CN101359698A - 太阳能电池及其制造设备和制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，其包括一个可以挠曲的基板，一层背电极，一层P型半导体层，一层P－N结层，一层N型半导体层，一层透明导电层及一层前电极。该基板的材料是聚合物。该背电极形成在该基板的一个表面上。该P型半导体层形成在该背电极上。该P－N结层形成在该P型半导体层上。该N型半导体层形成在该P－N结层上。该透明导电层形成在该N型半导体层上。该前电极形成在该透明导电层上。本发明太阳能电池的基板是可挠曲的聚合物基板，故太阳能电池可挠曲，将其应用于建筑领域时，更容易配合建筑物本身的形状设计成不同几何形状的太阳能电池，使设计更有弹性。此外，本发明还提供了一种制造上述太阳能电池的设备及方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池、用于制造该太阳能电池的设备及方法，尤其涉及一种具有可挠曲基板的太阳能电池、用于制造该太阳能电池的设备及方法。
背景技术
太阳能电池主要应用的是光电转换原理，其结构主要包括基板以及设置在基板上的P型半导体材料层和N型半导体材料层。
光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程(请参见“Grownjunction GaAs solar cell”，Shen，C.C.；Pearson，G.L.；Proceedings of the IEEE，Volume 64，Issue 3，March 1976 Page(s)：384-385)。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热能，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能，并在P型和N型交界面两边形成势垒电场，将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型半导体层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和N型半导体层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。
近年来，太阳能电池已经广泛应用于航天、工业、气象等领域，如何将太阳能电池应用于日常生活，以解决能源短缺、环境污染等问题已成为一个热点问题。这其中，将太阳能电池与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑或家庭房屋实现电力自给，是未来一大发展方向，德国、美国等国家更提出光伏屋顶计划。
然而一般的太阳能电池的基板都采用单晶硅、多晶硅或玻璃等材料，这些材料不易挠曲，难以固定在一个弯曲的表面上，限制了太阳能电池面板的形状及安装位置，尤其在希望把其应用于与建筑材料结合的模件中时，会受到许多限制。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有可挠曲基板的太阳能电池、制造该太阳能电池的设备及其制造方法。
一种太阳能电池，其包括一个可以挠曲的基板，一层背电极，一层P型半导体层，一层P-N结层，一层N型半导体层，一层透明导电层及一层前电极。该基板的材料是聚合物。该背电极形成在该基板的一个表面上。该P型半导体层形成在该背电极上。该P-N结层形成在该P型半导体层上。该N型半导体层形成在该P-N结层上。该透明导电层形成在该N型半导体层上。该前电极形成在该透明导电层上。
一种用于制造太阳能电池的设备，其包括一个缠绕室及一个镀膜室。该缠绕室内设置有一个放卷轴和一个收卷轴，该放卷轴用于缠绕可以挠曲的聚合物基板并且将该基板从该放卷轴放出，该收卷轴用于将镀膜后的该基板卷起。一个镀膜室依次设置有第一溅射区、第一沉积区、第二溅射区、第二沉积区、第三溅射区及第四溅射区，每个区分别设置有至少一个滚轴，可以挠曲的聚合物基板的第一端缠绕在放卷轴上，该聚合物基板的第二端依次通过各滚轴缠绕在收卷轴上，从而该聚合物基板可以从放卷轴出发依次经过第一溅射区、第一沉积区、第二溅射区、第二沉积区、第三溅射区及第四溅射区，从而缠绕在该收卷轴上。该第一溅射区用于通过溅射法在基板的一个表面上形成一层背电极，该第一沉积区用于通过化学气相沉积法在该背电极上形成一层P型半导体层，该第二溅射区用于通过溅射法在该P型半导体层上形成一层P-N结层，该第二沉积区用于通过化学气相沉积法在该P-N结层上形成一层N型半导体层，该第三溅射区用于通过溅射法在该N型半导体层上形成一层透明导电层，该第四溅射区用于通过溅射法在该透明导电层上形成一层前电极，从而得到太阳能电池。
