制于单个实施方式，而是可经由互换所描述或图示部件中的一些或全部使得其他实施方式成为可能。此外，在可使用已知元件来部分或完全实施本公开内容的某些部件的情况下，将仅描述此类已知元件中用于理解本公开内容所需的那些部分，并将省略此类已知元件的其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜电池，包含：基板；阴极集电体和阳极集电体，所述阴极集电体及所述阳极集电体在所述基板上，所述阴极集电体与所述阳极集电体彼此电气隔离；阴极层，在所述阴极集电体上，其中所述阴极集电体的接触区域未被所述阴极层覆盖；电解质层，完全覆盖所述阴极层的顶表面并覆盖所述阳极集电体的一部分，其中所述阳极集电体的未覆盖的部分为所述阳极集电体的接触区域；阳极层，在所述电解质层和所述阳极集电体上，其中所述阳极集电体的所述阳极接触区域的一部分未被所述阳极层覆盖，且其中所述电解质层中的电气绝缘缓冲区域并未被所述阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于所述阴极集电体的所述接触区域与所述阳极层之间，用于使邻近于所述阴极集电体的所述接触区域的所述阴极层的边缘与所述阳极层的边缘电气隔离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.04 US 62/046,0511.一种薄膜电池，包含：基板；阴极集电体和阳极集电体，所述阴极集电体及所述阳极集电体在所述基板上，所述阴极集电体与所述阳极集电体彼此电气隔离；阴极层，在所述阴极集电体上，其中所述阴极集电体的接触区域未被所述阴极层覆盖；电解质层，完全覆盖所述阴极层的顶表面并覆盖所述阳极集电体的一部分，其中所述阳极集电体的未覆盖的部分为所述阳极集电体的接触区域；阳极层，在所述电解质层和所述阳极集电体上，其中所述阳极集电体的所述阳极接触区域的一部分未被所述阳极层覆盖，且其中所述电解质层中的电气绝缘缓冲区域并未被所述阳极层覆盖，所述电气绝缘缓冲区域位于所述阴极集电体的所述接触区域与所述阳极层之间，用于使邻近于所述阴极集电体的所述接触区域的所述阴极层的边缘与所述阳极层的边缘电气隔离。2.如权利要求1所述的薄膜电池，其中所述阴极集电体的所述接触区域为所述阴极集电体的所述顶表面的转角部分。3.如权利要求1所述的薄膜电池，其中所述阳极集电体的所述接触区域为所述阳极集电体的所述顶表面的转角部分。4.如权利要求1所述的薄膜电池，进一步包含初始保护层，所述初始保护层位于所述阳极层的所述顶表面上并覆盖所述阳极层的所述整个顶表面且未延伸超过所述阳极层的所述边缘。5.如权利要求4所述的薄膜电池，进一步包含封装层，所述封装层完全覆盖所述初始保护层、所述阳极层、所述电解质层和所述阴极层。6.一种制造薄膜电池的方法，包含：在基板上毯覆沉积集电体层和阴极层；激光晶粒图案化所述集电体层和所述阴极层以形成阴极集电体和阳极集电体，且激光剥蚀所述阴极层的多个部分以露出所述阴极集电体的接触区域并暴露全部所述阳极集电体，以形成第一图案化堆叠；在所述第一图案化堆叠上方毯覆沉积电解质层；激光剥蚀所述电解质层的一部分以暴露所述阳极集电体的接触区域，以形成第二图案化堆叠；在所述第二图案化堆叠上方毯覆沉积阳极层和初始保护层；在所述集电体层和所述阴极层的所述激光晶粒图案化的所述晶粒图案内激光晶粒图案化所述电解质层、所述阳极层和所述初始保护层；激光剥蚀所述初始保护层、所述阳极层和所述电解质层的多个部分以露出所述阴极集电体的所述接触区域，并激光剥蚀所述初始保护层、所述阳极层和所述电解质层的厚度的部分以在所述电解质层中形成电气绝缘缓冲区域以使邻近于所述阴极集电体的所述接触区域的所述阴极层的激光切割边缘与所述图案化的阳极的激光切割边缘电气隔离，并激光剥蚀所述初始保护层和所述电解质层的一部分以露出所述阳极集电体的所述接触区域，以形成第三器件堆叠。7.如权利要求6所述的方法，其中在所述激光晶粒图案化所述集电体层和所述阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：秉·圣·利奥·郭，宋道英，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国,US