CN102299199A - 薄膜型太阳能电池的制造方法以及用该方法所制造出的薄膜型太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
公布了一种制造薄膜型太阳能电池的方法以及使用这种方法所制造的薄膜型太阳能电池。所述方法包括：用来在衬底上以预定间隔形成多个单体前电极图案的第一过程；用来在所述衬底上形成半导体层图案的第二过程，其中，所述半导体层图案包括将所述太阳能电池划分成单体电池的分隔部分和将所述电极图案电连接起来的接触部分；以及用来形成多个单体后电极图案的第三过程，其中，所述多个单体后电极图案通过所述接触部分分别与所述单体前电极图案相连，并且通过所述分隔部分彼此分隔开。
Description
本申请是申请号为“200880101665.4”、申请日为2008年8月6日、发明名称为“薄膜型太阳能电池的制造方法以及用该方法所制造出的薄膜型太阳能电池”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及到一种薄膜型太阳能电池，具体说，涉及到具有多个串联连接的单体电池(unit cell)的薄膜型太阳能电池。
背景技术
具有半导体特性的太阳能电池将光能转化成电能。
下面将简短地说明根据现有技术所述的太阳能电池的结构和原理。
太阳能电池以PN结结构形成，在所述PN结结构中，正(P)型半导体与负(N)型半导体形成结。
当太阳光入射到具有PN结结构的太阳能电池上时，所述太阳光的能量就能够在所述半导体中产生空穴(+)和电子(-)。在PN结区域所形成的电场的作用下，所述空穴(+)向所述P型半导体漂移，而所述电子(-)则向所述N型半导体漂移，于是，就随着电势的出现而产生了电能。
太阳能电池主要分为晶片型太阳能电池和薄膜型太阳能电池。
所述晶片型太阳能电池使用由诸如硅等半导体材料所制成的晶片，而所述薄膜型太阳能电池则通过在玻璃衬底上形成半导体薄膜来制造。
从效率方面来说，晶片型太阳能电池好于薄膜型太阳能电池。然而，在晶片型太阳能电池的情形中，由于处理上的困难，很难将厚度做小。另外，晶片型太阳能电池使用昂贵的半导体晶片，所以其制造成本就增加了。
虽然薄膜型太阳能电池在效率上不如晶片型太阳能电池，但薄膜型太阳 能电池的优点是，诸如可以将厚度做小并使用低价材料。因此，薄膜型太阳能电池适合于大量生产。
薄膜型太阳能电池通过在玻璃衬底上形成前电极、在所述前电极上形成半导体层、以及在所述半导体层上形成后电极这些顺序进行的步骤来制造。在这种情形中，由于所述前电极相当于光入射面，所以，所述前电极由诸如ZnO等透明导电材料来制造。对于大尺寸衬底，由于所述透明导电层的电阻的缘故，能量损失增加。
因此，已经提出了一种最小化能量损失的方法，在这种方法中，将薄膜型太阳能电池分成多个单体电池，并将所述多个单体电池串联连接。这种方法能够最小化由所述透明导电材料的电阻所造成的能量损失。
在下文中将参考图1A到1G来描述制造具有多个串联连接的单体电池的薄膜型太阳能电池的现有技术方法。
首先，如图1A所示，在衬底10上形成前电极层12，其中，前电极层12由诸如ZnO等透明导电材料形成。
如图1B所示，利用激光划线(laser scribing)方法图案化前电极层12，从而形成单体前电极12a、12b和12c。
如图1C所示，在衬底10的整个表面上形成半导体层14。半导体层14由诸如硅等半导体材料制成。半导体层14形成PIN结构，在这种PIN结构中，顺序沉积P型半导体层、本征半导体层、和N型半导体层。
如图1D所示，利用激光划线方法图案化半导体层14，从而形成单体半导体层14a、14b和14c。
如图1E所示，在衬底10的整个表面上顺序形成透明导电层16和金属层18，从而形成后电极层20。透明导电层16由ZnO制成，而金属层18由Al制成。
如图1F所示，通过图案化后电极层20从而形成单体后电极20a、20b和20c。当图案化后电极层20时，位于后电极层20下方的单体半导体层14b和14c与后电极层20一起通过激光划线方法进行图案化。
如图1G所示，通过图案化最靠外的单体后电极20a和20c、最靠外的单 体半导体层14a和14c、以及最靠外的单体前电极12a和12c而将衬底10的最靠外部分隔离开来。这是因为，在将整个薄膜型太阳能电池与外壳连接起来形成一个模块时可能会出现短路。衬底10的最靠外部分的隔离能够防止所述薄膜型太阳能电池与所述外壳之间的短路。