一种采用上述设备制造太阳能电池的制造方法，该方法包括以下步骤：
将聚合物基板的一端缠绕于放卷轴，将该聚合物基板的另一端聚合物基板由放卷轴出发，依次经由第一导向轴、经过滚轴及第二导向轴，卷绕在收卷轴上；
从该放卷轴释放该聚合物基板，在该放卷过程中，使该聚合物基板依次经过第一溅射区、第一沉积区、第二溅射区、第二沉积区、第三溅射区及第四溅射区，其中，在该第一溅射区通过溅射法在基板的一个表面上形成一层背电极，在该第一沉积区通过化学气相沉积法在该背电极上形成一层P型半导体层，在该第二溅射区通过溅射法在该P型半导体层上形成一层P-N结层，在该第二沉积区通过化学气相沉积法在该P-N结层上形成一层N型半导体层，在该第三溅射区通过溅射法在该N型半导体层上形成一层透明导电层，在该第四溅射区通过溅射法在该透明导电层上形成一层前电极，从而得到太阳能电池。
相对于现有技术，本发明太阳能电池的基板是可挠曲的聚合物基板，故太阳能电池可挠曲，将其应用于建筑领域时，更容易配合建筑物本身的形状设计成不同几何形状的太阳能电池，使设计更有弹性。
附图说明
图1是本发明实施例太阳能电池的剖面示意图；
图2是本发明实施例用于制造太阳能电池的卷轴式镀膜系统的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施例太阳能电池10包括一个基板101，基板101具有一个表面1012，基板101的表面1012上依次形成有：背电极(Back Metal Contact Layer)102，P型半导体层103，P-N结层104，N型半导体层105，透明导电层(Transparent Conductive Oxide)106，及前电极(Front Metal Contact Layer)107。
基板101是可挠曲的聚合物薄片(Polymer Foil)。该聚合物可以是透明或者不透明的。透明的聚合物材料可以是聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)等。不透明的聚合物材料可以是聚醚醚酮(PolyetherEther Ketone，PEEK)、液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer，LCP)等。优选地，基板101的材料是光学等级聚合物(Optical Grade Polymer)，例如PMMA。基板101的厚度大约在10μm至100μm之间。
背电极102的材料可以是银(Ag)，铜(Cu)，钼(Mo)，铝(Al)，铜铝合金(Cu-AlAlloy)，银铜合金(Ag-Cu Alloy)，或者铜钼合金(Cu-Mo Alloy)等。背电极102可以采用溅射(Sputtering)或者沉积(Deposition)的方法形成。
P型半导体层103的材料可以是P型非晶硅(P Type Amorphous Silicon，简称P-a-Si)材料，特别是P型含氢非晶硅(P Type Amorphous Silicon With Hydrogen，简称P-a-Si:H)材料。当然，该P型半导体层的材料也可以是III-V族化合物或II-VI族化合物，特别是掺杂铝(Al)、钾(Ga)、铟(In)的半导体材料，如氮化铝钾(AlGaN)或铝砷化镓(AlGaAs)。
优选地，P型半导体层103的材料为P型非晶硅材料。非晶硅材料对光的吸收性比结晶硅材料强约500倍，所以在对光子吸收量要求相同的情况下，非晶硅材料制成的半导体层的厚度远小于结晶硅材料制成的半导体层的厚度。且非晶硅材料对基板材质的要求更低。所以采用非晶硅材料不仅可以节省大量的材料，也使得制作大面积的太阳能电池成为可能(结晶硅太阳能电池的面积受限于硅晶圆的尺寸)。
P-N结层104的材料可以是结合性较好的III-V族化合物或I-III-VI族化合物，如碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CuInSe2)等材料。也可以是铜铟镓硒(CuIn1-XGaSe2，CIGS)。该P-N结层132用于将光子转换成电子-孔穴对并形成势垒电场。该P-N结层132可以通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)，溅射法等方法形成。
