CN103077994A - 一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板及制备工艺 - Google Patents

一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板及制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板及制备工艺，包括衬底，衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层，其制备方法为在衬底上通过低压气相沉积法依次沉积多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。该发明得到的多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板转换效率达到20%-22%，该制备工艺有效提高了电池的转换效率，最大限度降低太阳能光伏产品的成本，适于大规模产业化生产。

Description

一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板及制备工艺
技术领域
本发明属于太阳能电池制造工艺，具体涉及一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板及制备工艺。
背景技术
太阳能电池种类繁多,包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体电池和叠层太阳能电池等。
目前，太阳能电池产品主要为晶体硅电池，这不仅因为硅在地壳中含量丰富，用它制成的电池转化效率相对较高，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率接近25%，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15%。但是单晶硅太阳能电池制作工艺繁琐，且单晶硅成本价格居高不下，大幅降低成本非常困难，无法实现太阳能发电的大规模普及但是由于成本问题，晶体硅电池发电还难以与传统的化石能源发电在价格上竞争。
在这种情况下，随着新材料的不断开发和相关技术的发展,以其他材料为基础的太阳能电池愈来愈显示出诱人的前景。目前国际低成本大规模生产技术的研究主要集中在多晶硅、大面积薄膜非晶硅、碲化镉(CdTe) 、铜铟硒(CuInSe2)太阳能电池，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体在太阳能电池的应用中也被广泛的研究。实验室中非晶硅单结太阳能电池的效率已经超过10％，单结碲化镉电池的效率最高达到16.5％，而单结铜铟镓硒电池的效率最高则接近20％。但是这些单结薄膜太阳能电池效率的进一步提高存在诸多材料特性限制、工艺和制备困难，比如CdTe 电池的效率在过去十年中仅仅提高了1％。在这几类太阳电池中，硅类太阳电池生产规模最大，技术成熟，薄膜电池用材省，成本低等特点。在太阳能技术领域，当前需迫切解决得一个技术问题是提供一种太阳能转换效率高、产品成本低的太阳能电池。因此，具有更高效率(20-40％) 的薄膜太阳能电池可以通过双结或多结叠层电池来实现。
发明内容
为了解决上述的技术缺陷，本发明提供一种高转换率的多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，该双结太阳能电池板的制备工艺简单，操作方便，重复率高。
本发明的技术方案是：一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，包括衬底，衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。
所述的衬底材料选用SiO2，其厚度为0.1-2mm。
所述的多晶硅掺杂层的掺杂元素为磷。
所述的透明导电氧化层为SnO2膜层，其厚度为50-500nm；
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，包括如下步骤：
a、将200-300℃的衬底置入通有SiH4、H2和PH3的沉积炉内，设定沉积温度为300-500℃，压强为50-60Pa，沉积时间为200-300s，得到掺杂硅层，再将掺杂硅层进行区熔再结晶形成多晶硅掺杂层，其厚度为500-1000nm；
b、将SnCl2、SnCl4、O2和水蒸气通入沉积炉内，在步骤a中得到的多晶硅掺杂层上沉积SnO2膜层，设定沉积温度为500℃，压强为40-100Pa，沉积120-180s，然后在300-400℃退火100-300s得透明导电氧化层，其厚度为50-500nm；
 c、将Cd粉和S粉在氮气的运输下通入沉积炉内，在步骤b得到的透明导电氧化层上沉积CdS层，设定沉积温度为200-300℃，压强为30-50Pa，沉积400-500s，得到CdS层，其厚度为200-1000nm；
