專利名稱：一種太陽能電池及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多結(jié)疊層非晶硅太陽能電池，在疊層之間增設(shè)透明反射膜， 并用輥涂方法實現(xiàn)，大批量生產(chǎn)，降低成本。屬薄膜太陽能電池制造領(lǐng)域。
技術(shù)背景薄膜太陽能電池是當(dāng)今國際太陽能光伏行業(yè)降低光伏發(fā)電成本的主流途徑 之一，由于晶體硅太陽能電池原材料短缺且價格昂貴，因此其發(fā)電成本居高不 下，成為其與常規(guī)市電競爭的致命瓶頸，而薄膜太陽能電池，尤其是非晶硅薄膜太陽能電池由于其厚度僅為0.5pm左右，材料用量極少，且制造工藝簡單， 能耗小，所以生產(chǎn)成本比晶體硅太陽能電池低很多。然而盡管如此，非晶硅太 陽能電池的發(fā)電成本仍然高于常規(guī)市電的成本，尤其非晶硅疊層太陽能電池由 于要沉積六層非晶硅和微晶硅膜，其發(fā)電成本更高，因此如何進(jìn)一步降低非晶 硅疊層太陽能電池的生產(chǎn)成本是國內(nèi)外各大光伏公司關(guān)注的重點課題。另一方面，為了提高非晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，可以從充分利用 太陽光中不同波長的光子的途徑來考慮。單結(jié)非晶硅太陽能電池其結(jié)構(gòu)是由P、 I、 N三層非晶硅膜組成，其中本征非晶硅層即I層是光生載流子的產(chǎn)生區(qū)域， 當(dāng)太陽光照射到非晶硅太陽能電池時，能量大于或等于I層非晶硅能隙寬度的光 子(對應(yīng)某個波長)被處于價帶中的電子吸收，光子把能量轉(zhuǎn)移給電子，電子 獲得能量后，躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子空穴對，該電子空穴對在PN結(jié)的內(nèi)建電 場的作用下分別向P、 N區(qū)域作定向移動，形成光生電流，而能量低于I層非晶 硅能隙寬度的光子則不足以使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，因此不能被太陽能電 池利用而浪費掉了，也就是說由于太陽光光譜的能量分布較寬，而任何一種半 導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子，太陽光中能量小于能隙寬度的所有光子將穿過電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出 能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用供給了電池材料本身 的點陣原子，使材料本身發(fā)熱，這些能量都不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變 成有效的電能，因而單結(jié)非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不高，而且欠能和超能光 子的熱效應(yīng)還會使電池溫度升高造成電池性能衰退。為了解決上述問題，如果把太陽光光譜分成幾個子域，用能隙分別與這些 選擇子域有最好匹配的材料做成電池，并按從大到小的順序從外向里疊合起來， 讓波長最短的光被最外邊的寬能隙的材料電池所利用，波長較長的光能夠透射 進(jìn)到里面讓較窄能隙材料的電池利用，這樣就能最大限度地將太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能。以上是形成非晶硅疊層太陽能電池的一般基本原理。通常疊層電池的頂電池本征層材料用非晶硅本征層(a-Si)，底電池本征層則可選非晶硅、微晶硅、非晶硅鍺等。在薄膜太陽能電池中，并非所有大于或等于I層非晶硅膜能隙寬度的光子都 能全部被I層非晶硅所吸收，這是因為強光中光子密度比較大而且光子傳播速度 極快，總有存在一些光子，本征非晶硅層中的電子來不及吸收，雖然，這部分 光子能夠被后面的底電池吸收，但由于底電池的I層微晶硅或非晶硅鍺膜的能隙 寬度較小，光子能量的多余部分將轉(zhuǎn)化為熱能而浪費掉。如果能夠?qū)⒎享旊姵豂層非晶硅能隙寬度的光子再反射回到頂電池的I層中去，貝U i層可以對其進(jìn)行二次吸收，在不增加頂電池I層厚度的情況下可增加光生電流。要實現(xiàn)此目的，目前，通常采用的方法是在每個子電池的N層膜上再疊加一層透明導(dǎo)電膜。根 據(jù)光的薄膜干涉的原理，當(dāng)光入射到兩層不同材料薄膜的交界面上時，部分光 將被反射，頻率相同、振動方向非正交、相位差恒定的不同光波在界面的交疊， 使某些區(qū)域振幅增強，另一些區(qū)域振幅減弱，即產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，薄膜交界