利用激光划线方法在衬底10的最靠外部分上进行图案化。衬底10的最靠外部分由不同的材料层构成。因此，首先通过波长较短的激光对单体后电极20a和20c以及单体半导体层14a和14c进行划线，然后通过波长较长的激光对单体前电极12a和12c进行划线。
然而，所述制造薄膜型太阳能电池的现有技术方法有如下缺点。
首先，所述现有技术方法由于有4个图案化步骤而很复杂，这4个步骤是，前电极层12的图案化步骤(参见图1B)、半导体层14的图案化步骤(参见图1D)、后电极层20的图案化步骤(参见图1F)、以及衬底10的最靠外部分的图案化步骤(参见图1G)。
其次，所述4个图案化步骤是通过激光划线方法来进行的。在激光划线期间，留在所述衬底上的残余物会污染衬底。为此，额外地进行清洗处理以便防止所述衬底的污染。然而，所述额外的清洗过程会导致复杂性和低产率。
发明内容
技术问题
所以，考虑了上述问题后产生了本发明，本发明的一个目标是，提供一种制造薄膜型太阳能电池的方法，该方法通过减少图案化步骤而具有简化的过程，以及提供一种利用所述方法制造的薄膜型太阳能电池。
本发明的另一个目标是，提供一种制造薄膜型太阳能电池的方法，该方法通过减少图案化步骤期间的激光划线过程的数目能够减少衬底污染的可能性，并通过省略清洗过程能够提高产率。
技术解决
为了实现这些目标以及其他优点并且与本发明的目的一致，如在此举例并概括描述的，一种薄膜型太阳能电池的制造方法包括：用来在衬底上以预 定间隔形成多个单体前电极图案的第一过程；用来在所述衬底上形成半导体层图案的第二过程，其中，所述半导体层图案包括将所述太阳能电池划分成单体电池的分隔部分和将所述电极图案电连接起来的接触部分；以及用来形成多个单体后电极图案的第三过程，其中，所述多个单体后电极图案通过所述接触部分分别与所述单体前电极图案相连，并且通过所述分隔部分彼此分隔开。
这里，所述第一过程包括：在最靠外的单体前电极图案中形成第一隔离部分，以便由所述第一隔离部分将所述衬底的最靠外部分隔离开。
所述第一过程包括：在所述衬底上形成前电极层；以及在所述前电极层上形成图案。
所述第一过程包括利用丝网印刷(screen printing)法、喷墨印刷(inkjetprinting)法、凹版印刷(gravure printing)法、或微接触印刷(micro-contactprinting)法在所述衬底上形成所述前电极图案。
所述第一过程还包括对所述前电极图案的表面所进行的纹理化处理(texturing process)。
所述第二过程包括：在所述衬底的整个表面上形成半导体层；以及在所述半导体层上形成图案。
所述第二过程包括：在所述衬底的整个表面上顺序形成半导体层和透明导电层；以及在所述半导体层和所述透明导电层上形成图案。
所述第二过程包括：在最靠外的半导体层图案中形成第二隔离部分，以便由所述第一和第二隔离部分将所述衬底的最靠外部分隔离开来，其中，所述第二隔离部分与所述前电极图案的第一隔离部分相对应。
所述第二过程包括形成具有PIN结构的半导体层图案，在这种PIN结构中，顺序沉积P型半导体层、本征半导体层和N型半导体层。
所述第三过程包括利用丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法或微接触印刷法形成所述后电极图案。
所述第三过程包括：在最靠外的后电极图案中形成第三隔离部分，以便通过所述第一、第二、和第三隔离部分将所述衬底的最靠外部分隔离开来， 其中，所述第三隔离部分与所述前电极图案的所述第一隔离部分相对应。
在本发明的另一方面，一种薄膜型太阳能电池的制造方法包括：在衬底的整个表面上形成前电极层；通过在所述前电极层上形成图案而以预定间隔形成多个单体前电极图案，其中，最靠外的前电极图案具有第一隔离部分；在所述衬底的整个表面上顺序形成半导体层和透明导电层；在所述半导体层和所述透明导电层上形成图案，以便形成将所述太阳能电池划分成单体电池的分隔部分、将所述电极图案电连接起来的接触部分和与所述前电极图案的第一隔离部分相对应的第二隔离部分；以及形成多个单体后电极图案，所述单体后电极图案具有与所述前电极图案的第一隔离部分相对应的第三隔离部分、通过所述接触部分分别与所述单体前电极图案电连接、以及通过所述分隔部分彼此分隔开来。
