CN116598321A - 碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents

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CN116598321A CN202310264966.5A CN202310264966A CN116598321A CN 116598321 A CN116598321 A CN 116598321A CN 202310264966 A CN202310264966 A CN 202310264966A CN 116598321 A CN116598321 A CN 116598321A
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Abstract

本发明给出一种碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件，顶层采用光学禁带宽度较宽的碲化镉电池，主要是利用太阳光谱中的高能量和中等能量的光子，底层采用禁带宽度较窄的晶硅电池，主要利用太阳光谱的中低能量的中等波段和长波段的光子。由此，可以更加全面高效地利用太阳光谱中的短波、中波和长波的波长范围的光子，使得电池效率更高，组件发电量更高。此外，本发明采用这种结构可以更为有效地利用顶层碲化镉电池的有源区的面积来进行光伏发电，从而能帮助叠层电池中的顶层碲化镉电池和底层晶硅电池之间实现光生电流匹配，进而有效地提升叠层太阳能电池组件的光电转换效率和发电功率。

Description

碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及到一种碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
随着人类在太阳能电池领域研究的不断深入，单结太阳能电池(比如晶硅电池，以及碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等薄膜电池)的光电转换效率不断提升、并逼近Shockley-Queisser理论极限。通过采用不同光学禁带宽度的材料构成的叠层太阳能电池结构设计，可以全面拓宽电池对太阳光谱吸收利用的波段范围，从而可以使电池效率突破Shockley-Queisser理论极限。晶硅太阳能电池和碲化镉太阳能电池是目前已经实现产业化的电池，由碲化镉/晶硅构成的叠层电池很受关注。不过，碲化镉/晶硅叠层电池目前的制备工艺流程比较复杂，制备成本高，无法满足产业化的生产成本需求，需要进一步简化其制备工艺以降其制备成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种碲化镉/晶硅叠层太阳能组件及其制备方法。
本发明采用的技术方案为：
一种碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件，包括底层晶硅电池，还包括顶层碲化镉电池，底层晶硅电池与顶层碲化镉电池通过中间连接层连接起来，所述底层晶硅电池在背面设有基底封装层，底层晶硅电池的引线从基底封装层引出，所述顶层碲化镉电池、中间连接层被刻蚀切割成一个个小面积的叠层电池单元，仅保留基底封装层不被切割；
通过刻蚀切割使得每个叠层电池单元的结构为每1个单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层对应着n个底层晶硅电池，10≥n≥2；
所述基底封装层上设有用于引出电极引线的通孔；
还包括位于顶层碲化镉电池表面的电池正面封装膜，以及晶硅电池背面最外侧的封装膜。
所述碲化镉/晶硅叠层电池组件是串联型的，可以是2端子(2T)串联型，也可以是3端子(3T)串联型。对于2T型串联型叠层电池，底层晶硅电池只需导出电子和空穴的其中一种光生载流子，另一种光生载流子从顶层碲化镉电池来导出。对于3T型串联型叠层电池，底层晶硅电池需要同时导出电子和空穴，顶层碲化镉电池也会同时再导出电子和空穴的其中一种。
在材料选择和相应的制备工艺方面，对中间连接层和顶层碲化镉电池组件的要求是：不能够影响已经制备好的底层半成品晶硅电池组件的各个部分。
底层电池采用晶硅电池，禁带宽度是1.12eV，主要利用太阳光谱的中低能量的中等波段和长波段的光子。硅材料衬底可以选择单晶硅或多晶硅，衬底掺杂类型可以是n型(掺磷)或者p型(掺硼或镓)。
晶硅电池组件的具体结构不限，但要根据整个叠层电池端子设计来选择。对于2T串联型，可以采用全铝背场电池、PERC(passivated emitter and rear cell)电池、钝化接触TOPCon(Tunnel oxide and passivated contact)电池，硅异质结(HJT)电池等等，也不限于此。对于3T串联型，可以采用背接触(Interdigited back contact，简称IBC)结构，也可以采用MWT(Metal Wrap Through)或EWT(Emitter Wrap Through)结构。