面處光的反射大小決定于交界面上光的干涉效應(yīng)，光的反射率為 <formula>formula see original document page 8</formula> (1)n 5(n廣ri3 )2 cos2 ， + (n Lr^n3)2 sin2 34丌nh其中5= 是光波間的相位差，m、 n2、 ti3分別代表第一、二、三層薄膜的折射率，當(dāng)沒有中間的一層膜時，即n產(chǎn)m時，h是中間膜層即第一層的厚度，光的反射率為<formula>formula see original document page 8</formula>(2)ni+n3當(dāng)中間的薄膜厚度滿足n2h氣2m+l) L, (m=0，l,2.......) (3)4這種膜即為四分之一波長膜，相應(yīng)的5-(2m+l) 71，貝lj:<formula>formula see original document page 8</formula>(4)，ri 十n向當(dāng)m〈n^n3或n戶n2〈n3時，對于滿足(3)式的入射光，其光反射率比無中 間膜(其折射率為n2)時的反射率大，即I^Ro，說明此時反射光比無中間膜層 時增強，因此n^n^n3和n^n^n3兩個不等式稱為增反條件，根據(jù)上述原理， 當(dāng)在非晶硅疊層電池的兩個子電池間插入一層透明導(dǎo)電膜時，由于透明導(dǎo)電膜 的折射率n2比頂電池的n型非晶硅膜和底電池的P型微晶膜(或P型非晶硅膜 的折射率都小，滿足ni>n2<n3的條件，因此插入透明導(dǎo)電層后，只要調(diào)整其膜 厚滿足(3)式，就能起到增反作用，將更多的短波段的光向頂電池的I層非晶 硅反射回去，進(jìn)行二次吸收，而讓其它波長更長的光透射到底電池，從而增加 光生電池；同樣道理，在底電池的n型微晶硅和金屬電極間插入一層透明導(dǎo)電 膜，也能起到增反作用，將更多長波段區(qū)的光反射回底電池的I層微晶硅中去。中國專利"寬譜域低溫疊層硅基薄膜太陽電池"申請?zhí)?2159248.9公開是 根據(jù)上述原理提出的一種非晶硅疊層電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在頂電池和底電池之間， 以及在背電極與N型非晶硅之間，分別設(shè)計一層導(dǎo)電增反射層。制備方法是采 用真空沉積工藝方法。這種鍍膜方法的缺點是設(shè)備造價昂貴，能耗相對較大， 生產(chǎn)效率低。雖然其疊層電池的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性有所提高，但因其設(shè)備投資 增大，運行成本高，生產(chǎn)效率低而抵消了轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性提升所帶來的益處。美國專利US6， 870， 088B2公開的是疊層結(jié)構(gòu)的太陽能電池， 一個能量區(qū) 至少有兩個光電轉(zhuǎn)換層，在光電轉(zhuǎn)換層加入透明導(dǎo)電膜，這種串聯(lián)在一起疊層 結(jié)構(gòu)的電池的制造方法。表現(xiàn)出良好的增加光的散射效應(yīng)，提高了單位面積上 光電轉(zhuǎn)換效率和功率效率。另外，美國專利US6， 870， 088B2，為了解決激光刻劃時背電極透明導(dǎo)電 膜和中間透明導(dǎo)電膜之間的短路和漏電，以及解決后續(xù)鍍制的透明導(dǎo)電膜與中 間透明導(dǎo)電膜之間的短路和漏電，提出的疊層電池的激光刻劃結(jié)構(gòu)(見圖4)， 可有效避免如上所述的短路和漏電。但這種電池結(jié)構(gòu)由于激光隔離溝道10位于 激光隔離溝道7的中間，所以多出了 18部分的寬度，減小了電池的有效面積， 從而減小了電池的轉(zhuǎn)換效率。在非晶硅疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)中，每個單元電池的有效面積的大小取決
于正電極和負(fù)電極之間垂直相對的面積大小。見圖1本發(fā)明激光刻劃電池結(jié)構(gòu)與美國專利US6， 870， 088B2相比，由于本發(fā)明中的激光隔離溝道10和激光 隔離溝道11緊靠在一起，在14處相互平行重合，所以正電極2的激光隔離溝 道4可相應(yīng)地向激光隔離溝道10的方向平移，相應(yīng)地可增加正電極2的長度15， 也就增大了正電極2和負(fù)電極9之間垂直相對的面積，從而增加了每個單元電 池的有效面積。因此本發(fā)明的激光刻劃結(jié)構(gòu)與美國專利US6， 870， 088B2(申請時間為2003 年3月12日)的結(jié)構(gòu)(見圖4)相比，可以增加疊層電池的有效面積，提高電 池轉(zhuǎn)化效率。美國專利US6， 870， 088B2的另外一缺點是，仍見圖4中的溝道11，是激 光穿透頂電池3、透明導(dǎo)電層5、底電池6、背電極上的透明導(dǎo)電層8和金屬背 電極9，刻劃形成的隔離溝道11，可以將相鄰的背電極分隔開，但激光在穿透 中間透明導(dǎo)電層5時，會使透明導(dǎo)電層5發(fā)生升華，升華的導(dǎo)電物質(zhì)容易附著 在底電池的側(cè)邊表面上，可能導(dǎo)致中間透明導(dǎo)電層5和背電極透明導(dǎo)電層8直 接連通短路或漏電，使底電池?zé)o電輸出，結(jié)果疊層電池的轉(zhuǎn)換效率將減小一半。根據(jù)市場和客戶的需求，商業(yè)化的大面積非晶硅疊層太陽能電池的電壓范 圍需達(dá)到幾十伏特，需要將大面積的非晶硅疊層太陽能電池分成若干電池節(jié)(電 池單元)。非晶硅疊層太陽能電池是一種大規(guī)模的電池集成，疊層是指在一個電 池單元中至少有兩個單結(jié)(PN)的光電轉(zhuǎn)換層的串聯(lián)連接。橫向排列的電池單 元串聯(lián)，形成串聯(lián)電池組件，各電池單元的電壓相加，使輸出電壓提高?？v向 排列的串聯(lián)電池組件并聯(lián)，是指至少由兩排橫向串聯(lián)的電池組件。