这里，形成所述单体后电极图案是通过丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法、或微接触印刷法来进行的。
在本发明的另一个方面，一种薄膜型太阳能电池包括：衬底上的相隔预定间隔的多个单体前电极图案；所述衬底上的半导体层图案，其中，所述半导体层图案具有将所述太阳能电池划分成单体电池的分隔部分、以及将所述电极图案电连接起来的接触部分；所述半导体层图案上的透明导电层图案，其中，所述透明导电层图案与所述半导体层图案形成了相同的图案；以及多个单体后电极图案，通过所述接触部分分别与所述单体前电极图案相连接，并通过所述分隔部分彼此分隔开来。
这里，在最靠外的单体前电极图案中形成第一隔离部分。
另外，所述半导体层图案包括形成在与所述前电极图案的第一隔离部分相对应的部分处的第二隔离部分，其中，所述第二隔离部分通过去掉所述半导体层而形成；而所述后电极图案包括形成在与所述前电极图案的第一隔离部分相对应的部分处的第三隔离部分，其中，所述第三隔离部分通过去掉所述后电极而形成。
所述多个单体前电极图案具有不平滑的表面。
所述半导体层图案形成PIN结构，在所述PIN结构中，顺序地沉积P型 半导体层、本征半导体层和N型半导体层。
有益效果
因此，根据本发明所述的薄膜型太阳能电池的制造方法以及由这种方法所制造出的薄膜型太阳能电池具有下述优点。
首先，根据本发明所述的薄膜型太阳能电池通过总共3个图案化步骤来制造，即，单体前电极的图案化步骤、半导体层的图案化步骤、以及单体后电极的图案化步骤，因此，根据本发明所述的薄膜型太阳能电池的制造方法比现有技术方法更简单。
特别是，所述现有技术方法需要对所述衬底的最靠外部分进行图案化。然而，在本发明所述的薄膜型太阳能电池的制造方法中，在执行前述的3个图案化步骤的时候就对所述衬底的最靠外部分进行了图案化。就是说，由于在前述的三个图案化步骤中形成了所述第一、第二、和第三隔离部分，所以，不需要有另外的步骤对所述衬底的最靠外部分进行图案化。
其次，根据本发明所述的薄膜型太阳能电池的制造方法能够尽量减少激光划线方法的使用，从而可以降低由激光划线所产生的残余物所造成的衬底污染的概率，以及减少用于去掉所述残余物的额外的清洗步骤。
在根据本发明所述的薄膜型太阳能电池的制造方法中，对所述单体后电极进行图案化的步骤可以通过丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法或微接触印刷法而不是通过激光划线法来进行，因此，可以减少激光划线的使用。另外，如果通过丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法、或微接触印刷法来进行对所述单体前电极以及所述单体后电极进行图案化的步骤，那么，可以减少两次激光划线的使用。
附图说明
图1A到1G是剖面图，显示了根据现有技术所述的具有多个串联连接的单体电池的薄膜型太阳能电池的制造方法；
图2A到2F是剖面图，显示了根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳能电池的制造方法；以及
图3是一个剖面图，显示了根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳 能电池。
具体实施方式
下面将详细谈及本发明的优选实施例，其例子示于附图中。在这些附图中，在任何可能的情况下，使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
在下文中将参考附图来描述根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳能电池的制造方法以及使用该方法所制造的薄膜型太阳能电池。
薄膜型太阳能电池的制造方法
图2A到2F是剖面图，显示了根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳能电池的制造方法。
如图2A所示，在衬底100上形成前电极层120。衬底100可以由玻璃或透明塑料制成。前电极层120由透明导电材料通过溅射或MOCVD(金属有机物化学气相沉积)形成，所述透明导电材料，例如，ZnO、ZnO:B、ZnO:Al、SnO2、SnO2:F、或ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡))。