晶硅电池的面积尺寸不限，可以采用目前工业化流行的156mm、182mm或210mm边长，也可以将上述面积尺寸切割成更小面积(可以依据应用场景而定)，比如二分之一片，三分之一片，……，n分之一片等。
顶层碲化镉电池主要是利用太阳光谱中的高能量(短波长)和中等能量(中波长)的光子，因此碲化镉材料的禁带宽度在设计上要能实现这点。可以通过调整碲化镉薄膜的化学组分来调节Eg，典型的范围是1.4-1.6eV。进一步地，需要使碲化镉电池电极的极性和底层晶硅电池的一致，以形成串联型叠层电池组件。在满足上述要求基础上，碲化镉电池的具体结构不限。
顶层碲化镉电池主要由碲化镉吸收层、电子传输层、空穴传输层、界面钝化层、光学减反膜、金属电极等组成。顶层碲化镉电池制备工艺和相应的材料选择，在不影响和破坏到已经制备完成的“底层晶硅电池模组”的基础上，具体不限。
优选的，所述导出电极引线的通孔包括电极引线通孔以及互联通孔，所述电极引线通孔位于底层晶硅电池的正下方，所述互联通孔位于两个相邻的叠层电池单元之间的区域的纵向下方，每个叠层电池单元的底层晶硅电池的引线从电极引线通孔引出，然后从互联通孔穿过与顶层碲化镉电池的引线及其他叠层电池单元的引线形成互联。
对于上述的n值，n的取值依据底层晶硅电池的单元面积来具体地灵活地确定：如果底层晶硅电池的单元面积是常规的工业化晶硅电池的面积，n一般取值小一些，比如n＝2是比较好的选择；如果底层晶硅电池的单元面积是常规工业化晶硅电池完成制备后再切割成更小的小片电池(比如二分之一片，三分之一片，……，n分之一片)，n可以取值更大些。
本发明提供了一种新的叠层电池，其结构优点是，底层的每n个(n大于等于2)晶硅电池之间的面积区域，从纵向上看的顶层碲化镉电池的同样部分区域是能够产生光生载流子而进行光伏发电的，这样就更好地利用了“这部分”顶层碲化镉电池的可以用来光伏发电的“有源区”的面积，有效提升了单位面积的叠层电池单元内能够产生光生载流子的数量，从而有效地提高了叠层电池的性能。而与此相对应地，如果采用的是常规的顶层碲化镉电池与底层晶硅电池一一对应的方案，则与相邻的n个(n大于等于2)底层晶硅电池之间的面积区域所对应的纵向空间的顶层碲化镉电池的同样的面积区域就会造成明显的浪费。
对于每2个晶硅电池之间的面积，在半成品的底层晶硅电池模组制备完成后进行大面积的中间连接层、以及顶层碲化镉薄膜电池的时候，底层晶硅电池的表面、四个侧边、以及每2个晶硅电池相邻的中间区域都会被制备上所述的大面积的中间连接层材料和顶层碲化镉电池的薄膜材料，因此所述叠层电池组件的结构图是如图3-b所示。在这里需要指出的是，所述叠层电池组件在进行光伏发电时，底层晶硅电池的四个侧边、以及每2个晶硅电池相邻的中间区域的顶层碲化镉电池所产生的光生载流子的其中一种，比如光生电子(或空穴)，会首先通过在顶层碲化镉电池的电子(或空穴)传输层的横向传输的方式，被顶层碲化镉电池的前表面电极所收集而导出；另一种光生载流子，比如光生空穴(或电子)会通过在中间连接层进行横向传输的方式传输到底层晶硅电池的纵向上方，然后再与从底层晶硅电池中传输过来的光生电子(或空穴)进行复合，从而完成光伏发电工作。因此，底层晶硅电池的四个侧边、以及每2个晶硅电池相邻的中间区域的顶层碲化镉电池(这部分有源区)就能够被得以利用进行光伏发电。
这种新的叠层电池结构，非常适用于在叠层太阳能电池中，顶层电池的光生电流密度略小于底层电池的光生电流密度的情况。这是由于，在串联型叠层电池的光伏发电工作中，短路电流取决于顶层电池和底层电池中更小的那个；也就是说，电池光电转换效率从某种程度上高度地受限于光生电流更小的那个子电池。因此，为使叠层电池的光电转换效率更高，往往希望顶层电池和底层电池的电流匹配是相互匹配的(也即希望它们各自的光生电流尽可能相等)。由于底层晶硅电池组件在背面封装中总是需要按照一定的间距分布来排布，那么每相邻2个或多个晶硅电池之间的这部分面积，在纵向上对应的顶层电池的同样这部分面积的如果是采用常规的刻蚀切割方案，这部分面积就会明显的损失浪费。通过采用本发明给出的新的刻蚀切割方案，而产生的所述新的叠层电池结构设计，可以更充分的利用顶层电池的这部分有源区的面积用于光伏发电，从而在一定程度上提升了顶层碲化镉电池的光生电流(光生电流＝光生电流密度乘以电池面积)，这就更加有利于实现叠层电池的顶层和底层电池形成良好的电流匹配，从而使得整个叠层电池和叠层组件获得更高的电池光电转换效率和发电功率。而且，由于能够更为充分地利用了更多的顶层电池的有源区面积，也相当于降低了叠层电池的制备成本。
对于碲化镉/晶硅叠层电池中，相比较于底层晶硅电池(Eg＝1.12eV)，顶层碲化镉电池由于Eg较宽，因此顶层电池光生电流密度小于底层晶硅电池光生电流密度的情况可能是会经常发生的。所以，本发明的这种新的叠层电池结构设计具有比较强的实用性。
本发明还公开了上述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于其步骤包括：