該電池組件 的電極引出線分別在組件的兩頭，電極引端將組件并聯(lián)，使輸出電流增加。疊 層電池的制備，首先制作前電極圖形，并分塊絕緣隔離或背電極被相互隔離并換層疊加的每個單元的前電極(正電極)與相鄰的另一單 元的背電極(負(fù)電極)串聯(lián)的非晶硅疊層太陽能電池組件，開路電壓可達(dá)幾十 伏特的。目前，制備透明導(dǎo)電膜通常采用真空鍍膜法或噴涂方法，這些方法使用， 雖然能夠制備出非常均勻的膜層，.但由于真空成膜是許多材料原子在真空環(huán)境 下運動到基片上沉積形成的膜層，容易形成鏡面膜層，無法直接形成絨面膜層， 還需要后續(xù)的濕法化學(xué)腐蝕或激光刻劃等另外加工，增加了工藝的復(fù)雜性。 發(fā)明內(nèi)容由以上所述，在帶有透反射層的非晶硅疊層太陽能電池所引出的技術(shù)問題， 有待解決。本發(fā)明目的是進(jìn)一步改進(jìn)具有透反射層非晶硅疊層太陽能電池太陽 的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，提高電池光電轉(zhuǎn)換區(qū)域的有效面積，防止短路和漏電。另一個目的是以輥涂法取代真空鍍膜法制備增加起反射作用的透明導(dǎo)電 膜，以減少生產(chǎn)設(shè)備投資，降低運行成本低。該輥涂法通常應(yīng)用在液晶、半導(dǎo) 體行業(yè)里。在此之前，非晶硅太陽能電池制造中還沒有采用這種既廉價，高精 度的輥膠機技術(shù)本發(fā)明還有一個目的，設(shè)計明導(dǎo)電膜的表面呈絨面狀(有一定的粗糙度) 使進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換層的散射光進(jìn)入本征層，增加光的傳播路程及光的有效吸收率， 電池性能穩(wěn)定。方法是用輥涂納米透明導(dǎo)電漿料制備中間透明導(dǎo)電的反射層。為實現(xiàn)本發(fā)明的任務(wù)，技術(shù)解決方案是集成若干個串聯(lián)在一起的光電單元， 其特征在于每個光電單元包括絕緣基板，前電極,中間透明導(dǎo)電膜，由疊層半導(dǎo)體 薄膜形成的光電轉(zhuǎn)換層，背電極，并包括相鄰光電單元之間正負(fù)電極的連接線,所 說的每個光電單元，至少有兩個相互疊加的光電轉(zhuǎn)換層，中間透明導(dǎo)電膜夾在 兩個光電轉(zhuǎn)換層之間，在中間透明導(dǎo)電膜和連接線之間有防短路和漏電的隔離
溝道，該溝道內(nèi)覆蓋半導(dǎo)體薄膜
本發(fā)明的解決方案是在所述的兩個疊加的光電轉(zhuǎn)換層中間的透明導(dǎo)電膜， 是涂布在其中一個非晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的N面上,由納米導(dǎo)電材料形成的中 間透明導(dǎo)電膜。
一個光電單元由一個疊層非晶硅太陽能電池構(gòu)成，其中一個非 晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的P膜在前電極背面上構(gòu)成頂電池。 一個疊層非晶硅太陽能電池，其中由一個非晶硅光P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的N膜在背電極上，或N膜在帶中間透明導(dǎo)電膜的背電極上構(gòu)成頂電池。光電單元的隔離溝道，由激光穿透該 光電單元的中間透明導(dǎo)電膜和頂電池膜層，并垂直于相鄰的前電極背面上，溝道深度與穿透厚度相同，寬度為0.10-0.24mm。
為實現(xiàn)本發(fā)明的任務(wù)，所采用的方法技術(shù)特征如下
步驟l，制備前電極圖形在導(dǎo)電基板(襯底)上用激光刻劃分塊，刻除透明導(dǎo)電膜，形成大規(guī)模集成的前電極圖形塊與塊之間相互絕緣的隔離溝槽(亦稱隔離溝道)。玻璃襯底的透明導(dǎo)電膜包括ITO、 ZnO或Sn02，采用大幅面紅外光激 光標(biāo)刻機，被加工的透明導(dǎo)電膜的膜面朝上放置，即玻璃基板在底面。
2、 沉積頂電池采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)或甚高頻等 離子體化學(xué)氣相沉積法(VHF-PECVD)，沉積壓力50-1000Pa，溫度150-250°C， 在制備前電極圖形的襯底上依次沉積P型非晶硅摻雜層、1本征非晶硅層和N型 非晶硅摻雜層，并同時沉積在前電極的隔離溝槽內(nèi)，制作出頂電池3的核心部 分-非晶硅光電轉(zhuǎn)換層，沉積PIN膜層厚度分別為80-120A、700-1200A和200-300 A。
3、 輥涂透明導(dǎo)電膜采用高精度輥膠機在頂電池3的P-I-N光電轉(zhuǎn)換層N 面上涂布厚度為900-2000 A的納米透明導(dǎo)電漿料，形成頂電池3上的中間透明 導(dǎo)電膜層5，包括以下透明導(dǎo)電漿料ITO、 ZnO、 Sn02、 ATO。