前电极层120相当于太阳光入射面。在这一方面，重要的是使太阳光以最小的损失透过前电极层120进入所述太阳能电池的内部。为此，可以对前电极层120进行附加的纹理化处理。
通过所述纹理化处理，材料层表面通过利用光刻进行的刻蚀处理、利用化学溶液进行的各向异性腐蚀处理、或机械划线处理被给予不平滑表面，即纹理结构。如果对前电极层120进行了所述纹理化处理，那么，所述太阳能电池的前电极层120上的太阳光反射率就会降低，所述太阳能电池中的太阳光吸收率就会由于太阳光的散射而增加，从而太阳能电池的效率会提高。
如图2B所示，对前电极层120进行图案化。通过图案化前电极层120，以预定间隔形成多个单体前电极图案120a、120b和120c。另外，在最靠外的单体前电极图案120a和120c中形成第一隔离部分125。当完整的薄膜型太阳能电池与预定的外壳相连形成一个模块时，第一隔离部分125可以防止在所述外壳与所述薄膜型太阳能电池之间发生短路。就是说，衬底100的最靠外部分通过第一隔离部分125进行隔离。
使用激光划线方法对前电极层120进行图案化。
可以不使用所述激光划线方法，而是使用丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法、或微接触印刷法在衬底100的整个表面上所形成的前电极层120上直接形成单体前电极图案120a、120b和120c。在所述丝网印刷方法的情形中，使用丝网和加压装置将某种材料转移到预定的物体上。所述喷墨印刷方法是利用喷墨将某种材料喷射到预定物体上，从而在该物体上形成预定图案。在所述凹版印刷法的情形中，先在凹版上覆盖某种材料，然后将所覆盖的材料转移到预定的物体上，从而在所述预定的物体上形成预定图案。所述微接触印刷方法是利用预定的模具在预定物体上形成预定的材料图案。
如果使用所述丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法、或微接触印刷法来形成单体前电极图案120a、120b和120c，那么，与使用激光划线方法相比，较少担心衬底的污染问题。此外，在所述丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法、或微接触印刷法的情形中，不需要进行清洗处理以防止衬底的污染。
在衬底100的整个表面上形成前电极层120之后，可以用光刻法来形成单体前电极图案120a、120b和120c。
接着，如图2C所示，在衬底100的整个表面上形成半导体层140。半导体层140形成在各个单体前电极图案120a、120b和120c之间的空间中、第一隔离部分125的内部空间中、以及单体前电极图案120a、120b和120c的上方空间中。
半导体层140可以由硅基、CuInSe2基或CdTe基半导体材料通过等离子体CVD方法来形成。所述硅基半导体材料可以由非晶硅(a-Si:H)或微晶硅(μc-Si:H)形成。
可以将半导体层140形成为PIN结构，在这种PIN结构中，顺序沉积P型半导体层、本征半导体层、和N型半导体层。此时，太阳光在半导体层140中产生空穴和电子，所产生的空穴和电子分别被收集在所述P型半导体层和N型半导体层中。为了提高空穴和电子的收集效率，优选的是使用PIN结构，而不是由P型半导体层和N型半导体层所构成的PN结构。
如果半导体层140形成为PIN结构，那么所述P型半导体层和N型半导体层就使所述本征半导体层中出现耗尽。因此，在所述PIN结构内产生了电 场，由太阳光所产生的空穴和电子就在所述电场作用下发生漂移。于是，空穴和电子分别被收集到所述P型半导体层和N型半导体层中。
在形成具有PIN结构的半导体层140时，优选的是使P型半导体层形成在单体前电极图案120a、120b和120c上，然后顺序在其上形成所述本征半导体层和N型半导体层。这是因为，空穴的迁移率比电子的迁移率要小。为了使入射光线的收集效率最大化，使P型半导体层邻近所述光入射面形成。
如图2D所示，在半导体层140上形成透明导电层160。
透明导电层160由透明导电材料，例如，ZnO、ZnO:B、ZnO:Al、或Ag，通过溅射或MOCVD来形成。