(1)制备仅具备背电极的大面积的半成品晶硅电池；
(2)将所述半成品晶硅电池的四周进行激光边缘隔离，使得电池边缘四周成为电绝缘性质；
(3)进行背电极的组件引线；
(4)在基底封装膜上刻蚀出图案分布的电极引线通孔和互联通孔，将背电极的引线通过基底封装膜上的电极引线通孔引出，然后，将半成品晶硅电池以阵列式结构封装到基底封装膜上，从而在底层半成品晶硅电池背面形成基底封装层；
(5)在底层半成品晶硅电池正面制备一层大面积的中间连接层，其面积能完全覆盖基底封装膜上所有的底层半成品晶硅电池，中间连接层使得底层的晶硅电池与顶层的碲化镉电池之间形成光学耦合和电学耦合；
(6)在中间连接层正面制备大面积的顶层碲化镉电池，以及顶层碲化镉电池顶部的正面电极；
(7)进行正面电极的组件引线；
(8)对顶层碲化镉电池、中间连接层进行刻蚀切割，仅保留基底封装层不被切割，将大面积的电池分割成一个个在纵向上独立的小面积的叠层电池单元，每个叠层电池单元的结构为每1个单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层对应着n个底层晶硅电池，10≥n≥2，从而得到叠层电池；
(9)对叠层电池进行互联和封装，制成碲化镉/晶硅叠层太阳能电池。
优选的，底层晶硅电池组件背面的金属化互联材料(即引线)，要能够避免在后续中间连接层和顶层碲化镉电池的制备中受到氧化，从而保证叠层电池组件的互联性能。这里，可以采用具有高电导率和抗高温氧化性的金属合金，比如铜-铬合金、铜-铬-锆合金、铜-铬-碲合金、镍-铜-硅合金、铜-镍-铬合金、或镍-铬-铁合金、铜-铂合金等，这些具有良好电导率的合金同时也具有出色的抗高温氧化性。
优选的，基底封装层在材料选择上需要具有良好的可靠性，尤其是机械性能，在此基础上材料选择不限。典型地，可以是镀膜玻璃，或者是TPT背板材料(TPT是PVDF/PET/PVDF的三层复合膜，其中：PVDF是聚偏氟乙烯、PET是聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。
在背面基底层需要刻蚀出一定数量和图案分布的供引线穿过的通孔，分为两类。其中第一类通孔简称“电极引线通孔”，电极引线通孔的图案分布在半成品晶硅电池的纵向下方的边缘以内，其具体图案分布可以根据半成品晶硅电池背面的金属电极分布来设计，具体不限。电极引线通孔的用途是将半成品晶硅电池背面的组件金属化引线穿过这些通孔。第二类孔简称“互联通孔”，其图案分布在两个相邻的叠层电池单元之间的区域的纵向下方，用以后续将叠层电池组件中的不同叠层电池单元进行互联；但需要注意的是，互联通孔不能分布在两个相邻的叠层电池单元之间的区域的中心线以及邻近两侧，而是应当相对偏离中心线，这样做的目的是在叠层电池制备中、完成了顶层电池制备后进行的刻蚀切割工艺中不会破坏(刻蚀)到这些互联通孔。电极引线通孔和互联通孔的直径范围，典型地，可以是0.2～1cm，也不限于此。刻蚀开孔的工艺可以是激光刻蚀、等离子刻蚀或机械刻蚀，也不限于此。
进行背面基底层的封装。具体地，将底层半成品晶硅电池、背面基底层(已经完成将半成品晶硅电池背面的组件金属化引线穿过电极引线通孔)、以及交联剂铺设好并完成封装。通过这种方式，穿过背面基底层的晶硅电池背面的组件金属化引线，被“隔离”在背面基底层之外，这样设计的优点是可以保护半成品晶硅电池背面组件的金属化引线，不会被后续的中间连接层和顶层碲化镉电池的制备工艺所影响。交联剂采用常用交联剂，具体不限。封装工艺可以采用常规的层压，也可以采用其他方法，具体不限。
优选的，中间连接层材料要能够使底层晶硅电池和顶层碲化镉电池有良好的光学耦合和电学耦合，并要根据底层晶硅电池和顶层碲化镉电池的具体结构来选择中间连接层材料。另一方面，中间连接层的制备工艺不能影响和破坏到已经制备完成的“底层晶硅电池模组”。在满足上述条件的基础上，所述中间连接层的具体材料和制备工艺不限。比较典型地，所述中间层材料可以选择透明导电氧化物，比如掺锡的氧化铟(ITO)、掺铟的氧化锌(IZO)、掺铝的氧化锌(AZO)等，制备方法可以采用溅射、原子层沉积(ALD)、快速等离子沉积等，也不限于此。
优选的，步骤(8)具体为：以纵向方向为z轴方向，水平两个方向分别为x轴和y轴方向，沿着底层半成品晶硅电池的x轴方向每“2*n”个最相邻排布的晶硅电池之间的中心线、以及y轴方向的每2个最相邻排布的晶硅电池之间的中心线进行刻蚀切割，将大面积的顶层碲化镉电池和中间连接层刻蚀切割成一个个小面积的图案，使得每1个叠层电池单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层从z轴方向看对应n个底层晶硅电池，10≥n≥2。