4、 固化烘烤緊接著將透明導(dǎo)電層進(jìn)行初步固化烘烤，溫度在130°C-180 °C，烘烤時間為0.5-1.0小時；5、 隔離溝道采用激光標(biāo)刻機，激光穿透具有中間透明反射層5的頂電池各膜層刻成隔離溝道7，其溝道深度與穿透厚度相同，垂直于相鄰的前電極2背 面，該溝道7寬度為0.2-0.4mm。。6、 沉積底電池將制備完成激光刻劃隔離溝槽的頂電池預(yù)熱，溫度為180 °C-250°C后，放入真空室中用等離子體增強化學(xué)氣象沉積(PECVD)或甚高頻等離 子體增強化學(xué)氣象沉積(VHFCVD)法，在中間透明反射層背面上沉積底電池6非 晶硅膜或微晶硅，并同時沉積在第一隔離溝道7內(nèi)及其側(cè)壁上，隔離溝道7具 有絕緣層。沉積壓力為130-1000pa，底電池P小N膜厚度分別為200A-300A、 0.3-2.0拜、200A-400A。7、 刻劃底電池:在底電池的玻璃基板上，用激光標(biāo)刻機沿隔離溝道7的對應(yīng) 位置，激光穿透頂電池、透明導(dǎo)電層和底電池各膜層，形成一條與穿透厚度相 同的隔離溝道10，該溝道10位于隔離溝道7內(nèi)，隔離溝道10的側(cè)邊16和隔離 溝道7的側(cè)邊19之間的間距約為0.05mm。隔離溝道10寬度為0.05-0.08mm。8、 在底電池上制備透明導(dǎo)電膜采用輥涂方法，用高精度輥膠機在底電池 光電轉(zhuǎn)換層N膜面上涂布一層厚度為700-1000 A的納米透明導(dǎo)電槳料，在底電 池上制造透明反射層8，制備成底電池的透明導(dǎo)電膜(增反射層)，并在15CTC-180 'C溫度下，固化烘烤0.5-1.0小時。9、 制備背電極采用平面磁控濺射或真空蒸發(fā)，在底電池的增反射層上沉 積金屬鋁膜為背電極(負(fù)極)，鋁膜電極厚度為0.5-2.0,。10、 刻劃背電極隔離溝道將已鍍好鋁背電極的基板用激光刻劃出鋁背電 極的隔離溝道11，激光穿透頂電池3的P-I-N層非晶硅膜、增透導(dǎo)電反射膜層5、 和底電池6的P-I-N層非晶硅膜或微晶硅膜、底電池上的透明導(dǎo)電層和金屬鋁膜， 形成一條與穿透厚度相同的隔離溝道11，該溝道11垂直于相鄰前電極膜面上，該隔離溝道11將各電池單元分割，制成串聯(lián)電池組件，溝道11的寬度為0.08-0.20mm。本發(fā)明用集成方法串聯(lián)若干個光電單元，其特征在于用激光刻劃每個光電 單元形成分割口(亦稱隔離溝道)，包括前電極，用輥膠機涂布形成的中間透明 導(dǎo)電膜，還包括由疊層半導(dǎo)體薄膜形成的光電轉(zhuǎn)換層，背電極，并包括用于敷設(shè) 導(dǎo)線連接相鄰光電單元正負(fù)電極的溝道,及防短路和漏電的隔離溝道。本發(fā)明的實施效果大幅減少了生產(chǎn)設(shè)備投資，運行成本低，工藝簡單，生 產(chǎn)效率高(每10-15秒出l片)。本發(fā)明的優(yōu)點在于可以很容易地在輥涂的同時得到表面粗糙的透明導(dǎo)電 膜，而不需要增加額外的處理工序。在輥涂透明導(dǎo)電膜漿料時，由于漿料中的 透明導(dǎo)電成份的不均勻性，導(dǎo)致漿料成份的顆粒較大，加上輥涂法是利用膠輥 和電池玻璃板的直接接觸涂膜以及涂層表面自身具有收縮的趨勢，因此很容易 使透明導(dǎo)電膜表面自然的形成粗糙表面，而采用平面磁控濺射法或其它鍍膜方 法制備的透明導(dǎo)電膜表面比較光亮平滑，難于形成表面的絨面結(jié)構(gòu)，必須在鍍 完膜之后采用濕法化學(xué)腐蝕的方法或干法激光刻蝕等方法對透明導(dǎo)電膜進(jìn)行加 工處理后形成絨面結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工g較復(fù)雜，因此，本發(fā)明采用輥涂法涂敷容易 形成絨面透明導(dǎo)電膜，可減少工藝步驟，簡化工藝，從而提高生產(chǎn)效率?？傊景l(fā)明的總體效果是生產(chǎn)成本低，因此所生產(chǎn)的非晶硅疊層太陽能 電池具有很高的性價比，市場前景廣闊。電池轉(zhuǎn)換效率在原有基礎(chǔ)上可達(dá)6%-8%(在0.5米2面積上)，由于透明反射層對光的二次反射增加了光生電流，相應(yīng)的可減薄頂電池和底電池的本正征I層非晶硅膜厚度，同時提高了疊層電池的穩(wěn)
定性。


圖l、是本發(fā)明非晶硅疊層電池的截面圖。圖2、是圖1中突出顯示激光刻劃線7、 10和11的示意圖。 圖3、是圖2中M部分的放大圖。圖4、是美國專利US6， 870， 088B2的激光刻劃線7和13的示意圖，用虛 線圈N表示。圖5、是圖4中N處局部放大圖。圖6、是圖1的疊層電池正負(fù)極連接示意圖，相鄰電池單元首尾相連，依次 串聯(lián)成一個電池組件。圖7、是一種帶透明導(dǎo)電層的非晶硅疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)的激光刻劃圖。 圖8、是另一種帶透明導(dǎo)電層的非晶硅疊層太陽能電池的激光刻劃圖。 以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理。見圖l，玻璃基片l;透明導(dǎo)電膜前電極2;頂電池3 (P-I-N非晶硅層)； 激光刻斷前電極2透明導(dǎo)電膜成隔離溝道4;頂電池3和底電池6之間夾一層增 加光反射的透明導(dǎo)電膜5;底電池6是P-I-N非晶硅層或微晶硅層；激光穿透頂 電池3、透明導(dǎo)電膜5刻劃出隔離溝道7，防止頂電池3上透明導(dǎo)電膜5與底電 池6上透明導(dǎo)電膜8連接電池短路；金屬背電極9與底電池6之間的透明導(dǎo)電 膜8;激光穿透頂電池3、透明導(dǎo)電層5和底電池6各膜層，形成一條與穿透厚 度相同的隔離溝道IO，是為后工序預(yù)留掩埋金屬導(dǎo)線；激光穿透金屬背電極9、 透明導(dǎo)電膜8 (反射層)、底電池6、頂電池3，形成一個隔離溝道11，垂直于 相鄰前電極背面上，至此完成單節(jié)電池分割；重合線14是激光隔離溝道10和 11的。前電極2 (正電極)的有效長度15。見圖2,突出顯示圖1中激光刻劃
