專利名稱：太陽(yáng)能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池及其制造方法，尤其涉及一種可撓曲的太陽(yáng)能電池及其制造方法
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池主要應(yīng)用的是光電轉(zhuǎn)換原理，其結(jié)構(gòu)主要包括基板以及設(shè)置在基板上的P型 半導(dǎo)體材料層和N型半導(dǎo)體材料層。
光電轉(zhuǎn)換是指太陽(yáng)的輻射能光子通過(guò)半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程(請(qǐng)參見(jiàn)"Grown junction GaAs solar cell" ，Shen， C. C. ; Pearson, G丄；Proceedings of the IEEE, Volume 64， Issue 3， March 1976 Page (s) : 384-385)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，其中 一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過(guò)。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱能， 另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn) 生電子-空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并在P型和N型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，將電子驅(qū)向N 區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在P-N結(jié)附近形成與 勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分除抵消勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使P型層帶正電， N型半導(dǎo)體層帶負(fù)電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動(dòng)勢(shì)。若分別在P型層和 N型半導(dǎo)體層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元 件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。
近年來(lái)，太陽(yáng)能電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、工業(yè)、氣象等領(lǐng)域，如何將太陽(yáng)能電池應(yīng)用 于日常生活，以解決能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題已成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。其中，將太陽(yáng)能電池 與建筑材料相結(jié)合，使得未來(lái)的大型建筑或家庭房屋實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來(lái)一大發(fā)展方向， 德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家更提出光伏屋頂計(jì)劃。
為了使太陽(yáng)能電池更容易配合建筑物本身的形狀，可撓曲太陽(yáng)能電池已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于建 筑領(lǐng)域。可撓曲太陽(yáng)能電池一般包括一個(gè)可撓曲的基板及依次形成在基板上的背電極、P型 半導(dǎo)體層、N型半導(dǎo)體層及透明導(dǎo)電層。透明導(dǎo)電層一般是采用氧化銦錫(Indium Tin 0xide， IT0)膜。
然而，ITO膜比較易碎(Brittle)，特別是在彎曲時(shí)易碎，故IT0膜可撓性較差，因而 采用IT0膜的太陽(yáng)能電池可撓性較差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種可撓性較佳的太陽(yáng)能電池。
一種太陽(yáng)能電池包括 一個(gè)基板； 一層背電極，該背電極形成在該基板的一個(gè)表面；一 層第一型半導(dǎo)體層，該第一型半導(dǎo)體層形成在該背電極的表面； 一層第二型半導(dǎo)體層，該第 二型半導(dǎo)體層形成在該第一型半導(dǎo)體層的表面； 一層碳納米管膜層，該碳納米管膜層形成在 該第二型半導(dǎo)體層的表面。
一種太陽(yáng)能電池的制造方法，該方法包括以下步驟在一個(gè)基板的表面形成一層背電極 ;在該背電極上形成一層第一型半導(dǎo)體層；在該第一型半導(dǎo)體層上形成一層第二型半導(dǎo)體層 ;提供一碳納米管陣列，采用一拉伸工具從該碳納米管陣列中拉取獲得一碳納米管薄膜，直 接將該碳納米管薄膜附在該第二型半導(dǎo)體層的表面，形成該碳納米管膜層。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，上述太陽(yáng)能電池采用碳納米管膜層，碳納米管膜層可透光。并且，碳 納米管具有良好的力學(xué)性能，碳納米管抗拉強(qiáng)度達(dá)到50 200GPa，是鋼的100倍，碳納米管 膜層比ITO膜具有更高的機(jī)械性能(Mechanically Robust)，柔韌性高，經(jīng)過(guò)反復(fù)彎曲后仍 然可以保持其性能，故采用碳納米管膜層的太陽(yáng)能電池可撓性較佳。而且，碳納米管膜層的 材料是碳，因此碳納米管膜層化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，具有較好的抗化學(xué)腐蝕性，故碳納米管膜層 可以提高太陽(yáng)能電池抵抗化學(xué)腐蝕的能力，從而提高太陽(yáng)能電池的耐用性。