优选的，在步骤(8)的刻蚀切割工艺中，需要有选择性地刻蚀掉顶层碲化镉电池的各功能层薄膜(包括电荷传输层、界面钝化层、碲化镉吸收层等)和中间连接层材料，而所述刻蚀切割工艺对底层晶硅电池的背面基底封装层不进行刻蚀切割。因此，这里就需要使刻蚀切割工艺对所要进行刻蚀的材料和需要保留的材料具有明显的刻蚀选择比，同时也要使刻蚀切割工艺对已制备好的叠层电池组件各部分材料的切割损伤降到最低。还需要注意的是，所述刻蚀切割工艺不能刻蚀和破坏前述已经制备好的互联通孔。所述切割工艺可以采用激光刻蚀切割，等离子刻蚀或者机械开槽等技术，也不限于此。
典型地，可以采用激光刻蚀切割技术，通过选择合适的激光刻蚀参数来实现上述的选择性刻蚀切割。一般可以采用Nd:YVO4固态激光器，激光波长可以选择355nm、532nm或1064nm，也不限于此；脉冲宽度一般采用飞秒级、皮秒级或者纳秒级，也不限于此。为更好地实现上述的选择性刻蚀，可选地，也可以采用激光扫描刻蚀图案完全相同的两次激光刻蚀，第一次激光刻蚀蚀刻掉碲化镉电池的部分功能层，留下另一部分功能层和中间连接层不刻蚀；第二次激光刻蚀蚀刻掉另一部分功能层和中间连接层，而保留底层晶硅模组的背面基底封装层不被刻蚀。在两次激光参数的选择上，第二次激光刻蚀的工艺参数要能够实现对所需要刻蚀的材料刻蚀速率更快，对背面基底封装层无法刻蚀或者刻蚀能力极其弱。也不局限于此。具体详见实施例。
优选的，步骤(9)具体为将背电极的引线穿过互联通孔，然后在不同的叠层电池单元之间进行互联，再对叠层电池的正面和背面进行封装，形成正面封装层和背面最外侧封装层。
背面最外侧封装膜作为所述的整个碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件背面最外层的封装膜，要具有良好的抗衰减抗老化、抗紫外性能、机械载荷性能、防水防潮防火性能、以及耐酸碱性能等可靠性。具体封装材料不限，典型地，可以是镀膜玻璃，或者是TPT背板材料(TPT是PVDF/PET/PVDF的三层复合膜，其中：PVDF是聚偏氟乙烯、PET是聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。背面第二层封装膜(也即背面最外侧的封装膜)的封装，放在叠层电池的顶层电池制备完成后，与顶层电池的前表面封装膜一起进行封装。
顶层碲化镉电池前表面的封装材料，需要具有良好的光学减反射性能，以及良好的抗衰减抗老化、抗紫外性能、机械载荷性能、防水防潮防火性能、以及耐酸碱性能等可靠性。具体封装材料不限。
优选的，正面封装层、背面最外侧封装层均采用有机硅胶对叠层电池进行封装。
对于顶层碲化镉电池的封装中采用的交联剂，本申请主要采用有机硅胶进行封装。它具有出色的透光性、电气绝缘性能、抗紫外线辐射性、耐高低温性、抗化学腐蚀性、化学稳定性、机械性能、以及可靠性。有机硅胶还具有良好的交联性、密封性。使用硅胶(替代EVA交联剂)对太阳能电池组件进行封装，具有出色的交联性、密封性、可塑性、抗紫外线辐射性能，耐久性、电气绝缘特性，因此使光伏组件可靠性优异，工作性能稳定高效。
采用有机硅胶对光伏组件进行封装，并不需要必须采用在140-150℃的层压工艺，而是可以在常温常压下固化，因此对已经制备完成的碲化镉电池部分和“底层晶硅模组”没有任何影响和破坏。具体工艺方法如下：将有机硅胶采用点胶、涂布、涂覆、喷涂或旋涂的方法(也不限于此)，均匀地铺设于顶层碲化镉电池前表面的封装材料和碲化镉电池之间，然后在室温常压进行深层固化，也可以通过提高固化中的压强来加速固化过程。由于硅胶具有良好的绝缘性，因此填充在由前述的刻蚀切割的各个分立的碲化镉/晶硅叠层电池之间的硅胶，在它们之间还能起到良好的电学隔离的作用。
本发明提供了一种新的碲化镉/晶硅叠层电池组件的制备工艺，将底层晶硅电池、顶层碲化镉电池、以及组件的制备工艺灵活地融合起来，其制备方法概述如下：①首先将晶硅半成品电池制备好，并结合晶硅组件的制备工艺，在半成品晶硅电池的背面进行电极引线和背面基底封装层的封装，这样就形成了“底层晶硅电池模组”。②基于“①”中所述“底层晶硅模组”，制备大面积的中间连接层和顶层碲化镉电池，能完全覆盖底层晶硅模组。③对大面积的顶层碲化镉电池和中间连接层进行刻蚀切割，只保留“底层晶硅模组”的背面基底封装层不被刻蚀切割；这样将顶层大面积的碲化镉电池(以及中间连接层)被刻蚀切割成一个个小面积的碲化镉电池，在纵向上形成一个一个的各自独立而分离的小面积的碲化镉/晶硅叠层电池单元，每1个单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层在纵向上对应n个底层晶硅电池。④最后，对叠层电池进行互联和封装，完成所述叠层电池组件制备。
本发明的有益效果如下：
1)所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件，由宽禁带的顶层碲化镉电池和窄禁带宽度的底层晶硅电池的构成，可以更加全面高效地利用太阳光谱中的短波、中波和长波的波长范围的光子，使得电池效率突破Shockley-Queisser理论极限，组件发电量更高，从而实现高的电池转换效率和组件发电量，也可以适合于不同的应用环境(气候、地理和环境等)。
