專利名稱：制造光電元件的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及可再生能源領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及制造光電池及其組件的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
采用硅基光電池將光轉(zhuǎn)化為電能距今已有近七十年的歷史。1946年6月25日授權(quán)的美國專利USM02662(申請日1941年5月27日)描述了一種由兩段相同的硅錠制成的裝置，其中一段硅錠是柱狀結(jié)構(gòu)，另一段硅錠是非柱狀結(jié)構(gòu)，兩段硅錠熔接形成“感光電氣裝置”。1%4年，貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在硅錠段中摻入如硼、磷等不同的雜質(zhì)，并將其相互熔接，可使裝置的感光性更高。用于制造光電(PV)電池或太陽能產(chǎn)業(yè)中通常所稱的太陽能電池的最常用材料是準(zhǔn)金屬“硅”，硅在宇宙中的儲量排在第八位，它是地殼中第二豐富的元素(僅次于氧)，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的25. 7%。制造硅基太陽能光電池最常見的方法是將晶硅錠或晶硅棒切成薄片。一個(gè)硅棒含有微量硼或其它的第三族受體作為雜質(zhì)，成為P型(正電型)材料，另一個(gè)硅棒含有微量磷或其它的第五族施體作為雜質(zhì)，成為N型(負(fù)電型)材料。將每個(gè)硅棒的薄片熔接并對其作進(jìn)一步處理，所形成的半導(dǎo)體裝置被稱作光電池。常規(guī)的PV電池的制造過程非常繁復(fù)，具有多個(gè)步驟，例如將硅棒鋸成片狀、研磨薄片表面、腐蝕薄片表面、將其熔接等等。硅片的實(shí)際尺寸受限于硅棒的尺寸，長期以來已經(jīng)從25. 4毫米(1英寸)發(fā)展為300毫米(11.8英寸)。當(dāng)今，人們正致力于將硅片尺寸從 300毫米增至450毫米(17. 7英寸)。在1987年4月觀日授權(quán)的美國專利US4661200中首先介紹出一種更新的制造硅基太陽能PV電池的方法，其名稱是“晶線穩(wěn)定硅帶生長”，隨后，1987年8月25日授權(quán)的美國專利US4689109介紹一種引發(fā)或引晶晶硅帶或多晶硅帶生長的方法。該方法是牽引兩條晶線或晶絲通過硅熔體的淺坩堝，如同牽引鑄件壁通過皂液一樣，硅熔體填滿二者之間的空隙，從而形成薄“硅帶”。該方法省略了將固體硅錠或硅棒切成硅片的步驟，繼而使在切割過程中產(chǎn)生的巨大硅材料損耗降低45%。線帶硅片工藝可高效地生產(chǎn)太陽能電池，并可節(jié)省大量的時(shí)間和材料。其重要性在于降低太陽能成本，從而使其與大規(guī)模生產(chǎn)電力現(xiàn)有的以碳為基礎(chǔ)的方法相比更具成本競爭力。但是，在兩條晶線中固化硅帶的生產(chǎn)規(guī)模顯然具有局限性，這阻礙了太陽能產(chǎn)業(yè)不再僅僅作為一種替代能源，而是成為當(dāng)今世界主要能源的飛躍性進(jìn)展。制造鋼板或鋁板的連鑄工藝通常采用雙輥鑄軋(有時(shí)也稱為鼓鑄)。這種概念最初在1865年7月25日申請的美國專利US49053中提出，其專利名稱為“鋼鐵制造中的改進(jìn)”。但直到二十一世紀(jì)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確配比液態(tài)金屬池的入料率和旋轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，這種技術(shù)的潛力才得到充分發(fā)揮。如雙輥鑄軋等連鑄方法可高效生產(chǎn)大量較薄的金屬材料。
凱勒等人在美國專利US4108714中公開了由流經(jīng)互相隔開的輥的輥距中的熔融硅液來制造用于生產(chǎn)太陽能電池的寬帶硅片材料。但是，采用這種方法制造太陽能電池須對兩片這種材料進(jìn)行一些額外的加工步驟，其中包括涂覆薄片、研磨薄片表面、腐蝕薄片表面以及將其熔接，用來產(chǎn)生所需的P-N結(jié)。這就需要一種能夠大批量制造具有P-N結(jié)的光電元件的系統(tǒng)和方法，該方法比現(xiàn)有技術(shù)更更具成本效益。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠大批量制造具有P-N結(jié)的光電元件的方法，該方法比現(xiàn)有技術(shù)更具成本效益。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的另一目的在于提供一種更節(jié)約成本的制造硅基太陽能光電池的方法，該方法是通過連續(xù)澆鑄大片硅片并使其穿過兩個(gè)相對反向旋轉(zhuǎn)的鑄軋輥間的狹小間隙。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的再一目的在于使?jié)沧⑶辉趦奢侀g縱向分隔成兩側(cè)，一側(cè)填充P型硅，而另一側(cè)填充N型硅，并在硅片穿出兩個(gè)相對反向旋轉(zhuǎn)的鑄軋輥間的狹小間隙之前就將相對的正在凝固的硅片冶金接合，由此，生產(chǎn)冶金結(jié)合的太陽能光電池僅需一個(gè)步驟。為了實(shí)現(xiàn)上述目的以及本發(fā)明的其他目的，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，制造光電元件的方法包括采用連鑄工藝同時(shí)形成第一 N型材料層和第二 P型材料層；并且連續(xù)接合第一及第二層，形成P-N結(jié)。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，制造光電元件的方法包括下列步驟向一連鑄模供應(yīng)熔融的N型材料；向該連鑄模供應(yīng)熔融的P型材料；并且利用該連鑄模由熔融的N型材料和熔融的P型材料連續(xù)鑄造一具有P-N結(jié)的光電元件。本發(fā)明的特征在于這些和其他各種優(yōu)勢和新穎性特點(diǎn)，這將在隨后的權(quán)利要求部分中特別指出。然而，為了更好地理解本發(fā)明、優(yōu)勢及其應(yīng)用中所達(dá)到的目標(biāo)，還應(yīng)參考另一部分對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說明和描的附圖及其具體描述。