圖l是本發(fā)明實(shí)施例太陽(yáng)能電池的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參閱圖l，本發(fā)明實(shí)施例太陽(yáng)能電池10包括一個(gè)基板101，基板101具有一個(gè)表面1012 ，基板101的表面1012上依次形成有背電極(Back Metal Contact Layer) 102;第一型半 導(dǎo)體層，如P型半導(dǎo)體層103; P-N過(guò)渡層104;第二型半導(dǎo)體層，如N型半導(dǎo)體層105;碳納米 管膜層106;及前電極(Front Metal Contact Layer) 107?？梢岳斫猓?dāng)?shù)谝恍桶雽?dǎo)體層 是N型半導(dǎo)體層時(shí)，第二型半導(dǎo)體層是P型半導(dǎo)體層。
基板101是可撓曲的，故太陽(yáng)能電池10可撓曲。基板101可以是聚合物薄片(Polymer Foil)或不銹鋼薄片(Stainless Steel Thin Foil)等。聚合物的材料可以是聚酰亞胺( Polyimide)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(Polythylene ter印hthalate， PET)、聚碳酸酯( Polycarbonate, PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate， PMMA)、冰片烯( Arton，艮卩Norbornene)等。背電極102的材料可以是銀(Ag)，銅(Cu)，鉬(Mo)，鋁(Al)，銅鋁合金(Cu-Al Alloy)，銀銅合金(Ag-Cu Alloy)，或者銅鉬合金(Cu-Mo Alloy)等。背電極102可以采 用濺射(Sputtering)或者沉積(D印osition)的方法形成。
P型半導(dǎo)體層103的材料可以是P型非晶硅(P Type Amorphous Silicon,簡(jiǎn)稱P-a-Si) 材料，特別是P型含氫非晶硅(P Type Amorphous Silicon With Hydrogen,簡(jiǎn)稱P-a-Si:H )材料。當(dāng)然，該P(yáng)型半導(dǎo)體層的材料也可以是氮化鉀(GaN)或鋁砷化鎵(InGaP)。
優(yōu)選地，P型半導(dǎo)體層103的材料為P型非晶硅材料。非晶硅材料對(duì)光的吸收性比結(jié)晶硅 材料強(qiáng)約500倍，所以在對(duì)光子吸收量要求相同的情況下，非晶硅材料制成的半導(dǎo)體層的厚 度遠(yuǎn)小于結(jié)晶硅材料制成的半導(dǎo)體層的厚度。且非晶硅材料對(duì)基板材質(zhì)的要求更低。所以采 用非晶硅材料不僅可以節(jié)省大量的材料，也使得制作大面積的太陽(yáng)能電池成為可能(結(jié)晶硅 太陽(yáng)能電池的面積受限于硅晶圓的尺寸)。
P-N過(guò)渡層104的材料可以是結(jié)合性較好的III-V族化合物、II-VI族化合物或I-III-VI族 化合物，如碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe2)等材料。P-N過(guò)渡層104的材料也可以是銅 銦鎵硒(CuIm—xGaSe2，CIGS)。該P(yáng)-N過(guò)渡層132用于將光子轉(zhuǎn)換成電子-孔穴對(duì)并形成勢(shì)壘 電場(chǎng)。P-N過(guò)渡層104有助于提高整個(gè)太陽(yáng)能電池10的穩(wěn)定性以及光電轉(zhuǎn)換效率。該P(yáng)-N過(guò)渡 層132可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor D印osition， CVD)，濺射法等方法形成 。P-N過(guò)渡層132有助于提高整個(gè)太陽(yáng)能電池10的光電轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性。
N型半導(dǎo)體層105的材料可以是N型非晶硅(N type amorphous silicon,簡(jiǎn)稱N-a-Si) 材料，特別是N型含氫非晶硅(N type amorphous silicon with hydrogen,簡(jiǎn)稱N-a-Si:H )材料。
碳納米管膜層106作為太陽(yáng)能電池10的透明導(dǎo)電層。碳納米管膜層106可以是單層碳納米 管薄膜，也可以是由多層碳納米管薄膜重疊而成。上述碳納米管膜層106中的碳納米管薄膜 可以是無(wú)序的碳納米管薄膜或者有序的碳納米管薄膜。無(wú)序的碳納米管薄膜是由無(wú)序的碳納 米管(Carbon Nanotube， CNT)組成，而有序的碳納米管薄膜是由有序的碳納米管組成。在無(wú) 序的碳納米管薄膜中，碳納米管為無(wú)序或各向同性排列。該無(wú)序排列的碳納米管相互纏繞， 該各向同性排列的碳納米管平行于碳納米管薄膜的表面。有序的碳納米管薄膜中，碳納米管 為沿同一方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇優(yōu)取向排列。當(dāng)碳納米管膜層106包括多層有序 碳納米管薄膜時(shí)，該多層碳納米管薄膜可以沿任意方向重疊設(shè)置，因此，在該碳納米管膜層 106中，碳納米管為沿相同或不同方向擇優(yōu)取向排列。