線7、 10和11的示意圖。圖l所示的激光刻劃結(jié)構(gòu)，在沉積完頂電池3的非晶硅層，并在其N層表 面上輥涂中間透明導(dǎo)電層5之后，再用激光穿透頂電池3、透明導(dǎo)電膜5，形成 一條垂直于相鄰的前電極2背面的溝道7，該溝道深度與穿透厚度相同，其溝道 寬度12約為0.2-0.4mm，隔離溝道10是位于隔離溝道7之內(nèi)的側(cè)邊19之間的 間距約為0.05mm。接著沉積底電池6的非晶硅膜或微晶硅膜，非晶硅膜或微晶 硅膜將溝道7填滿，起絕緣作用；在最后沉積完背電極透明導(dǎo)電層8和金屬層9 之后，用激光刻劃穿透頂電池3、中間透明導(dǎo)電層5、底電池6、背電極透明導(dǎo) 電層8和金屬層9形成隔離背電極的隔離溝道11，激光隔離溝道11位于隔離溝 道7內(nèi)，并使隔離溝道11的一邊和隔離溝道7的一邊在17處平行重合。因此 在激光刻劃穿透頂電池3、中間透明導(dǎo)電層5、底電池6、背電極透明導(dǎo)電層8 和金屬層9形成隔離背電極的隔離溝道11時，由于隔離溝道7中沒有透明導(dǎo)電 層，不會產(chǎn)生透明導(dǎo)電層升華現(xiàn)象，不會造成中間透明導(dǎo)電層5與背電極透明 導(dǎo)電層8連通短路或漏電，避免了因底電池短路或漏電造成疊層電池的轉(zhuǎn)換效 率減小一半。見圖8，是另一種激光刻劃模式，該方法是在沉積完頂電池3非晶 硅和中間透明導(dǎo)電膜5后進(jìn)行激光刻劃，目的是為了將前透明導(dǎo)電層5，頂電池 3非晶硅層和中間透明導(dǎo)電層5同時刻除掉各膜層形成隔離溝道7b，但在刻劃 時前透明導(dǎo)電層材料容易升華附著在頂電池在溝道中的側(cè)壁上，造成前透明導(dǎo) 電層lb和中間透明導(dǎo)電層5b間漏電，嚴(yán)重時將直接短路。本發(fā)明提出了一種新型的激光刻劃模式見圖1。首先，將前電極透明導(dǎo)電膜 層進(jìn)行激光刻劃，形成隔離溝道4，隨后在沉積完頂電池3的P-I-N非晶硅層和 輥涂透明導(dǎo)電層5 (或稱透反射膜)后，進(jìn)行激光刻劃形成隔離溝道7，接著沉 積底電池6的P-I-N非晶硅或微晶硅膜層，同時沉積在隔離溝道7內(nèi)，然后對底
電池6的PIN膜層進(jìn)行激光刻劃出溝道10，形成連通相鄰電池單元正、負(fù)電極的2電連接線，在透明導(dǎo)電膜8上沉積金屬背電極層9后，用激光穿透頂電池3 的P-I-N非晶硅層、中間透明導(dǎo)電層5、底電池6的P-I-N非晶硅或微晶硅、透 反射導(dǎo)電膜層8和金屬背電極層9，形成分割背電極9的隔離溝道11。由于本 發(fā)明中的激光隔離溝道10和激光隔離溝道11緊靠在一起，在14處相互平行重 合，正電極2的激光隔離溝道4可相應(yīng)地向激光隔離溝道10的方向平移，相應(yīng) 地可增加正電極2的長度15，也就增大了正電極2和負(fù)電極9之間垂直相對的 面積，從而增加了每個單元電池的有效面積。這里激光刻劃線7的寬度為 0.2-0.4mm，激光刻劃線10的寬度為0.05-0.08mm。見圖2、圖3中突出顯示激光刻劃線7、 10和11的示意圖。 圖3、是圖2中M部分的放大圖。各種數(shù)字標(biāo)示的意義同圖l 。 見圖4，是美國專利US6, 870， 088B2,為了解決激光刻劃時背電極透明 導(dǎo)電膜和中間透明導(dǎo)電膜之間的短路和漏電，以及解決后續(xù)鍍制的透明導(dǎo)電膜 與中間透明導(dǎo)電膜之間的短路和漏電，提出了圖4所示的疊層電池的激光刻劃 結(jié)構(gòu)，也可以有效避免如上所述的短路和漏電。但這種電池結(jié)構(gòu)等于是底電池上的激光隔離溝道10位于頂電池激光隔離溝 道7的中間，多出了18部分的寬度，等于減小了電池的有效面積，減小了電池 的轉(zhuǎn)換效率。在非晶硅疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)中，每個單元電池的有效面積的大小取決 于正電極和負(fù)電極之間垂直相對的面積大小，在本發(fā)明中每個單元電池的有效 面積的大小取決于正電極2和負(fù)電極9之間垂直相對的面積大小。如上所述， 與美國專利US6， 870， 088B2相比，由于本發(fā)明中的激光隔離溝道10和激光 隔離溝道11緊靠在一起，在14處相互平行重合，所以正電極2的激光隔離溝道4可相應(yīng)地向激光隔離溝道10的方向平移，相應(yīng)地可增加正電極2的長度15， 也就增大了正電極2和負(fù)電極9之間垂直相對的面積，從而增加了每個單元電 池的有效面積。因此本發(fā)明的激光刻劃結(jié)構(gòu)與美國專利US6， 870， 088B2的結(jié) 構(gòu)(見圖4)相比，可以增加疊層電池的有效面積，提高電池轉(zhuǎn)化效率。圖6、是圖1的疊層電池正負(fù)極連接示意圖，相鄰電池單元首尾相連，依次 串聯(lián)成一個電池組件。 具體實施例 例1:1、 將尺寸為14"X48"或更大尺寸的導(dǎo)電玻璃用激光刻劃方法按照電池板電 性能要求對透明導(dǎo)電膜2進(jìn)行刻劃，刻劃間距20mm。