d、将CdTe粉和Te粉在氮气的输送下通入沉积炉，在步骤c得到的CdS层沉积富余碲的CdTe层，设定沉积温度为500-700℃，压强为20-50Pa，沉积200-500 s，其厚度为200-1500nm；
e、将Cu粉和ZnTe粉在氮气的输送下依次通入沉积炉，在步骤d得到的CdTe层上沉积Cu/ZnTe背接触层，设定沉积温度为400-600℃，压强为20-30Pa，沉积200-300s，其厚度为50-1000nm，得到多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板。
所述的步骤a中的SiH4流量60-100sccm，氢流量为15-50sccm，氢气中PH3的含量为10-60ppm。
所述的步骤a中的区熔再结晶的条件为氩气保护，区熔温度为1000-2000℃。
所述的步骤b中的O2流量为60-100sccm和水蒸气的流量为10-100sccm。
所述步骤d中的CdTe粉和Te粉的比例为10:1-5:1。
本发明的有益效果：
1）该发明得到的多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板转换效率达到20%-22%，该制备工艺有效提高了电池的转换效率，最大限度降低太阳能光伏产品的成本。
2）该工艺过程还包括多晶硅形成的区熔再结晶技术和透明导电氧化层的的退火，这两个工艺和低压化学气相沉积相结合，使得叠层电池中形成的隧道结发挥良好的作用，为提高电池转换效率做出贡献。
3）本发明采用低压化学气相沉积法使传统多晶硅太阳能电池与碲化镉薄膜电池结合再一起，形成多晶硅和非晶硅薄膜双层电池结构，比单纯的多晶硅太阳能电池或者CdTe薄膜太阳能电池具有更多的优势，比如多晶硅和CdTe的禁带宽度可以互补及调节，薄膜该结构同时也能减少电池中的热损失，从而提高双结电池转换效率。
4）本发明采用的碲化镉半导体薄膜价格低廉，多晶硅的制造工艺及制造设备成熟，易于大规模推广，因此本发明的太阳电池的制造成本较低，适于大规模产业化生产。
附图说明
图1为具体实施例1制备的电池板的电流-电压特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，包括衬底，衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。
所述的的衬底SiO2的厚度为1mm。
所述的多晶硅掺杂层的 掺杂元素为磷。
所述的透明导电氧化层为SnO2膜层，其厚度为300nm；
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，包括如下步骤：
a、将300℃的衬底置入通有SiH4、H2和PH3的沉积炉内，设定沉积温度为500℃，压强为50Pa，沉积时间为200s，得到掺杂硅层，再将掺杂硅层进行区熔再结晶形成多晶硅掺杂层，其厚度为500nm；
b、将SnCl2、SnCl4、O2和水蒸气通入沉积炉内，在步骤a中得到的多晶硅层上沉积SnO2膜层，设定沉积温度为500℃，压强为40Pa，沉积120s，然后在300℃退火100s得透明导电氧化层，其厚度为50nm；
c、将Cd粉和S粉在氮气的运输下通入沉积炉内，在步骤b得到的透明导电氧化层上沉积CdS层，设定沉积温度为200℃，压强为30Pa，沉积400s，得到CdS层，其厚度为500nm；
d、将CdTe粉和Te粉按比例在氮气的输送下通入沉积炉，在步骤c得到的CdS层沉积富余碲的CdTe层，设定沉积温度为500℃，压强为20Pa，沉积200s，其厚度为200nm；
e、将Cu粉和ZnTe粉在在氮气的输送下依次通入沉积炉，在步骤d得到的CdTe层上沉积Cu/ZnTe背接触层，设定沉积温度为400℃，压强为20Pa，沉积200s，其厚度为100nm，得到多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板。
所述的步骤a中的SiH4流量60sccm，氢流量为15sccm，氢气中PH3的含量为10ppm。
所述的步骤a中的区熔再结晶的条件为氩气保护，区熔温度为1500℃。
所述的步骤b中的O2的流量为60sccm和水蒸气的流量为流量50sccm。
所述的CdTe粉和Te粉的比例为10:1。
图1为本发明制备的电池板的光伏电流-电压特性的测量，电池组件的额定功率为45W，开路电压22V，短路电流2.9A，外形尺寸620×542mm。检测结果：电池板的采光面积0.2688m2，环境温度10.6℃，太阳辐照度895W/m2，最佳功率时电压18.69V，最佳功率时电流2.66A，最佳功率49.73W，效率20.67％。
实施例2
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，包括衬底，衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。