2)所述碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件可以根据应用场景的需要灵活制备成2端子型或3端子型，并通过底层晶硅电池的具体结构来实现这种设计，灵活拓宽了应用场景的适用性和兼容性。
3)本发明所给出的一种新的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的结构，可以更为有效地利用顶层碲化镉薄膜电池的“有源区”的面积来进行光伏发电，从而能帮助叠层电池中的顶层碲化镉电池和底层晶硅电池之间实现光生电流匹配，进而有效地提升叠层太阳能电池组件的光电转换效率和发电功率，也降低了叠层电池的制备成本。
4)由于叠层组件的制备工艺是将底层电池、顶层碲化镉电池以及整个组件的制备工艺融合到一起，可以发挥碲化镉薄膜电池的大面积制备的优势特性，制备工艺简洁，生产成本低，适合于产业化。
附图说明
图1.碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件结构示意图。其中，1是背面第2层封装层(也即背面最外层封装层)，2是背面第1层封装层(也即背面基底封装膜)，3是底层晶硅电池背面电极，4是底层晶硅电池背面的组件电极引线通孔，5是底层晶硅电池背面的组件电极引线，6是电子(或空穴)传输层，7是晶硅衬底，8是空穴(或电子)传输层，9是中间连接层，10是电子(或空穴)传输层，11是碲化镉吸收层，12是空穴(或电子)传输层，13是正面封装层，14是顶层碲化镉电池的电极，15是顶层碲化镉正面组件封装的电极引线。
图2.碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备工艺流程图。
图3.所述碲化镉/晶硅叠层电池组件的制备过程中的刻蚀切割前后的示意图。其中：
a.刻蚀切割前。其中，100是底层半成品晶硅电池，9是大面积的中间连接层，200是大面积的顶层半成品碲化镉电池，2是背面第一层封装层(也即背面基底封装膜)。
b.刻蚀切割后，继续完成顶层碲化镉电池的正面组件封装。其中，1是背面第2层封装层(也即背面最外层封装层)，2是背面第1层封装层(也即背面基底封装膜)，4是底层晶硅电池背面的组件电极引线通孔，100底层晶硅电池，9是刻蚀切割后中间连接层，200是刻蚀切割后的顶层碲化镉电池，13是正面封装层，16是互联通孔。需要指出，在顶层电池的正面封装完成之后，每个相邻的叠层电池单元之间的空间，会被正面封装膜和交联剂所填充，由于正面封装膜和交联剂都有良好的电绝缘性，也相当于起到了不同叠层电池单元之间的绝缘作用。备注：此图给出的是每个单元的顶层碲化镉电池，在纵向方向上对应其下方是2个底层晶硅电池，也即n＝2的情形；类似地，对于n大于2的情形，其下方就是n个底层晶硅电池。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1给出一种碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的结构(图1和图3)以及相应的制备工艺流程(图2)。底层晶硅电池采用PERC电池，顶层采用碲化镉电池，其吸收层Eg＝1.5eV，具体制备工艺如下。
一、首先制备底层的半成品PERC电池模组，具体工艺流程如下。
步骤1.选用一种182mm*182mm的(100)晶向的p型单晶硅片，硅片厚度170微米，电阻率1Ω·cm。
步骤2.使用碱制绒的方法在所述p型硅片表面制备随机金字塔形貌的绒面。工艺条件是：采用质量浓度为2-3％的氢氧化钾，温度是70-75℃，制绒时间是5-7min。
步骤3.采用离子注入磷并结合炉管退火的方法在所述p型硅片的正面制备均匀的n型发射结，磷注入能量10keV，剂量1·1015cm2，炉管退火温度830-850℃，时间是30-40min，氮气气氛。磷表面掺杂浓度是1*1020cm-3，方块电阻是90-100Ω/□。
步骤4.采用硝酸和氢氟酸的混合溶液结合水上漂的湿法刻蚀工艺，刻蚀掉在步骤3中极少量绕扩散到所述p型硅片背面边缘的磷掺杂结。经过这步化学刻蚀，硅片背面的绒面被刻蚀为酸抛光面。所述硝酸和氢氟酸混合溶液中，硝酸质量浓度是40％，氢氟酸质量浓度是4％，溶液温度是7℃，刻蚀时间是10-20秒。
步骤5.在所述p型硅片背面制备钝化膜。采用PECVD工艺沉积氧化铝和氮化硅叠层膜，其中氧化铝厚度为5nm，折射率是1.65；氮化硅厚度约100nm，折射率为2.0。
步骤6.采用激光消融工艺刻蚀掉所述p型硅片背面的氧化铝/氮化硅叠层膜。激光开膜工艺参数是，采用Nd:YVO4激光器，波长532nm，脉冲宽度是15ps，脉冲重复频率200-1000kHz。激光开膜的图案采用栅线分布设计，线宽是25-30μm，两根相邻栅线的间距(轴心线之间)是1.6mm，此图案也就是后续将实施的铝背场掺杂区域的图案。
步骤7.采用丝网印刷技术在所述p型硅片背面印刷铝浆，并采用快速热处理烧结炉进行烧结以形成背面局部铝背场和金属-半导体欧姆接触，烧结真实峰值温度是750℃，峰值温度下的时间2到4秒，气氛是压缩空气。
