CN101364619A - 一种硅薄膜太阳能电池的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅薄膜太阳能电池的制作方法，首先将纯度大于99.999％的P型高纯多晶硅粉碎至粒度为5－50微米的高纯多晶硅粉末，然后涂敷于结合有铝电极的衬底上，形成高纯p型硅微米颗粒膜；通过退火工艺使硅微米颗粒和金属导电底电极界面合金化，接着在所述的硅颗粒单层膜上沉积n型硅层，或者依次沉积本征硅层、n型硅层；最后沉积一层透明导电电极层。本发明采用高纯多晶硅源料破碎、涂覆这一独特技术可以在玻璃、塑料、金属薄片等衬底上实现高质量多晶硅薄膜的沉积，用于太阳能电池制作工艺方法简单、生产成本低、光电转换效率高，具有非常广泛的产业化价值。

Description

一种硅薄膜太阳能电池的制作方法

技术领域

本发明涉及一种制备廉价、高效硅薄膜太阳能电池的方法，属于新能源、半导体光电子学等技术领域。

背景技术

当前，世界各国争相推出各种太阳能开发计划，把新世纪的全球能源园地装点得五彩缤纷、春意盎然。据全球权威能源机构的预测，到本世纪中期，太阳能将成为人类能源构成中的重要组成部分，而到本世纪末将成为人类能源构成中的“主力军”。在现有太阳能电池种类中，单晶硅大阳能电池技术最为成熟，大规模产业化光电转换效率最高，达到16％—18％。但该电池缺点是能耗高，高纯硅用料多，严峻的晶硅短缺使越来越多的太阳能电池生产设备处于停产、半停产状态，而不断上涨的晶硅价格也在一步步吞噬太阳能电池生产商的利润。多晶硅太阳能电池省去晶硅拉棒工序，能耗降低且生产效率大大提高，而且方形结构较圆形单晶片更能提高晶硅利用率(因太阳能电池组件多为方形)，因此多晶硅太阳能电池已是单晶硅太阳能电池的替代产品。但存在的缺点是：由于还是属于体硅工艺，硅片厚度一般大于200微米，无法摆脱对晶体硅的高度依赖。硅材料是构成晶体硅太阳电池组件成本中很难降低的部分，因此为了适应太阳电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要，最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳电池的工艺路线，而采用直接由高纯多晶硅原料到太阳能电池的工艺路线，即发展薄膜太阳电池的技术。

首先从薄膜太阳能的应用来看，薄膜太阳能由于“薄”和“柔性”等特性，对于其在应用环境上极大地拓展了空间，相对于晶体硅只能采用平面形式的应用不同，它可以以任意形状出现，就是说可以覆盖在任意物体表面，或者以折叠形式储存运输，这就使得其可以在野外运动作战为主的军事应用环境中发挥作用。在野外行动中，能源如何解决是个很大问题，通信设备，电子计算机设备等都将是需要电能供应的设备，而太阳能无处不在，因此可以想象未来太阳能在军事领域的拓展性应用即将开始，而这个开始就是薄膜太阳能电池打开的。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，目前世界上已有许多家公司在生产该种电池产品。非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，使得电池性能不稳定。硒铟铜和碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池高，成本较单晶硅电池低，并且易于大规模生产，还没有效率衷减问题，似乎是非晶硅薄膜电池的一种较好的替代品，在美国已有一些公司开始建设这种电池的生产线。但是这种电池的原材料之一镉对环境有较强的污染，与发展太阳电池的初衷相背离，而且硒、铟、碲等都是较稀有的金属，对这种电池的大规模生产会产生很大的制约。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，而效率高于非晶硅薄膜电池。另外，采取将多晶硅/非晶硅层叠薄膜结构可以综合容易吸收可视光的非晶硅特性和容易吸收红外线的薄膜多晶硅的特性来提高转换效率。通过该叠层结构，太阳能电池光电转换效率可以超过12％，使得产品能够作为家用产品使用。

多晶硅薄膜集晶体硅材料和非晶硅薄膜优点于一体，在高效太阳能电池领域具有重大应用价值。多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于800℃，衬底需要使用耐高温的昂贵石英，不适合大规模民用。另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可用廉价玻璃、塑料作衬底，因此可以大面积制作，但由于生长的硅膜晶粒太小，未能制成高转换效率的多晶硅薄膜太阳能电池。目前制备多晶硅薄膜多采用化学气相沉积法，包括各种等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。另外通过固相晶化、区熔再结晶、激光退火、金属诱导结晶等技术晶化非晶硅薄膜也可以获得多晶硅薄膜。但目前尚存在如下问题：1)多晶硅薄膜低温沉积，质量差，薄膜晶粒尺寸小，电池效率低。2)多晶硅薄膜高温沉积，能耗高，尚缺少适于生长优质多晶硅薄膜的廉价而优良的衬底材料。如何在普通玻璃、塑料、金属等廉价衬底上获得大面积、高质量大晶粒多晶硅薄膜是当前高效、廉价硅基薄膜太阳能电池制作中的重大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺方法简单、操作方便、生产成本低的硅薄膜太阳能电池的制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种硅薄膜太阳能电池的制作方法，将纯度大于99.999％的p型高纯多晶硅粉碎至粒度为5—50微米的高纯多晶硅粉末，酸洗、烘干，然后涂敷于结合有铝或者铝合金电极的衬底上，形成高纯p型硅微米颗粒单层膜；将所述单层膜快速退火，退火温度一般低于700℃，使硅微米颗粒和铝导电底电极界面合金化，接着在所述的硅颗粒单层膜上依次沉积导电类型互补的n型硅层和一层透明导电电极层，为提高电池性能，在沉积n型硅层前，可以预先沉积一层未掺杂的本征硅层。