2、 采用等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在沉積壓力70Pa (P層)、50Pa (I層)和80Pa (N層)，22(TC基片溫度下，在已刻劃好透明導(dǎo)電玻璃上依次沉積頂電池3的P、 I、 N層非晶硅，厚度分別為80A、 700 A和200 A。3、 采用高精密輥膠機在已沉積完頂電池P、 I、 N層非晶硅膜3上涂布一層 厚度為1100A的ITO透明導(dǎo)電漿料層5。4、 在15(TC溫度下，將已涂布好ITO透明導(dǎo)電漿料5的玻璃板進(jìn)行初步固 化烘烤，烘烤時間40分鐘。5、 用激光刻劃機刻劃用于絕緣的隔離溝槽7，對已制做好的頂電池3的非 晶硅P、 I、 N膜和透明導(dǎo)電膜5進(jìn)行激光刻劃，激光穿透頂電池3的各膜層和 和透明導(dǎo)電膜5，連續(xù)刻劃出溝槽'寬度為0.2mm隔離溝槽7。6、 將已激光刻劃出隔離溝槽7的電池半成品預(yù)熱至22(TC后，放入真空室 中用VHFPECVD法，在ITO透明導(dǎo)電膜5上依次沉積底電池6的P、 I、 N層 非晶硅膜，沉積壓力P層130Pa， I層250Pa， N層140Pa，厚度分別為200A、 3500A和300A。7、 用激光刻劃機刻劃用于電f及連接線的導(dǎo)電溝槽10，將已制做完底電池6 P-I-N層的非晶硅膜玻璃板用激光機沿著步驟5中形成的激光刻劃溝槽7 (其寬 度為12)的相應(yīng)位置對頂、底電池各膜層進(jìn)行激光刻劃，激光穿透頂電池6各 膜層和透明導(dǎo)電膜層5及底電池6各膜層進(jìn)行連續(xù)刻劃，刻出溝槽10的寬度為 0.07mm，并使隔離溝道10的側(cè)邊16和隔離溝道7的側(cè)邊19之間的間距約為 0.05mm。8、 在己激光刻劃好底電池P、 I、 N三層非晶硅膜6的玻璃板上輥涂第二層 ITO透明導(dǎo)電膜8，厚度為卯0A，并在15(TC溫度下固化烘烤40分鐘。9、 采用平面磁控濺射法在已激光刻劃好頂、底電池及透明導(dǎo)電層的玻璃板 上沉積一層金屬鋁電極層9，厚度為0.8pm。10、 將已鍍好金屬鋁膜的電池玻璃襯底上用激光刻劃出鋁背電極，激光穿 透頂電池3非晶硅膜層、透明導(dǎo)電反射層5、底電池6微晶硅膜層及底電池上的 透明導(dǎo)電反射層8和背電極9金屬鋁膜，連續(xù)刻劃出隔離線ll，寬度為0.1mm。 例2:僅改變例1中步驟3和步驟8的ITO透明導(dǎo)電漿料的厚度，其余步驟同例1: 3、采用高精密輥膠機在已沉積完頂電池3的N膜面上涂布一層漿料厚度為900A的ITO透明導(dǎo)電層5。8、在已激光刻劃好底電池6的N層的膜面上輥涂第二層ITO透明導(dǎo)電膜8，厚度為1000 A，并在15(TC溫度下固化烘烤40分鐘。例3:僅改變例1在步驟5和步驟7中的激光刻劃線寬度，其余步驟與例1相同。 5、激光刻劃機刻劃用于絕緣的隔離溝槽7，激光穿透頂電、 也3非晶硅膜層、
透明導(dǎo)電反射層5進(jìn)行連續(xù)激光刻劃出寬度為0.4mm隔離溝槽7。7、 激光刻劃機刻劃用于電極連接線的溝槽IO，將已制做完底電池P、 I、 N 層非硅膜6的玻璃板用激光機沿著步驟5中形成的激光隔離溝道7的相應(yīng)位置 對頂、底電池各膜層進(jìn)行激光刻劃，激光穿透頂電池P、 I、 N層非晶硅膜、中 間透明導(dǎo)電層、和底電池P、 I、 N層非晶硅膜或微晶硅膜，隔離溝道10寬度為 0.08mm，并使隔離溝道10的側(cè)邊16和隔離溝道7的側(cè)邊19之間的間距約為 0.05mm。例4:在例1中僅改變步驟3和步驟8中透明導(dǎo)電膜材料和厚度及改變步驟4和 步驟8中透明導(dǎo)電膜的初始烘烤溫度，其余步驟與例1相同。3、 采用高精密輥膠在已沉積完頂電池P、 I、 N層非晶硅膜3上涂布一層厚 度為2000A的ZnO透明導(dǎo)電漿料層5。4、 在18(TC溫度下，將己涂布好ZnO透明導(dǎo)電漿料5的玻璃板進(jìn)行初步固 化烘烤，烘烤時間30分鐘。8、 在已激光刻劃好底電池P-I-N三層非晶硅膜6的玻璃板上輥涂第二層ZnO 透明導(dǎo)電膜8，厚度700A，并在18(TC溫度下固化烘烤30分鐘。例5:1、前電極圖形制作將尺寸為355.6mmX406.4mmX0.7mm的ITO、 ZnO或Sn02透明導(dǎo)電膜玻璃膜面朝上放置到圖1中第1號標(biāo)刻區(qū)域內(nèi)，啟動大幅面 紅外光激光標(biāo)刻系統(tǒng)，導(dǎo)入電池前電極標(biāo)刻圖形，并把振鏡掃描系統(tǒng)標(biāo)刻范圍 設(shè)定為360mmX410mm，采用單幅面標(biāo)刻的方式，把襯底上的連續(xù)導(dǎo)電膜刻蝕 成要求形狀和尺寸的獨立小塊，如圖4中7所示的陰影部分，即前電極圖形。 設(shè)備采用大幅面紅道教外光激光標(biāo)刻系統(tǒng)，激光波長為1064nm，激光功率為30~50瓦，激光聲光頻率為15 35KHz，前電極相鄰圖形間絕緣隔離線寬度為 0.1 0.4mm，絕緣電阻大于2MQ;2、 沉積非晶硅層將己刻好前電極圖形的襯底經(jīng)超聲清洗烘干后，裝入鍍 非晶硅膜的專用夾具，推入預(yù)熱烘箱預(yù)熱，烘箱預(yù)熱溫度為200-24(TC,達(dá)到工 藝溫度恒溫1 2小時后，將夾具從預(yù)熱烘箱內(nèi)取出，推入非晶硅沉積系統(tǒng)反應(yīng) 真空室，采用等離子化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法，在襯底上依次沉積P型 非晶硅摻雜層、I本征非晶硅層和N型非晶硅摻雜層，制作出電池的核心部分-非晶硅光電轉(zhuǎn)換層；3、 激光刻劃非晶硅將已鍍好非晶硅光電轉(zhuǎn)換層的基片膜面朝下啟動大幅 面綠激光標(biāo)刻系統(tǒng)，導(dǎo)入電池非晶硅標(biāo)刻圖形，并把振鏡掃描系統(tǒng)標(biāo)刻范圍設(shè) 定為360mmX410mm，采用單幅面標(biāo)刻的方式，在已沉積非晶硅的襯底上前電 極圖形區(qū)域內(nèi)相應(yīng)位置，按設(shè)計要求圖形刻除非晶硅層，露出前電極引出圖形， 刻除非晶硅的圖形和前電極圖形隔離線邊緣間距為0.1 0.3mm。