CN101582466A - 一种多晶硅薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜多晶硅太阳能电池，包括衬底、前电极、薄膜多晶硅PN结和背电极。其中衬底材料可以是玻璃、不锈钢、陶瓷、塑料或其他一些柔性的材料。采用透明导电薄膜和金属电极为电极材料，采用薄膜多晶硅PN结作为光电转换层。通过使用PECVD法制备非晶硅薄膜，然后通过激光烧焙法将非晶硅薄膜晶化，最终获得薄膜多晶硅。具体结构和生产工艺可以根据不同的条件和要求进行调节，最终获得低成本、工艺简单、无污染，大面积和高转换率的薄膜多晶硅太阳能电池。

Description

一种多晶硅薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别涉及硅基薄膜太阳能电池。
背景技术
众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜)。
晶硅太阳能电池相比其他太阳能电池具有生产技术成熟、转化率高、稳定性好的特点，在目前使用的太阳能发电技术中占有主流地位。
晶硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为；[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；[2]对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产。
但随着太阳能电池需求的增加，晶硅原料的短缺成了制约晶硅太阳能电池发展的一种不利因素，而且由于晶硅原材料成本高，生产能耗高和工业污染严重等问题的存在也影响了晶硅太阳能电池的进一步发展。
由于以上问题，近年来薄膜硅太阳能电池由于自身技术决定的低成本、低能耗等优势，迅速发展起来，但由于转化率较低、稳定性差的缺点短期内仍旧无法取代晶硅太阳能电池的主流位置。
目前，对于晶硅太阳能电池技术急需要做的就是解决硅材料的短缺，以及成本高的问题，而对于薄膜太阳能电池技术急需要做的就是解决转化率低和稳定性差的问题。
所以，目前需要一种新的技术，即可以解决晶硅太阳能电池的原材料短缺、成本高、无法大面积生产、生产过程产生大量污染性废物的问题，又可以解决薄膜太阳能电池的光电转换效率相对较低、稳定性差的问题。同时该技术的产品在光伏电站、光伏建筑一体化等方面拥有广泛的应用范围和广阔的前景。
发明专利200310117095.7公开了一种陶瓷衬底多晶硅薄膜太阳能电池，然而此种太阳能电池采用仍旧是传统的多晶硅太阳能电池结构设计，并且采用CVD(化学气相沉积)或熔融法制备多晶硅薄膜。由于熔融技术制备多晶硅薄膜需要在1200℃以上的高温下进行，所以对衬底的耐高温性能有很高的要求，只能局限在陶瓷等少数耐高温材料上。而且熔融技术获得的多晶硅薄膜的均匀性较差，制造设备也无法大型化，难以获得大面积薄膜多晶硅太阳能电池，使它的应用价值和范围都受到很大的限制。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种薄膜多晶硅太阳能电池。
为实现上述目的，本发明提供一种集合目前多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池优点于一体，并可以在低温条件下大面积制备的薄膜多晶硅太阳能电池。其特征在于，包括衬底、前电极、薄膜多晶硅PN结、背电极组成。
所述的衬底材料可以是玻璃、陶瓷、金属薄板或树脂等透明或不透明，固定形状或者柔性的材料。
所述的前电极位于电池的迎光面，由透明薄膜导电材料组成(氧化锡薄膜、氧化锌薄膜、氧化铟锡薄膜等)。一般采用磁控溅射技术制备，厚度在几百纳米至几微米范围内。
当太阳光从衬底透入到电池内部时，要求采用高透光率的衬底材料和前电极。
所述的薄膜多晶硅，它位于前电极和背电极之间，通过使用PECVD法(等离子体增强化学气相沉积)制备非晶硅薄膜，然后通过激光烧焙法将非晶硅薄膜晶化，最终获得薄膜多晶硅，薄膜厚度在1～4微米之间。