所述的涂敷方法采用静电喷涂、印刷或者压印中的一种，为方便硅粉印刷涂敷，可以把硅粉混合成粘稠的液态。

所述的n型硅和本征硅层沉积方法为等离子体增强的化学气相沉积或物理气相沉积中的一种。

所述的金属导电底电极为铝。

所述的衬底为玻璃、陶瓷、塑料、不锈钢、铝合金中的一种。

本发明在铝电极上实现大颗粒、高纯多晶硅薄膜沉积，并利用该多晶硅层，继续结合常规的硅薄膜生长和透明导电电极沉积技术完成高效、廉价多晶硅薄膜电池的加工，本发明的工作原理及优点简述于下：本发明直接采用特定掺杂的高纯多晶硅作为源料，经过粉碎获得颗粒度在5微米—50微米的高纯多晶硅粉末。经过酸洗烘干后，采用静电喷涂、印刷或者压印等手段在导电底电极上形成高纯p型硅微米颗粒单层膜，经退火后使硅颗粒和金属导电底电极界面合金化，接着在该硅颗粒膜上采用等离子体增强的化学、物理气相沉积技术沉积一层n型非晶硅或者微晶硅薄膜，最后结合常规透明导电电极沉积技术完成基本薄膜电池制作。因而，具有光电转换效率高、成本低廉、产业化前景广阔的优点。本发明与常规硅薄膜沉积技术制作太阳能电池相比，具有如下优点：

1)、工艺温度低，在普通玻璃、塑料、铝箔等廉价衬底上，室温下就可以获得晶粒大于10微米的晶硅层，后续快速退火温度最高也不高于700℃。

3)、成本低廉：多晶硅源料直接粉碎、经过静电喷涂、印刷等工艺获得多晶硅颗粒膜，后续n型非晶硅、微晶硅薄膜沉积，厚度薄，能耗低，另外，硅微米颗粒方便回收。

2)、光电转换效率高；多晶硅粒径大，电池结构为多晶硅/非晶硅异质结结构，太阳光谱利用率高。

综上所述，本发明采用多晶硅源料破碎、喷涂、印刷这一独特技术沉积可以在玻璃、塑料、金属薄片等衬底上实现高质量多晶硅薄膜的沉积，用于太阳能电池制作工艺方法简单、生产成本低、光电转换效率高，具有非常广泛的产业化价值。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

购买纯度大约为7N的p型多晶硅为源料，其电阻率为1.0Ω.cm。经过球磨、气流粉碎技术获得粒径为50微米的多晶硅微粒。酸洗，烘干后采用静电喷涂技术在铝箔衬底上喷涂一层上述硅微米颗粒膜，形成p型硅微米颗粒单层膜。接着采用600℃惰性气氛快速退火工艺，使得硅微米颗粒和铝衬底界面合金化，同时也彼此结合牢固。采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在上述p型硅微米颗粒单层膜上沉积一层厚度为200纳米的n型非晶硅薄膜，衬底温度为200℃。最后采用磁控溅射技术沉积在非晶硅层上形成一层IT0透明导电电极层，沉积温度为200℃。

实施例2：

采用纯度为6N的p型多晶硅为源料，电阻率大约0.5Ω.cm。经过球磨、气流粉碎技术获得粒径为10微米的多晶硅微粒。和高纯粘稠、易挥发液态有机物混合后，采用印刷技术在沉积有铝导电层的玻璃衬底上沉积一层上述硅微米颗粒膜，形成p型硅微米颗粒单层膜。接着采用300℃惰性气氛快速退火工艺，使得硅微米颗粒和铝衬底界面合金化，同时也彼此结合牢固。采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在上述p型硅微米颗粒膜层上依次沉积一层厚度为100纳米的本征微晶硅层，一层厚度为50纳米厚的n型微晶硅层，衬底温度为200℃。最后采用磁控溅射技术沉积在非晶硅层上形成一层IT0透明导电电极层，沉积温度为200℃。

实施例3：

采用纯度为7N的p型多晶硅作为源料，电阻率为2.0Ω.cm。经过球磨、气流粉碎技术获得粒径大约为20微米的多晶硅微粒。酸洗，烘干后采用压印技术在沉积有铝导电层的陶瓷衬底上沉积一层上述硅微米颗粒膜，形成p型硅微米颗粒单层膜。接着采用500℃惰性气氛快速退火工艺，使得硅微米颗粒和铝电极彼此结合牢固。采用等离子体增强物理气相沉积技术在上述p型硅微米颗粒膜层上依次沉积一层厚度为50纳米厚的n型非晶硅层，衬底温度为200℃。最后采用磁控溅射技术沉积在非晶硅层上形成一层IT0透明导电电极层，沉积温度为200℃。

Claims (5)

1.一种硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征是：将纯度大于99.999％的p型高纯多晶硅气流粉碎至粒度为5—50微米的高纯多晶硅粉末，然后涂敷于导电衬底上，形成高纯p型硅微米颗粒膜层；接着在所述的硅颗粒单层膜上沉积n型硅层或者本征硅层后再叠加n型硅层，最后沉积一层透明导电电极层完成原型太阳能电池。

2.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征是：所述的涂敷方法采用静电喷涂、印刷或者压印中的一种。

3.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征是：对高纯p型硅粉层进行快速退火，实现其和导电衬底的界面合金化，增强结合强度。

4.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征是：所述的n型硅和本征硅层沉积方法为等离子体增强的化学气相沉积或物理气相沉积中的一种。

5.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征是：所述的导电衬底为铝箔、或者沉积有铝层的陶瓷、玻璃、塑料、不锈钢中的一种。