所述的衬底材料选用SiO2，其厚度为0.1mm。
所述的多晶硅掺杂层的掺杂元素为磷。
所述的透明导电氧化层为SnO2膜层，其厚度为50nm；
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，包括如下步骤：
a、将200℃的衬底置入通有SiH4、H2和PH3的沉积炉内，设定沉积温度为300℃，压强为50Pa，沉积时间为200s，得到掺杂硅层，再将掺杂硅层进行区熔再结晶形成多晶硅掺杂层，其厚度为500nm；
b、将SnCl2、SnCl4、O2和水蒸气通入沉积炉内，在步骤a中得到的多晶硅掺杂层上沉积SnO2膜层，设定沉积温度为500℃，压强为40Pa，沉积120s，然后在300℃退火100s得透明导电氧化层，其厚度为50nm；
 c、将Cd粉和S粉在氮气的运输下通入沉积炉内，在步骤b得到的透明导电氧化层上沉积CdS层，设定沉积温度为200℃，压强为30Pa，沉积400s，得到CdS层，其厚度为200nm；
d、将CdTe粉和Te粉在氮气的输送下通入沉积炉，在步骤c得到的CdS层沉积富余碲的CdTe层，设定沉积温度为500℃，压强为20Pa，沉积200s，其厚度为200nm；
e、将Cu粉和ZnTe粉在氮气的输送下依次通入沉积炉，在步骤d得到的CdTe层上沉积Cu/ZnTe背接触层，设定沉积温度为400℃，压强为20Pa，沉积200s，其厚度为50nm，得到多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板。
所述的步骤a中的SiH4流量60sccm，氢流量为15sccm，氢气中PH3的含量为10ppm。
所述的步骤a中的区熔再结晶的条件为氩气保护，区熔温度为1000℃。
所述的步骤b中的O2流量为60sccm和水蒸气的流量为10sccm。
所述步骤d中的CdTe粉和Te粉的比例为7:1。
实施例3
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，包括衬底，衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。
所述的衬底材料选用SiO2，其厚度为2mm。
所述的多晶硅掺杂层的掺杂元素为磷。
所述的透明导电氧化层为SnO2膜层，其厚度为500nm；
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，包括如下步骤：
a、将300℃的衬底置入通有SiH4、H2和PH3的沉积炉内，设定沉积温度为500℃，压强为60Pa，沉积时间为300s，得到掺杂硅层，再将掺杂硅层进行区熔再结晶形成多晶硅掺杂层，其厚度为1000nm；
b、将SnCl2、SnCl4、O2和水蒸气通入沉积炉内，在步骤a中得到的多晶硅掺杂层上沉积SnO2膜层，设定沉积温度为500℃，压强为100Pa，沉积180s，然后在400℃退火300s得透明导电氧化层，其厚度为500nm；
 c、将Cd粉和S粉在氮气的运输下通入沉积炉内，在步骤b得到的透明导电氧化层上沉积CdS层，设定沉积温度为300℃，压强为50Pa，沉积500s，得到CdS层，其厚度为1000nm；
d、将CdTe粉和Te粉在氮气的输送下通入沉积炉，在步骤c得到的CdS层沉积富余碲的CdTe层，设定沉积温度为700℃，压强为50Pa，沉积500 s，其厚度为1500nm；
e、将Cu粉和ZnTe粉在氮气的输送下依次通入沉积炉，在步骤d得到的CdTe层上沉积Cu/ZnTe背接触层，设定沉积温度为600℃，压强为30Pa，沉积300s，其厚度为1000nm，得到多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板。
所述的步骤a中的SiH4流量100sccm，氢流量为50sccm，氢气中PH3的含量为60ppm。
所述的步骤a中的区熔再结晶的条件为氩气保护，区熔温度为2000℃。
所述的步骤b中的O2流量为100sccm和水蒸气的流量为100sccm。
所述步骤d中的CdTe粉和Te粉的比例为5:1。
实施例4
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，包括衬底，衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。
所述的衬底材料选用SiO2，其厚度为1.5mm。
所述的多晶硅掺杂层的掺杂元素为磷。
所述的透明导电氧化层为SnO2膜层，其厚度为400nm；
一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，包括如下步骤：
a、将250℃的衬底置入通有SiH4、H2和PH3的沉积炉内，设定沉积温度为400℃，压强为55Pa，沉积时间为280s，得到掺杂硅层，再将掺杂硅层进行区熔再结晶形成多晶硅掺杂层，其厚度为700nm；