激光波長為 532nm，激光功率為10 30瓦，激光聲光頻率為5 25kHz;4、 背電極制作采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在非晶硅層表面絲印上按設(shè)計要求的 碳漿導(dǎo)電漿料背電極圖形，并推入烘箱烘干。絲網(wǎng)印刷采用150~250目的聚脂 絲網(wǎng)，碳漿采用艾奇森581SS型號碳漿，固化溫度為140~160°C，恒溫時間為 0.5~1小時。本發(fā)明以雙結(jié)(PN)非晶硅膜疊層電池為實施例進(jìn)行說明，但本發(fā)明不 限于雙結(jié)，可以是更多的PN結(jié)，原理一樣，在此不再贅述。
權(quán)利要求
1、一種太陽能電池，包含集成若干個串聯(lián)在一起的光電單元，其特征在于每個光電單元包括絕緣基板，前電極，中間透明導(dǎo)電膜，由疊層半導(dǎo)體薄膜形成的光電轉(zhuǎn)換層，背電極，并包括相鄰光電單元之間正負(fù)電極的連接線，所說的每個光電單元，至少有兩個相互疊加的光電轉(zhuǎn)換層，中間透明導(dǎo)電膜夾在兩個光電轉(zhuǎn)換層之間，在中間透明導(dǎo)電膜和連接線之間有防短路和漏電的隔離溝道，該溝道內(nèi)覆蓋半導(dǎo)體薄膜。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種太陽能電池，其特征在所述的兩個疊加的光電 轉(zhuǎn)換層中間的透明導(dǎo)電膜，是涂布在其中一個非晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的N面 上，由納米導(dǎo)電材料形成的中間透明導(dǎo)電膜。
3、 如權(quán)利要求l所述的一種太陽能電池，其特征在于所述的一個光電單元 由一個疊層非晶硅太陽能電池構(gòu)成，其中一個非晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的P膜 在前電極背面上構(gòu)成頂電池。
4、 如權(quán)利要求3所述的一種太陽能電池，其特征在所述的一個疊層非晶硅 太陽能電池，其中由一個非晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的N膜在背電極上,或N型膜 在帶中間透明導(dǎo)電膜的背電極上構(gòu)成頂電池。
5、 如權(quán)利要求l所述的一種太陽能電池，其特征在于所述的光電單元的隔 離溝道，由激光穿透該光電單元的中間透明導(dǎo)電膜和頂電池膜層，并垂直于相 鄰的前電極背面上，溝道深度與穿透厚度相同，寬度為0. 20-0. 40nim。
6、 如權(quán)利要求l所述的一種太陽能電池，其特征在于所述的正負(fù)電極連接 線，在由激光穿透同一個光電單元的頂電池、中間透明導(dǎo)電層和底電池形成的溝 道內(nèi)敷設(shè)金屬導(dǎo)線所構(gòu)成，在溝道的左側(cè)邊與相對的隔離溝道右側(cè)重合，另一 側(cè)與隔離溝道的左側(cè)重合，寬度為0. 05-0. 08mm。
7、 一種太陽能電池制造方法，用集成方法串聯(lián)若干個光電單元，其特征在于用激光刻劃每個光電單元形成分割口，包括前電極，用輥膠機涂布形成的中 間透明導(dǎo)電膜,還包括由疊層半導(dǎo)體薄膜形成的光電轉(zhuǎn)換層，背電極，并包括用 于敷設(shè)導(dǎo)線連接相鄰光電單元正負(fù)電極的溝道，及防短路和漏電的隔離溝道。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種太陽能電池制造方法，其特征在于中間透明 導(dǎo)電膜是用高精度輥膠機在在非晶硅光電轉(zhuǎn)換層P-I-N的N面上涂布納米導(dǎo)電 漿料加溫固化后形成的導(dǎo)電膜層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是前電極上的 非晶硅光電轉(zhuǎn)換層的N型膜面上的中間透明導(dǎo)電膜厚度為900-2000 A，固化烘 烤溫度在13CTC-18(TC，烘烤時間為0.5-l.O小時；透明導(dǎo)電膜包括以下透明導(dǎo) 電漿料ITO、 ZnO、 Sn02、 ATO。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是激光刻劃 隔離溝道，采用激光標(biāo)刻機，激光穿透具有中間透明導(dǎo)電膜頂電池各膜層刻成 隔離溝道，其溝道深度與穿透厚度相同，垂直于相鄰的前電極背面，該溝槽寬 度為0. 20-0. 40mm。