步骤8.对半成品PERC电池的四周进行激光边缘隔离，使得电池边缘四周成为电绝缘性质。
步骤9.对底层半成品晶硅电池背面进行组件金属化引线和背面基底层封装
1)将上述制备完成的半成品底层PERC电池的背面进行封装，采用由72片电池片构成6*12阵列标准。首先将背面铝电极进行焊接，铝电极的组件引线采用铜-铬合金或铜-铬-碲合金等，它们具有良好电导率和出色的抗高温氧化性，因此能避免在后续的中间连接层和顶层碲化镉电池的制备中受到氧化，从而保证了叠层电池组件的互联性能。
2)背面基底封装膜采用具有良好机械性能的镀膜玻璃，需要做如下两个处理：(1)在镀膜玻璃上采用低损伤激光刻蚀技术刻蚀出一定数量和图案分布的电极引线通孔和互联通孔，电极引线通孔直径可以为0.2～1cm，依引线的尺寸来确定，互联通孔的直径通常可以稍大于电极引线通孔的直径。其中，电极引线通孔的图案分布在半成品晶硅电池的纵向下方的边缘以内，其具体图案分布可以根据半成品PERC电池电池背面的金属电极分布来设计；互联通孔的图案分布在两个相邻的叠层电池单元之间的区域的纵向下方(但不能分布在两个相邻的叠层电池单元之间的区域的中心线以及邻近两侧)。可以采用355nm的纳秒激光技术完成所述通孔刻蚀。(2)完成所述通孔刻蚀后，对背面基底封装层-镀膜玻璃进行氢氟酸清洗处理，HF质量分数5％-10％，时间30-60分钟，再水洗并吹干，其目的是可以进一步增强对在第16步激光刻蚀切割的阻挡能力(不被刻蚀)。
接着，将半成品PERC电池背面的组件金属化引线穿过背面基底封装膜上的电极引线通孔。然后，将底层半成品PERC电池、背面基底封装膜(镀膜玻璃)、以及交联剂EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)铺设好，并进行真空层压，层压工艺是温度140℃，压强100Pa，时间7-8分钟，气氛是氮气。至此完成半成品的底层PERC晶硅模组。
二、制备大面积的中间连接层
步骤10.在上述半成品的底层PERC电池模组上制备叠层电池的中间连接层，其面积能覆盖上述已制备完成的“底层PERC电池模组”(注：以下顶层碲化镉电池的制备工艺也相同)。采用掺铝的氧化锌(AZO)作为中间层材料，通过磁控溅射技术制备。靶材为铝锡氧化物陶瓷靶，纯度高于99.99％，其中Al2O3含量2wt.％。衬底温度是常温25℃，靶材基底间距是70-100mm，本底真空是1*10-4Pa，溅射气氛为Ar、O2混合气体。预溅射3分钟以除去靶材上在空气中形成的薄层氧化物。随后溅射AZO，溅射气压0.1Pa，溅射功率300W。制备得到的AZO厚度是70nm，方块电阻是40-80Ω/□，平均透过率～88％。
三、制备大面积的顶层碲化镉电池
步骤11.制备背接触层，采用掺铜的碲化锌(ZnTe:Cu)，通过磁控溅射技术制备。靶材采用Cu掺杂的ZnTe热压粉末混合物(纯度高于99.999％)，其中含有化学计量的ZnTe和金属Cu。基底温度是常温25℃，靶材和衬底的间距70mm。溅射镀膜室的本底真空度是1*10-4Pa，溅射气体为氩气(纯度99.999％)，溅射气压是0.133Pa，溅射功率100W。制备得到的ZnTe:Cu厚度是800nm。
步骤12.制备CdTe吸收层，采用磁控溅射法制备，靶材采用富Cd的CdTe(纯度高于99.999％)，基底温度是常温25℃，靶材和衬底的间距70-80mm。溅射镀膜室的本底真空度是1*10-4Pa，溅射气体是氩气(纯度99.999％)，溅射气压是0.3Pa，预溅射5分钟除去靶材上在空气中形成的薄层氧化物；然后开始溅射CdTe，功率是80W。CdTe薄膜的厚度是2微米，Eg＝1.5eV。
采用激光退火进行CdCl2处理，在室温下通入CdCl2蒸气的同时(也可以是采用1mol/L的CdCl2溶液将样品制备CdTe那个面单面浸润3分钟)，采用连续型光纤耦合二极管激光器，激光波长808nm，激光退火时间5-10min。通过这步激光退火的CdCl2处理，可以促进CdTe的再结晶过程，得到结构完美、晶粒比较大、晶界秩序良好的CdTe薄膜。由于激光“冷加工”的局部热处理特性，只会将CdTe薄膜进行激光热处理，而CdTe薄膜下方的已经制备好的各层材料均不会受影响。
步骤13.制备n-CdS窗口层，采用射频磁控溅射技术制备。靶材采用CdS陶瓷靶(纯度高于99.999％)，射频13.56MHz，基底温度是常温25℃，靶材和衬底的间距80mm。本底真空度是1*10-4Pa，溅射气体为氩气(99.999％)，溅射气压是0.5Pa。预溅射5分钟，溅射功率45W，以除去靶材上在空气中形成的薄层氧化物；然后开始溅射CdS，功率40-45W。CdS的厚度是500nm。
步骤14.制备一层透明导电氧化物用以提高光生载流子传输能力，采用掺锡的氧化铟(ITO)，通过磁控溅射技术制备。靶材为铟锡氧化物(In2O3:SnO2＝90:10wt％)的陶瓷靶材，纯度高于99.99％。靶材基底间距是70-100mm。溅射气氛为Ar、O2混合气体(纯度高于99.99％)，本底真空度是1.5*10-4Pa，衬底温度常温25℃。溅射气压是0.1Pa，溅射功率为50W。ITO的厚度是100nm，方块电阻是50-80Ω/□，平均透过率～88％。