優(yōu)選地，碳納米管膜層106中的碳納米管平行于基板101的表面1012。在本實(shí)施例中，碳納米管膜層106為單層有序的碳納米管薄膜。碳納米管膜層106的厚度可以在10nm至100nm之 間。碳納米管膜層106可透光，其透明度可達(dá)到75%以上。
前電極107的材料可以是銀(Ag)，銅(Cu)，鉬(Mo)，鋁(Al)，銅鋁合金(Cu-Al Alloy)，銀銅合金(Ag-Cu Alloy)，或者銅鉬合金(Cu-Mo Alloy)等。
碳納米管具有良好的力學(xué)性能，碳納米管抗拉強(qiáng)度達(dá)到50 200GPa，是鋼的100倍。相 對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，碳納米管膜層106比IT0膜具有更高的機(jī)械性能(Mechanically Robust)， 柔韌性高，經(jīng)過(guò)反復(fù)彎曲后仍然可以保持其性能故采用碳納米管膜層106的太陽(yáng)能電池10可 撓性較佳。而且，碳納米管膜層106的材料是碳，因此碳納米管膜層106化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，具 有較好的抗化學(xué)腐蝕性，故碳納米管膜層106可以提高太陽(yáng)能電池10抵抗化學(xué)腐蝕的能力， 從而提高太陽(yáng)能電池的耐用性。
本發(fā)明太陽(yáng)能電池10不僅可以應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，由于其具有可撓曲、且成本低等特性， 還可以廣泛地應(yīng)用于航天器，交通工具，以及手機(jī)等3C產(chǎn)品上。
上述太陽(yáng)能電池10可以采用以下方法制造
步驟一，采用濺鍍(Sputtering)法在基板101的表面1012形成背電極102。
步驟二，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor D印osition， CVD)在背電極102上形
成P型半導(dǎo)體層103。優(yōu)選地，CVD法采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(Plasma Enhanced
Chemical V即or Deposition, PECVD)。
步驟三，采用濺鍍法或CVD法在P型半導(dǎo)體層103上形成P-N過(guò)渡層104。
步驟四，通過(guò)CVD法在P-N過(guò)渡層104上形成N型半導(dǎo)體層105。優(yōu)選地，CVD法采用PECVD法。
步驟五，在N型半導(dǎo)體層105的表面，形成碳納米管膜層106。
步驟六，在碳納米管膜層106的表面形成前電極107，從而得到如圖l所示的太陽(yáng)能電池 。前電極107可以通過(guò)印刷法(如網(wǎng)版印刷等)或者濺鍍法形成。 其中，步驟五可以進(jìn)一步包括以下步驟
步驟l:提供一碳納米管陣列，優(yōu)選地，該陣列為超順排碳納米管陣列。 本實(shí)施例提供的碳納米管陣列為單壁碳納米管陣列、雙壁碳納米管陣列或多壁碳納米管 陣列。本實(shí)施例中，超順排碳納米管陣列的制備方法采用化學(xué)氣相沉積法，其具體步驟包括 :(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型硅基底，或選用形成有氧化層的硅基底； (b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳( Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在700。 C至900° C的空氣中退火約30分鐘至90分鐘；(d)將處理過(guò)的基底置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱 到500° C至740° C，然后通入碳源氣體反應(yīng)約5至30分鐘，生長(zhǎng)得到超順排碳納米管陣列， 其高度為200至400微米。該超順排碳納米管陣列為多個(gè)彼此平行且垂直于基底生長(zhǎng)的碳納米 管形成的純碳納米管陣列。通過(guò)上述控制生長(zhǎng)條件，該超順排碳納米管陣列中基本不含有雜 質(zhì)，如無(wú)定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該碳納米管陣列中的碳納米管彼此通過(guò)范德華 力緊密接觸形成陣列。
本實(shí)施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學(xué)性質(zhì)較活潑的碳?xì)浠衔铮緦?shí)施例 優(yōu)選的碳源氣為乙炔；保護(hù)氣體為氮?dú)饣蚨栊詺怏w，本實(shí)施例優(yōu)選的保護(hù)氣體為氬氣。
可以理解，本實(shí)施例提供的碳納米管陣列不限于上述制備方法。也可為石墨電極恒流電 弧放電沉積法、激光蒸發(fā)沉積法等。
步驟2:采用一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取獲得一碳納米管薄膜。其具體包括以下 步驟(a)從上述碳納米管陣列中選定一定寬度的多個(gè)碳納米管片斷，每個(gè)碳納米管片段 具有大致相等長(zhǎng)度且每個(gè)碳納米管片段由多個(gè)相互平行的碳納米管構(gòu)成，碳納米管片段兩端 通過(guò)范德華力相互連接，本實(shí)施例優(yōu)選為采用具有一定寬度的膠帶接觸碳納米管陣列以選定 一定寬度的多個(gè)碳納米管片斷；(b)以一定速度沿基本垂直于碳納米管陣列生長(zhǎng)方向拉伸 該多個(gè)碳納米管片斷，以形成一連續(xù)的碳納米管薄膜。