11、 一種太陽能電池制造方法，用于集成若干個串聯(lián)在一起的光電單元，其 特征是在光電轉(zhuǎn)換層疊層之間增設(shè)透明導(dǎo)電膜，并用輥涂方法實現(xiàn)，其步驟如 下步驟l、制備前電極；步驟2、沉積頂電池在前電極圖形的襯底上依次沉積非晶硅P-I-N層，并 同時沉積在前電極的隔離溝槽內(nèi)；步驟3、輥涂中間透明導(dǎo)電膜層；用高精度輥膠機在頂電池N面上涂布一層 厚度為900-2000 A的納米透明導(dǎo)電槳料步驟4、固化烘烤溫度為130°C-180°C，時間為0.5-1.0小時； 步驟5、激光刻劃隔離溝道； 步驟6、沉積底電池；步驟7、刻劃敷設(shè)導(dǎo)電線的溝道激光穿透頂電池、中間透明導(dǎo)電層和底電 池，該溝道左側(cè)邊與步驟4中的隔離溝道的右側(cè)重合，該溝道寬度為 0. 05-0. 08腿；步驟8、制備中間透明導(dǎo)電膜在底電池上涂布納米透明導(dǎo)電槳料，膜厚度 為700-1000 A的；步驟9、制備鋁背電極；步驟10、刻劃背電極隔離溝道用激光穿透頂電池、和底電池、中間透明 導(dǎo)電層和金屬鋁膜，形成開口隔離溝道垂直于相鄰前電極膜面上，其溝道寬度為0. 08-0. 20mrn。
12、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是所述的隔離 溝道，采用激光標(biāo)刻機，激光穿透具有中間透明導(dǎo)電膜的頂電池各膜層，刻成 隔離溝道，其溝道深度與穿透厚度相同，垂直于相鄰的前電極背面，該溝槽寬 度為0. 2-0. 4mm。。
13、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是所述的頂電 池采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)或甚高頻等離子體化學(xué)氣相沉 積法(VHF-PECVD)，沉積壓力50-1000Pa，溫度150-25(TC，在制備前電極圖形 的襯底上依次沉積P型非晶硅摻雜層、I本征非晶硅層和N型非晶硅摻雜層，并 同時沉積在前電極的隔離溝槽內(nèi)，制作出頂電池3的核心部分-非晶硅光電轉(zhuǎn)換 層，沉積PIN膜層厚度分別為80-120A、 700-1200 A和200-300 A。
14. 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征在于所述的輥 涂透明導(dǎo)電膜采用高精度輥膠機在頂電池N型膜面上涂布的納米透明導(dǎo)電漿 料，包括以下透明導(dǎo)電漿料IT0、 Zn0、 Sn02、 AT0。
15、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是所述的底電 池在中間透明導(dǎo)電層背面上沉積底電池6非晶硅膜或微晶硅，并同時沉積在 隔離溝道內(nèi)及其側(cè)壁上，隔離溝道7具有絕緣層。
16、 如權(quán)利要求15所述的一種太陽能電池制造方法，其特征在于所述的沉 積底電池沉積壓力為130-1000Pa，底電池P-I-N膜厚度分別為200A-300A、 0. 3-2.0um、 200A-400A。
17、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是所述的刻劃 底電池:激光穿透頂電池、透明導(dǎo)電層和底電池各膜層，形成一條與穿透厚度相 同的隔離溝道，該溝道位于隔離溝道內(nèi)，隔離溝道的側(cè)邊和隔離溝道的側(cè)邊之 間的間距約為0. 05mm，寬度為0. 05-0. 08腿。
18、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是制備中間透 明導(dǎo)電膜在底電池光電轉(zhuǎn)換層N膜面上涂布一層厚度為700-1000 A的納米透 明導(dǎo)電漿料，溫度15CTC-180°C，固化烘烤O. 5-1.0小時。
19、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是所述的背電 極采用平面磁控濺射或真空蒸發(fā)，在底電池的增反射層上沉積金屬鋁膜為背 電極(負(fù)極)，鋁膜電極厚度為0.5-2.0"m。
20、 如權(quán)利要求ll所述的一種太陽能電池制造方法，其特征是所述的刻劃 背電極隔離溝道激光穿透頂電池、中間透明導(dǎo)電層、和底電池、中間透明導(dǎo) 電層和金屬鋁膜背電極，形成一條與穿透厚度相同的隔離溝道，該溝道垂直于 相鄰前電極膜面上，溝道寬度為0. 08-0. 20mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多結(jié)疊層非晶硅太陽能電池，在疊層之間增設(shè)透明反射膜，屬薄膜太陽能電池制造領(lǐng)域。技術(shù)特征是兩個疊加的光電轉(zhuǎn)換層中間的透明導(dǎo)電膜，涂布在其中一個非晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的N面上，由納米導(dǎo)電材料形成的中間透明導(dǎo)電膜。一個光電單元由一個疊層非晶硅太陽能電池構(gòu)成，其中一個非晶硅P-I-N光電轉(zhuǎn)換層的P膜在前電極背面上構(gòu)成頂電池。并用輥涂方法實現(xiàn)，能大批量生產(chǎn)，降低成本。
文檔編號H01L21/82GK101118914SQ20071014869
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者毅 李, 胡盛明 申請人:毅 李