步骤15.顶层碲化镉电池前表面金属化，采用磁控溅射金属Ag形成栅线型Ag电极。通过结合掩膜版的溅射工艺，掩膜版采用石墨材料制成。在溅射工艺中，掩膜版的实心部分阻挡了溅射Ag原子飞向基底，掩膜空心部分允许溅射Ag原子飞向基底，因此掩膜版图案就是Ag栅线的图案。银靶材的纯度是99.99％，基底温度是常温25℃，靶材与基材之间距离为50mm，溅射气体为氩气(纯度99.99％)，本底真空度是5*10-5Pa，溅射功率160W。溅射得到的Ag层厚度是200nm，方块电阻是0.25Ω/□。
然后采用镀锡的银带或镀锡的铜带，将顶层碲化镉的前表面金属电极进行引出。本例中采用的是2端子设计，具体是顶层碲化镉的电极引出光生电子，底层PERC子电池引出光生空穴。
步骤16.对大面积的顶层碲化镉电池和中间连接层进行激光刻蚀切割，选择性地刻蚀掉顶层碲化镉电池的各功能层薄膜(包括电荷传输层、界面钝化层、碲化镉薄膜等)和中间层材料，只保留“底层晶硅模组”的背面基底封装层(也即镀膜玻璃)不被刻蚀切割。由此，将顶层大面积的碲化镉电池(以及中间连接层)刻蚀切割成一个个小面积的碲化镉电池，在纵向上形成一个一个的各自独立而分离的小面积的碲化镉/晶硅叠层电池单元。还需要注意，所述激光刻蚀切割工艺不能刻蚀和破坏到前述已经制备好的互联通孔，这可以通过激光刻蚀的精确的扫描技术来完成。通过激光刻蚀切割工艺的图案，得到叠层电池组件(图3-b)。
激光刻蚀切割图案：这里首先定义纵向方向是z轴方向，水平两个方向分别是x轴和y轴方向。从z轴方向看，激光刻蚀切割是沿着“底层半成品的PERC电池模组”的x轴方向每2*n个最相邻排布的PERC电池之间的中心线、以及y轴方向的每2个最相邻排布的PERC电池之间的中心线进行的。由此，将大面积的顶层碲化镉电池和中间连接层刻蚀切割成一个个小面积的图案，每1个单元面积的顶层碲化镉电池(以及中间连接层)从z轴方向看是对应着2个底层晶硅电池(即n＝2)，如图3-b所示。
具体的激光刻蚀工艺如下。通过灵活的激光束偏转、精确聚焦、以及高精度对准的相机系统，激光束沿着大面积的叠层电池进行精准扫描和精确刻蚀。基于上述所给出的同样图案，本例中采用两次激光刻蚀。第一次激光刻蚀刻用于依次刻蚀掉顶层碲化镉电池的ITO膜、n-CdS窗口层、碲化镉薄膜和ZnTe:Cu背接触层；第二次激光刻蚀用于刻蚀掉中间连接层AZO。两次激光刻蚀工艺参数如下。第一次，采用Nd:YVO4固态激光器，波长532nm，脉冲宽度15ns，重复频率是30kHz，激光工艺中通氮气气氛。第二次，采用Nd:YVO4固态激光器，波长1064nm，脉冲宽度8ns，重复频率是10kHz，激光工艺中通氮气气氛。
四.对叠层电池进行互联和封装，完成所述碲化镉/晶硅叠层电池组件的制备
步骤17.将每个叠层电池单元的正面和背面电极的引线进行互联。具体互联中，需要首先将叠层电池背面的金属化引线穿过前述已经制备好的互联通孔，然后在不同的叠层电池单元中进行互联。本例中底层PERC电池模组是采用由72片电池片构成6*12阵列，互联方式是每行之间是串联，每列之间是并联。
然后，对叠层电池的正面和背面进行封装。正面封装膜采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)和镀膜玻璃(正面最外层)，背面最外侧封装膜采用镀膜玻璃，交联剂采用道康宁公司应用于太阳能电池封装的产品系列的有机硅胶。具体封装工艺是，将正面镀膜玻璃、PDMS封装膜、所制备的碲化镉/晶硅叠层电池、以及背面镀膜玻璃均匀铺设好，通过点胶的方法将有机硅胶均匀地涂覆于上述各层之间。然后在25-50℃下进行深层固化1-2个小时，气氛是氮气，使得硅胶将各部件紧密粘合在一起，让封装膜、有机硅胶和叠层电池充分交联、固定和密封。此处，也可以采用缓慢增加压强的固化层压方法，以增强固化效果和加速固化过程。由于硅胶具有良好的绝缘性，因此填充在由步骤16的激光刻蚀切割的各个分立的碲化镉/晶硅叠层电池之间的硅胶，在它们之间还起到了良好的电学隔离的作用。
步骤18.最后采用常规技术安装边框、密封以及安装接线盒，以形成最终的所述碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件。
最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的和指导性的，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的原理和权利要求所保护的范围的情况下，在具体实施方式和应用范围上还可以做出很多种形式的变更、改进和等效实施，这些也均应视为本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件，包括底层晶硅电池，其特征在于还包括顶层碲化镉电池，底层晶硅电池与顶层碲化镉电池通过中间连接层连接起来，所述底层晶硅电池在背面设有基底封装层，底层晶硅电池的引线从基底封装层引出，所述顶层碲化镉电池、中间连接层被刻蚀切割成一个个小面积的叠层电池单元，仅保留基底封装层不被切割；