在上述拉伸過(guò)程中，該多個(gè)碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時(shí) ，由于范德華力作用，該選定的多個(gè)碳納米管片斷分別與其他碳納米管片斷首尾相連地連續(xù) 地被拉出，從而形成一碳納米管薄膜。
該碳納米管薄膜為擇優(yōu)取向排列的多個(gè)碳納米管束首尾相連形成的具有一定寬度的碳納 米管薄膜。該碳納米管薄膜中碳納米管的排列方向基本平行于碳納米管薄膜的拉伸方向。該 直接拉伸獲得碳納米管薄膜的方法簡(jiǎn)單快速，適宜進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。
在上述拉伸過(guò)程中，該多個(gè)碳納米管片斷在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時(shí) ，由于范德華力作用，該選定的多個(gè)碳納米管片斷分別與其他碳納米管片斷首尾相連地連續(xù) 地被拉出，從而形成一碳納米管薄膜。
步驟3:直接將上述碳納米管薄膜附在N型半導(dǎo)體層105的表面，形成碳納米管膜層106。
可以理解，由于本實(shí)施例超順排碳納米管陣列中的碳納米管非常純凈，且由于碳納米管 本身的比表面積非常大，所以該碳納米管薄膜本身具有較強(qiáng)的粘性。因此，該碳納米管薄膜 作為透明導(dǎo)電層24可直接粘附在基體22的一個(gè)表面上。
在上述制造方法中，碳納米管膜層106是采用CVD法及由一拉伸工具拉取而獲得，具有成
8本低、環(huán)保及節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。故上述制造方法可以降低太陽(yáng)能電池10的生產(chǎn)成本。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所 做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能電池，其特征在于，該太陽(yáng)能電池包括一個(gè)基板；一層背電極，該背電極形成在該基板的一個(gè)表面；一層第一型半導(dǎo)體層，該第一型半導(dǎo)體層形成在該背電極的表面；一層第二型半導(dǎo)體層，該第二型半導(dǎo)體層形成在該第一型半導(dǎo)體層的表面；一層碳納米管膜層，該碳納米管膜層形成在該第二型半導(dǎo)體層的表面。
2.如權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于該碳納米管膜層為一碳納米管薄膜或多個(gè)重疊設(shè)置的碳納米管薄膜。
3.如權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于該碳納米管薄膜中的碳納米管為無(wú)序排列或各向同性排列。
4.如權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該碳納米管膜層包含多根碳納米管，該多根碳納米管平行于該基板的該表面。
5.如權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該碳納米管膜層的厚度為10nm至100nm之間。
6.如權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該碳納米管膜層中的碳納米管是單壁碳納米管或多壁碳納米管。
7.如權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該基板可以撓曲
8.如權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，該太陽(yáng)能電池進(jìn)一步包括一層位于該第一型半導(dǎo)體層與該第二型半導(dǎo)體層之間的P-N過(guò)渡層，且該P(yáng)-N過(guò)渡層分別與該第一型半導(dǎo)體層、該第二型半導(dǎo)體層接觸。
9.一種太陽(yáng)能電池的制造方法，該方法包括以下步驟在一個(gè)基板的表面形成一層背電極；在該背電極上形成一層第一型半導(dǎo)體層；在該第一型半導(dǎo)體層上形成一層第二型半導(dǎo)體層；提供一碳納米管陣列，采用一拉伸工具從該碳納米管陣列中拉取獲得一碳納米管薄膜 ，直接將該碳納米管薄膜附在該第二型半導(dǎo)體層的表面，形成該碳納米管膜層。
10.如權(quán)利要求9所述的太陽(yáng)能電池的制造方法，其特征在于，該碳 納米管膜層包含多根碳納米管，該多根碳納米管平行于該基板的該表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，其包括一個(gè)基板；一層背電極，該背電極形成在該基板的一個(gè)表面；一層第一型半導(dǎo)體層，該第一型半導(dǎo)體層形成在該背電極的表面；一層第二型半導(dǎo)體層，該第二型半導(dǎo)體層形成在該第一型半導(dǎo)體層的表面；一層碳納米管膜層，該碳納米管膜層形成在該第二型半導(dǎo)體層的表面。此外，本發(fā)明還提供了一種制造上述太陽(yáng)能電池的方法。
文檔編號(hào)H01L31/045GK101527328SQ20081030046
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者陳杰良 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司