N型半导体层105的材料可以是N型非晶硅(N type amorphous silicon，简称N-a-Si)材料，特别是N型含氢非晶硅(N type amorphous silicon with hydrogen，简称N-a-Si:H)材料。当然，该N型半导体层133的材料也可以是III-V族化合物或II-VI族化合物，特别是掺杂氮(N)、磷(P)、砷(As)的半导体材料，如氮化钾(GaN)或磷化铟镓(InGaP)。
透明导电层106的材料可以是，例如，铟锡氧化层(Indium Tin Oxide，ITO)，氧化锌(ZnO)等。
前电极107的材料可以是银(Ag)，铜(Cu)，钼(Mo)，铝(Al)，铜铝合金(Cu-AlAlloy)，银铜合金(Ag-Cu Alloy)，或者铜钼合金(Cu-Mo Alloy)等。
相对于现有技术，本发明太阳能电池10的基板101是可挠曲的聚合物薄片，故太阳能电池10可挠曲，将其应用于建筑领域时，更容易配合建筑物本身的形状设计成不同几何形状的太阳能电池，使设计更有弹性。而且，聚合物薄片价格相对较便宜，从而可以降低太阳能电池10的成本，有利于太阳能电池10的进一步大范围推广。此外，本发明太阳能电池10不仅可以应用于建筑领域，由于其具有可挠曲、且成本低等特性，还可以广泛地应用于航天器，交通工具，以及手机等3C产品上。
以下介绍一种制造太阳能电池10的设备及方法。
请参阅图2，卷轴式镀膜系统20包括一个卷绕室202及一个镀膜室204。卷绕室202内设置有一个放卷轴206及一个收卷轴208。
镀膜室204从左至右依次包括第一溅射区2041、第一沉积区2042、第二溅射区2043、第二沉积区2044、第三溅射区2045及第四溅射区2046。
第一溅射区2041、第二溅射区2043、第三溅射区2045及第四溅射区2046分别用于通过溅射法形成太阳能电池的背电极102、P-N结层104、透明导电层106及前电极107。在本实施例中，溅射法优选采用直流磁控溅射法(Direct Current Magnetron Sputtering)。各个溅射区的溅射靶材(图未示)根据不同的材料选择。例如，对于第一溅射区2041，根据所需要形成的背电极102的材料，溅射靶材可以是银，铜，钼，铝，铜铝合金，银铜合金，或者铜钼合金等。
第一沉积区2042及第二沉积区2044分别用于通过化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition，CVD)形成太阳能电池10的P型半导体层103及N型半导体层105。在本实施例中，沉积法优选采用等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)。
每个溅射区及沉积区内分别设置有至少一个滚轴210，滚轴210用于支撑待镀膜的基板101。在本施实例中，滚轴210内还可以设置有冷却液体(图未示)，有利于基板101散热，使其在整个镀膜的过程中始终保持相对较低的温度。卷绕室202及镀膜室204之间设置有导向轴212，导向轴212用于引导待镀膜的基板101前进。
采用卷轴式镀膜系统20制造太阳能电池的方法如下所述：
在镀膜前，放卷轴206、导向轴212、滚轴210及收卷轴208之间缠绕有待镀膜的基板101，基板101是聚合物薄片。通过在基板101的表面1012上镀膜依次形成背电极102等结构，从而得到太阳能电池10。
当电机(图未示)带动放卷轴206顺时针转动时，导向轴212、滚轴210跟着逆时针转动，而收卷轴208跟着顺时针转动。从放卷轴206出发的基板101经过导向轴212到达第一溅射区2041，滚轴210将基板101冷却并且将其温度保持在合适的温度，在第一溅射区2041进行溅镀(Sputtering)，在基板101的表面1012上形成背电极102。
收卷轴208继续带动基板101前进，具有背电极102的基板101的部分抵达第一沉积区，滚轴210冷却基板101并且将其温度保持在合适的温度，在第一沉积区2042进行等离子体辅助化学气相沉积，在背电极102上形成P型半导体层103。