通过刻蚀切割使得每个叠层电池单元的结构为每1个单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层对应着n个底层晶硅电池，10≥n≥2；
所述基底封装层上设有用于导出电极引线的通孔；
还包括位于顶层碲化镉电池表面的电池正面封装膜，以及晶硅电池背面最外侧的封装膜。
2.根据权利要求1所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件，其特征在于：所述导出电极引线的通孔包括电极引线通孔以及互联通孔，所述电极引线通孔位于底层晶硅电池的正下方，所述互联通孔位于两个相邻的叠层电池单元之间的区域的纵向下方，每个叠层电池单元的底层晶硅电池的引线从电极引线通孔引出，然后从互联通孔穿过与顶层碲化镉电池的引线及其他叠层电池单元的引线形成互联。
3.权利要求1-2中任一项所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于其步骤包括：
(1)制备仅具备背电极的半成品晶硅电池；
(2)将所述半成品晶硅电池的四周进行激光边缘隔离，使得半成品晶硅电池边缘四周成为电绝缘性质；
(3)进行背电极的组件引线；
(4)在基底封装膜上刻蚀出图案分布的电极引线通孔和互联通孔，将背电极的引线通过基底封装膜上的电极引线通孔引出，然后，将半成品晶硅电池以阵列式结构封装到基底封装膜上，从而在底层半成品晶硅电池背面形成基底封装层；
(5)在底层半成品晶硅电池正面生长一层大面积的中间连接层，其面积能完全覆盖基底封装膜上所有的底层半成品晶硅电池，中间连接层使得底层的晶硅电池与顶层的碲化镉电池之间形成光学耦合和电学耦合；
(6)在中间连接层正面制备大面积的顶层碲化镉电池，以及顶层碲化镉电池顶部的正面电极；
(7)进行正面电极的组件引线；
(8)对顶层碲化镉电池、中间连接层进行刻蚀切割，仅保留基底封装层不被切割，
将大面积的电池分割成一个个在纵向上独立的小面积的叠层电池单元，每个叠层电池单元的结构为每1个单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层对应着n个底层晶硅电池，10≥n≥2，从而得到叠层电池；
(9)对叠层电池进行互联和封装，制成碲化镉/晶硅叠层太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于步骤(8)具体为：以纵向方向为z轴方向，水平两个方向分别为x轴和y轴方向，沿着底层半成品晶硅电池的x轴方向每2*n个最相邻排布的晶硅电池之间的中心线、以及y轴方向的每2个最相邻排布的晶硅电池之间的中心线进行刻蚀切割，将大面积的顶层碲化镉电池和中间连接层刻蚀切割成一个个小面积的图案，使得每1个叠层电池单元的顶层碲化镉电池以及中间连接层从z轴方向看对应n个底层晶硅电池，10≥n≥2。
5.根据权利要求4所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于所述刻蚀切割选用激光刻蚀切割、等离子刻蚀或者机械开槽工艺；当选用激光刻蚀切割时，采用激光扫描刻蚀图案完全相同的两次激光刻蚀，第一次激光刻蚀蚀刻掉碲化镉电池的部分功能层，留下另一部分功能层和中间连接层不刻蚀；第二次激光刻蚀蚀刻掉另一部分功能层、中间连接层，仅保留底层晶硅电池的背面基底封装层不被刻蚀。
6.根据权利要求5所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于所述中间连接层所用材料为透明导电氧化物。
7.根据权利要求6所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于步骤(3)和(7)中的引线从铜-铬合金、铜-铬-锆合金、铜-铬-碲合金、镍-铜-硅合金、铜-镍-铬合金、镍-铬-铁合金或铜-铂合金中选择。
8.根据权利要求7所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于基底封装层为镀膜玻璃，或者是TPT背板材料，即PVDF/PET/PVDF的三层复合膜；背面最外侧封装层为镀膜玻璃，或者是TPT背板材料，即PVDF/PET/PVDF的三层复合膜。
9.根据权利要求8所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于步骤(9)具体为将背电极的引线穿过互联通孔，然后在不同的叠层电池单元中进行互联，再对叠层电池的正面和背面进行封装，形成正面封装层和背面最外侧封装层。
10.根据权利要求9所述的碲化镉/晶硅叠层太阳能电池组件的制备方法，其特征在于正面封装层、背面最外侧封装层均通过有机硅胶与叠层电池进行封装。
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