所述的PN结作为光电转换层，通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)法制备非晶硅薄膜过程掺杂B和P元素直接获得，或者通过PECVD法制备非晶硅薄膜过程只掺杂B或P元素获得P型非晶硅或N型非晶硅，激光晶化后，通过扩散技术将P元素掺入到P型多晶硅薄膜中或将B元素掺入N型多晶硅薄膜中。
所述的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术，是指将衬底放置在真空腔室内，并加热到100～400℃，然后在腔室内通入多种气体(例如：硅烷、氢气、磷烷、硼烷等含材料所需元素的气体)，同时利用辉光放电技术将混合气体电离成等离子体，最终在衬底表面生长出所需的非晶硅薄膜材料。
所述的激光烧焙技术，是指采用脉冲激光在大气环境下进行晶化，激光波长在300～550nm范围内，激光频率为30～60KHz。在进行激光烧焙工艺之前，可以采用退火或者预烧焙的方法来降低非晶硅薄膜内的氢含量。
所述的激光烧焙法晶化非晶硅薄膜需要对使用的激光波长、强度以及烧焙速度进行调节，将烧焙深度控制在非晶硅薄膜厚度内，并获得晶化均匀的多晶硅薄膜，反复烧焙多次可以增大多晶硅晶粒尺寸。
所述的多晶硅晶粒尺寸，一般控制在几百纳米至几微米范围内。
所述的背电极位于电池的背光面，可以是透明薄膜导电材料(氧化锡薄膜、氧化锌薄膜、氧化铟锡薄膜等)也可以是不透明的薄膜导电材料(银薄膜、铝薄膜等)，或者是两种薄膜导电材料的组合。一般采用磁控溅射技术制备，厚度在几百纳米至几微米范围内。
本发明薄膜多晶硅太阳能电池的工艺流程主要应用在单个电池的制备上，如果在前电极、薄膜多晶硅PN结和背电极制备三步工艺之后增加激光划线工艺，则可以获得将多个小电池串联或者并联起来的电池组。
本发明的一种薄膜多晶硅太阳能电池有很广阔的应用前景，无论是电站发电、建筑用外墙、发电窗口，柔性发电系统，都可以采用。
本发明的一种薄膜多晶硅太阳能电池制造工艺简单，设备成本低，能耗小，无污染，甚至对一些非晶硅太阳能电池生产线进行局部的改造即可生产。
附图说明
图1为本发明实施例一的电池结构图；
其中，1-玻璃；2-透明导电膜；3-薄膜多晶硅PN结；4-透明导电膜+金属薄膜。
图2为本发明实施例一的电池制备流程图；
图3为本发明实施例二的电池结构图；
其中，1-金属栅电极；2-透明导电膜；3-薄膜多晶硅PN结；4-透明导电膜+金属薄膜；5-不锈钢薄板。
图4为本发明实施例二的电池制备流程图；
其中，图1为摘要附图。
具体实施方式
以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
下面结合附图对本发明一种薄膜多晶硅太阳能电池进行说明。
实施例一
如图1所示，本发明的一种玻璃衬底的薄膜多晶硅太阳能电池的结构图，衬底材料为超白玻璃，前电极材料是透明导电薄膜，背电极由透明导电薄膜加金属薄膜电极组成。
如图1所示，光从玻璃透入到电池内部，所以要求采用高透光率的玻璃和前电极。
如图2所示，本发明是一种玻璃衬底的薄膜多晶硅太阳能电池的工艺流程，该流程主要应用在单个电池的制备上，如果在前电极、薄膜多晶硅PN和背电极制备三步工艺之后增加激光划线工艺，则可以获得将多个小电池串联或者并联起来的电池组。
如图2所示，前电极采用的是ZnO2薄膜，采用磁控溅射技术制备，厚度在1微米左右。
如图2所示，多晶硅薄膜材料采用PECVD技术制备了P型掺杂的非晶硅薄膜，通过激光烧焙技术将非晶硅薄膜晶化获得多晶硅薄膜，薄膜厚度在1～4微米之间。再采用扩散技术在P型多晶硅薄膜表面获得一层N型多晶硅薄膜。
如图2所示，背电极中的透明导电膜材料为ZnO2，采用磁控溅射技术制备，厚度在20nm左右。
如图2所示，背电极中的金属薄膜电极材料是Ag，采用磁控溅射技术制备，厚度为100纳米左右。
实施例二
如图3所示，本发明的一种不锈钢衬底的薄膜多晶硅太阳能电池的结构图，衬底材料为不锈钢薄板，前电极材料是透明导电薄膜加栅电极组成，背电极由透明导电薄膜加金属薄膜电极组成。