收卷轴208继续带动基板101前进，具有背电极102及P型半导体层103的基板101的部分抵达第二溅射区2043，滚轴210冷却基板101并且将其温度保持在合适的温度，在第二溅射区进行溅射，在P型半导体层103上形成P-N结层104。
具有背电极102、P型半导体层103及P-N结层104的基板101的部分依次经过第二沉积区2044、第三溅射区2045及第四溅射区2046，依次形成N型半导体层105、透明导电层106及前电极107，从而得到图1所示的太阳能电池10。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池包括：
一个可以挠曲的基板，该基板的材料是聚合物；
一层背电极，该背电极形成在该基板的一个表面上；
一层P型半导体层，该P型半导体层形成在该背电极上；
一层P-N结层，该P-N结层形成在该P型半导体层上；
一层N型半导体层，该N型半导体层形成在该P-N结层上；
一层透明导电层，该透明导电层形成在该N型半导体层上；
一层前电极，该前电极形成在该透明导电层上。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该聚合物是透明的。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该聚合物是光学等级聚合物。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该聚合物是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮或者液晶聚合物。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该基板的厚度在10μm至100μm之间。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该P型半导体层的材料是P型非晶硅、氮化铝镓或者砷化铝镓。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该P-N结层的材料是铜铟硒镓、碲化镉或者铜铟硒。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该N型半导体层的材料是N型非晶硅、氮化钾或者磷化铟镓。
9.一种用于制造太阳能电池的设备，其特征在于，该设备包括：
一个缠绕室，该缠绕室内设置有一个放卷轴和一个收卷轴，该放卷轴用于缠绕可以挠曲的聚合物基板并且将该基板从该放卷轴放出，该收卷轴用于将镀膜后的该基板卷起；
一个镀膜室依次设置有第一溅射区、第一沉积区、第二溅射区、第二沉积区、第三溅射区及第四溅射区，每个区分别设置有至少一个滚轴，可以挠曲的聚合物基板的第一端缠绕在放卷轴上，该聚合物基板的第二端依次通过该至少一个滚轴缠绕在收卷轴上，从而该聚合物基板可以从放卷轴出发依次经过第一溅射区、第一沉积区、第二溅射区、第二沉积区、第三溅射区及第四溅射区，从而缠绕在该收卷轴上，该第一溅射区用于通过溅射法在基板的一个表面上形成一层背电极，该第一沉积区用于通过化学气相沉积法在该背电极上形成一层P型半导体层，该第二溅射区用于通过溅射法在该P型半导体层上形成一层P-N结层，该第二沉积区用于通过化学气相沉积法在该P-N结层上形成一层N型半导体层，该第三溅射区用于通过溅射法在该N型半导体层上形成一层透明导电层，该第四溅射区用于通过溅射法在该透明导电层上形成一层前电极，从而得到太阳能电池。
10.一种采用如权利要求9所述的设备制造太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将聚合物基板的一端缠绕于放卷轴，将该聚合物基板的另一端经过滚轴卷绕在收卷轴上；
从该放卷轴释放该聚合物基板，使该聚合物基板依次经过第一溅射区、第一沉积区、第二溅射区、第二沉积区、第三溅射区及第四溅射区，其中，在该第一溅射区通过溅射法在基板的一个表面上形成一层背电极，在该第一沉积区通过化学气相沉积法在该背电极上形成一层P型半导体层，在该第二溅射区通过溅射法在该P型半导体层上形成一层P-N结层，在该第二沉积区通过化学气相沉积法在该P-N结层上形成一层N型半导体层，在该第三溅射区通过溅射法在该N型半导体层上形成一层透明导电层，在该第四溅射区通过溅射法在该透明导电层上形成一层前电极，从而得到太阳能电池。
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