形成透明导电层160的过程可以省略。为了提高所述太阳能电池的效率，优选地，形成透明导电层160。就是说，如果形成透明导电层160，那么，太阳光就先穿过半导体层140，然后再穿过透明导电层160。在这种情形中，穿过透明导电层160的太阳光以不同的角度发生散射，于是，这些太阳光在后电极图案180a、180b和180c(参见图2F)上进行反射，从而使重新入射到半导体层140上的太阳光增加。
如图2E所示，对半导体层140和透明导电层160同时进行图案化，从而形成半导体层图案140a和透明导电层图案160a。此时，通过对半导体层140和透明导电层160进行图案化而形成了分隔部分170、接触部分172和第二隔离部分174。
分隔部分170将所述太阳能电池划分成单体电池。接触部分172将单体前电极图案120b和120c分别与单体后电极图案180a和180b(参见图2F)电连接起来。第二隔离部分174与上述第一隔离部分125相对应。第二隔离部分174是通过去掉半导体层140和透明导电层160的最靠外部分而形成的。因此，衬底100的最靠外部分就由第一和第二隔离部分125和174隔离开来。
半导体层140和透明导电层160可以由激光划线方法进行图案化，但不限于此。半导体层140和透明导电层160也可以通过光刻来图案化。
如图2F所示，形成多个单体后电极图案180a、180b和180c，在它们之间插置有分隔部分170。就是说，分隔部分170形成在各个单体后电极图案 180a、180b和180c之间。
所述多个单体后电极图案180a和180b通过接触部分172分别与所述单体前电极图案120b和120c相连。另外，在最靠外的单体后电极图案180a和180c中形成第三隔离部分175。第三隔离部分175与上述第一隔离部分125相对应，并且第三隔离部分175与所述第二隔离部分174处于同一位置。因此，衬底100的最靠外部分就由第一隔离部分125、第二隔离部分174和第三隔离部分175隔离开来。
所述薄膜型太阳能电池的最靠外部分由单体前电极120a和120c的第一隔离部分125、半导体层140和透明导电层160的第二隔离部分174、以及单体后电极180a和180c的第三隔离部分175进行分隔，从而在模块化过程中可以防止在所述外壳与所述薄膜型太阳能电池之间出现短路。特别是，由于第一隔离部分125、第二隔离部分174和第三隔离部分175是在对前电极层120、半导体层140、透明导电层160和后电极层180进行图案化时形成的，所以，不需要有额外的过程来分隔所述薄膜型太阳能电池的最靠外部分。
单体后电极图案180a、180b和180c可以由金属材料(诸如，Ag、Al、Ag+Mo、Ag+Ni、或Ag+Cu)通过丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法或微接触印刷法来形成。
薄膜型太阳能电池
图3是一个剖面图，显示了根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳能电池。
如图3所示，根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳能电池包括衬底100；多个单体前电极图案120a、120b和120c；半导体层图案140a；透明导电层图案160a；和多个单体后电极图案180a、180b和180c。
衬底100可以由玻璃或透明塑料制成。
所述多个单体前电极图案120a、120b和120c可以由透明导电材料(例如，ZnO、ZnO:B、ZnO:Al、SnO2、SnO2:F或ITO来形成。
所述多个单体前电极图案120a、120b和120c以预定的间隔形成在衬底100上。另外，在所述多个单体前电极图案120a、120b和120c中的最靠外的 单体前电极图案120a和120c中形成第一隔离部分125。
如果进行纹理化处理，那么所述多个单体前电极图案120a、120b和120c的表面就变得不平滑了，由此，所述多个单体前电极图案120a、120b和120c在其表面上就具有纹理化结构。
半导体层图案140a可以由硅基、CuInSe2基、CdTe基半导体材料来形成。另外，可以将半导体层图案140a形成PIN结构，在这种PIN结构中，顺序沉积P型半导体层、本征半导体层和N型半导体层。
半导体层140具有用来将所述太阳能电池划分成单体电池的分隔部分170；以及用来将电极电连接起来的接触部分172。在半导体层图案140a的最靠外部分中，有与单体前电极图案120a和120c的第一隔离部分125相对应的第二隔离部分174。