如图3所示，光从前电极透入到电池内部，所以要求采用高透光率的TCO薄膜和较小面积的栅电极。
如图3所示，栅电极由线条状金属薄膜构成，作用是增加前电极的导电性并保证光的透过率，所以要求高电导率，栅电极线宽约在50微米左右，线间距约在5毫米左右。
如图4所示，本发明是一种不锈钢衬底的薄膜多晶硅太阳能电池的工艺流程，该流程主要应用在单个电池的制备上，如果在前电极、薄膜多晶硅PN和背电极制备三步工艺之后增加激光划线工艺，则可以获得将多个小电池串联或者并联起来的电池组。
如图4所示，背电极中的金属薄膜采用的是Ag材料，采用磁控溅射技术制备，厚度在100纳米左右。
如图4所示，背电极中的透明导电薄膜采用的是ZnO2材料，采用磁控溅射技术制备，厚度在20纳米左右。
如图4所示，多晶硅薄膜材料采用PECVD技术制备了P型掺杂的非晶硅薄膜，通过激光烧焙技术将非晶硅薄膜晶化获得多晶硅薄膜，薄膜厚度在1～4微米之间。再采用扩散技术在P型多晶硅薄膜表面获得一层N型多晶硅薄膜。
如图4所示，前电极中的透明导电膜材料为ZnO2，采用磁控溅射技术制备，厚度在1微米左右。
如图4所示，前电极中的金属栅电极材料是Ag，采用印刷技术制备，厚度为1微米左右。
上述实施例只是对于本发明进行说明，而不是对本发明的保护范围的限制。本领域的技术人员在本发明的启示下，可能做出一些变通的实施方式，均属于本发明的保护的范围。比如：在电池结构中对衬底材料的变化，但是电池工作原理不变；对电池电极的组成和材料进行变化，但是电池工作原理不变；对电池的薄膜多晶硅PN结的制备流程进行改变，但是不脱离PECVD制备非晶硅加激光烧焙晶化技术的范围；对电池制备流程增加激光划线工艺将单块电池切割组成多个小电池的串联或并联结构，但是每个小电池的制备原理都与一个单电池相同，等等。

Claims (10)

1.一种多晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于，包括衬底、前电极、薄膜多晶硅PN结、背电极。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，薄膜多晶硅通过使用PECVD法制备非晶硅薄膜，然后通过激光烧焙法将非晶硅薄膜晶化，最终获得薄膜多晶硅。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，激光烧焙技术为采用脉冲激光在大气环境下进行晶化。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，激光波长在300～550nm范围内，激光频率为30～60KHz。
5.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，在进行激光烧焙工艺之前，采用退火或者预烧焙的方法来降低非晶硅薄膜内的氢含量。
6.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，反复烧焙多次以增大多晶硅晶粒尺寸。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，多晶硅晶粒尺寸控制在几百纳米至几微米范围内。
8.根据权利要求1～7所述的任意一种太阳能电池，其特征在于，薄膜厚度在1～4微米之间。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，激光烧焙法晶化非晶硅薄膜需要对使用的激光波长、强度以及烧焙速度进行调节，将烧焙深度控制在非晶硅薄膜厚度内，并获得晶化均匀的多晶硅薄膜。
10.根据权利要求1～9所述的任意一种太阳能电池，其特征在于，所述的PN结，通过PECVD法制备非晶硅薄膜过程掺杂B和P元素直接获得，或者通过PECVD法制备非晶硅薄膜过程只掺杂B或P元素获得P型非晶硅或N型非晶硅，激光晶化后，通过扩散技术将P元素掺入到P型多晶硅薄膜中或将B元素掺入N型多晶硅薄膜中。
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