b、将SnCl2、SnCl4、O2和水蒸气通入沉积炉内，在步骤a中得到的多晶硅掺杂层上沉积SnO2膜层，设定沉积温度为500℃，压强为80Pa，沉积160s，然后在380℃退火200s得透明导电氧化层，其厚度为450nm；
 c、将Cd粉和S粉在氮气的运输下通入沉积炉内，在步骤b得到的透明导电氧化层上沉积CdS层，设定沉积温度为260℃，压强为40Pa，沉积500s，得到CdS层，其厚度为900nm；
d、将CdTe粉和Te粉在氮气的输送下通入沉积炉，在步骤c得到的CdS层沉积富余碲的CdTe层，设定沉积温度为600℃，压强为40Pa，沉积400 s，其厚度为1300nm；
e、将Cu粉和ZnTe粉在氮气的输送下依次通入沉积炉，在步骤d得到的CdTe层上沉积Cu/ZnTe背接触层，设定沉积温度为500℃，压强为25Pa，沉积300s，其厚度为1000nm，得到多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板。
所述的步骤a中的SiH4流量90sccm，氢流量为45sccm，氢气中PH3的含量为50ppm。
所述的步骤a中的区熔再结晶的条件为氩气保护，区熔温度为1500℃。
所述的步骤b中的O2流量为80sccm和水蒸气的流量为90sccm。
所述步骤d中的CdTe粉和Te粉的比例为8:1。

Claims (9)

1.一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，包括衬底，其特征在于：衬底上自下而上依次设有多晶硅掺杂层、透明导电氧化层、CdS膜层、CdTe膜层和背接触层。
2.根据权利要求1所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双电结太阳能池板，其特征在于：所述的衬底材料选用SiO2，其厚度为0.1-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，其特征在于：所述的多晶硅掺杂层的掺杂元素为磷。
4.根据权利要求1所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板，其特征在于：所述的透明导电氧化层为SnO2膜层，其厚度为50-500nm。
5.根据权利要求1所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
a、将200-300℃的衬底置入通有SiH4、H2和PH3的沉积炉内，设定沉积温度为300-500℃，压强为50-60Pa，沉积时间为200-300s，得到掺杂硅层，再将掺杂硅层进行区熔再结晶形成多晶硅掺杂层，其厚度为500-1000nm；
b、将SnCl2、SnCl4、O2和水蒸气通入沉积炉内，在步骤a中得到的多晶硅掺杂层上沉积SnO2膜层，设定沉积温度为500℃，压强为40-100Pa，沉积120-180s，然后在300-400℃退火100-300s得透明导电氧化层，其厚度为50-500nm；
   c、将Cd粉和S粉在氮气的运输下通入沉积炉内，在步骤b得到的透明导电氧化层上沉积CdS层，设定沉积温度为200-300℃，压强为30-50Pa，沉积400-500s，得到CdS层，其厚度为200-1000nm；
d、将CdTe粉和Te粉在氮气的输送下通入沉积炉，在步骤c得到的CdS层沉积富余碲的CdTe层，设定沉积温度为500-700℃，压强为20-50Pa，沉积200-500 s，其厚度为200-1500nm；
e、将Cu粉和ZnTe粉在氮气的输送下依次通入沉积炉，在步骤d得到的CdTe层上沉积Cu/ZnTe背接触层，设定沉积温度为400-600℃，压强为20-30Pa，沉积200-300s，其厚度为50-1000nm，得到多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板。
6.根据权利要求5所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，其特征在于：所述的步骤a中的SiH4流量60-100sccm，氢流量为15-50sccm，氢气中PH3的含量为10-60ppm。
7.根据权利要求5所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，其特征在于：所述的步骤a中的区熔再结晶的条件为氩气保护，区熔温度为1000-2000℃。
8.根据权利要求5所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，其特征在于：所述的步骤b中的O2流量为60-100sccm和水蒸气的流量为10-100sccm。
9.根据权利要求5所述的一种多晶硅与碲化镉薄膜双结太阳能电池板的制备工艺，其特征在于：所述步骤d中的CdTe粉和Te粉的比例为10:1-5:1。
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