透明导电层图案160a可以由透明导电材料(例如，ZnO、ZnO:B、ZnO:Al、或Ag)来形成。
透明导电层图案160a形成在半导体层图案140a之上，其中，透明导电层图案160a和半导体层图案140a形成同样的图案。就是说，透明导电层图案160a具有分隔部分170和接触部分172。在透明导电层图案160a的最靠外部分中，有第二隔离部分174。
所述多个单体后电极图案180a、180b和180c通过所述分隔部分170彼此分隔开来。通过接触部分172，单体后电极图案180a和180b分别与单体前电极图案120b和120c相连。在最靠外的单体后电极图案180a和180c中，有与所述前电极中的第一隔离部分125相对应的第三隔离部分175。所述第三隔离部分175与所述第二隔离部分174形成在同一位置处。
根据本发明的一个实施例所述的薄膜型太阳能电池可以通过图2A到2F中的方法来制造。
对本领域中的技术人员来说显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变型。因此，如果本发明的这些修改和变型在所附权利要求及其等同物的范围内，那么本发明就意在涵盖这些修改和变型。
Claims (10)
1.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在衬底上以预定间隔形成多个单体前电极图案；
在最靠外的单体前电极图案中形成第一隔离部分，以便由所述第一隔离部分将所述衬底的最靠外部分隔离开；
在所述衬底和所述单体前电极图案上形成半导体层；
在所述半导体层中形成分隔部分，以将所述太阳能电池划分成单体电池；
在所述半导体层中形成用于电连接的接触部分；
在所述半导体层中形成第二隔离部分，其中，所述第二隔离部分形成在所述半导体层中与所述第一隔离部分和所述半导体层的最靠外部分对应之处；以及
形成多个单体后电极图案，所述多个单体后电极图案通过所述接触部分分别与所述单体前电极图案相连，并且通过所述分隔部分彼此分隔开。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，进一步包括在所述半导体层上形成透明导电层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二隔离部分形成在所述透明导电层中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，第三隔离部分形成在所述最靠外的后电极图案中。
5.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在衬底上以预定间隔形成多个单体前电极图案；
在最靠外的单体前电极图案中形成第一隔离部分，以便由所述第一隔离部分将所述衬底的最靠外部分隔离开；
在所述衬底和所述单体前电极图案上形成半导体层；
通过去除所述半导体层的预定部分来图案化所述半导体层，其中，所述图案化所述半导体层包括去除与所述第一隔离部分对应的所述半导体层；以及
形成多个单体后电极图案，所述多个单体后电极图案分别与所述单体前电极图案相连，并且彼此分隔开。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述图案化所述半导体层包括去除与所述第一隔离部分的外侧对应的所述半导体层的最靠外部分。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述图案化所述半导体层包括在半导体层中形成分隔部分和接触部分。
8.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在所述半导体层上形成透明导电层并图案化所述透明导电层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，同时进行图案化所述透明导电层和图案化所述半导体层。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，第三隔离部分形成在最靠外的后电极图案中。
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