圖1是用于制造根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施方案構(gòu)造的光電元件系統(tǒng)的圖解描述；圖2是如圖1所示實(shí)施方案中的鑄模組件的圖解描述；圖3是用于制造根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施方案構(gòu)造的光電元件系統(tǒng)的圖解描述；圖4是用于制造根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的光電元件系統(tǒng)的圖解描述；圖5是用于制造根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施方案的光電元件系統(tǒng)和方法的圖解描述。
具體實(shí)施例方式參照附圖，所有圖示中的同一標(biāo)號標(biāo)明對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，特別是參照圖1，用于制造光電元件的系統(tǒng)10包括連鑄模12、用于向連鑄模12供應(yīng)熔融的N型材料的第一澆口盤14以及用于向連鑄模12供應(yīng)熔融的P型材料的第二澆口盤16。下面對其進(jìn)行更詳細(xì)的描述，特別是參照圖2，構(gòu)建和設(shè)置系統(tǒng)10的目的在于通過采用連鑄工藝同時(shí)形成第一 N型材料層50和第二 P型材料層52，所述材料層冶金結(jié)合， 從而連續(xù)形成一具有P-N結(jié)的光電元件48。如圖1所示，系統(tǒng)10包括豎直導(dǎo)輥架18，該導(dǎo)輥架用于從連鑄模12接受光電元件 18并將其豎直導(dǎo)向下方。系統(tǒng)10還包括彎輥元件20、彎輥架22和矯直輥架M，它們用于逐步使光電元件48重新定向，使鑄件由豎直方向變?yōu)樗椒较颉Ｋ捷伡苌驅(qū)⒄墓怆娫?8導(dǎo)入切割塑形組件觀，將其分成小片以便組裝成光電池。優(yōu)選地，系統(tǒng)10在達(dá)到水平位置前的曲率半徑較大(至少10米)。沿傳輸路徑規(guī)律間隔的一系列驅(qū)動(dòng)輥對可用來支撐由連鑄模12中輸出的光電元件的重量并控制其卸料速度。參照圖2，可以看出連鑄模12優(yōu)選包括第一模腔30和第二模腔32，通過隔板38 使第二模腔32與第一模腔30分開。相應(yīng)地，連鑄模12被隔板38縱向分隔。構(gòu)建和設(shè)置第一模腔30用于容納從第一澆口盤14接到的熔融的N型材料34，該第一模腔30部分由第一鑄軋輥44構(gòu)成。構(gòu)建和設(shè)置第二模腔32用于容納從第二澆口盤 16接到的熔融的P型材料36，該第二模腔32部分由第二鑄軋輥46構(gòu)成。澆鑄喉管37是指在連鑄模12下部、兩個(gè)鑄軋輥44，46之間的空隙。第一鑄軋輥44優(yōu)選采用液冷式，如圖2所示，采用以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的安裝方式。 第二鑄軋輥同樣優(yōu)選采用液冷式，如圖2所示，采用以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的安裝方式。優(yōu)選地，熔融的N型材料34是由摻入如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)等已知的N型摻雜添加劑的熔融硅制得。優(yōu)選地，熔融的P型材料36是由摻入硼(B)、鋁(Al)或鎵(Ga) 等已知的P型添加劑的熔融硅制得。分別可將任何已知的N型或P型摻雜劑用于熔融的N 型材料34或熔融的P型材料36。優(yōu)選地，將基板硅材料在如電弧爐等熔爐中進(jìn)行加熱，使已經(jīng)部分凈化的硅?；蚬桢V變成熔融狀態(tài)。然后，優(yōu)選地，將其傳送至另一個(gè)熔爐中進(jìn)行最后的提煉及摻雜，然后分別將N型和P型熔融材料34，36輸送至系統(tǒng)10中各自的澆包內(nèi)。在系統(tǒng)10中，分別將 N型和P型熔融材料34，36從澆包注入各自的澆口盤14，16，從而浮除耐熔雜質(zhì)。然后，分別將N型和P型熔融材料34，36從澆口盤14，16注入各自的第一及第二模腔30，32。隔板38的最底端是錐形尖端，該尖端緊鄰澆鑄喉管37，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述隔板具有加熱元件42，優(yōu)選為電阻型加熱元件。在操作中，使用連鑄模12連續(xù)地將具有P-N結(jié)58的光電元件48制成具有N層50 和P層52的薄帶。第一模腔30中熔融的N型材料通過接觸第一鑄軋輥44逐步冷卻，形成半凝固片M，其厚度隨著接近澆鑄喉管37而逐漸增加。同時(shí)，第二模腔32中熔融的P型材料通過接觸第二鑄軋輥46逐步冷卻，形成半凝固片56，其厚度隨著接近澆鑄喉管37而逐漸增加。優(yōu)選地，通過隔板38的錐形底端40旁的加熱器加熱各個(gè)半凝固片M，56的內(nèi)表面。然后通過鑄軋輥44，46在澆鑄喉管37將半凝固片M，56軋壓在一起，從而在其內(nèi)表面間形成連續(xù)的冶金結(jié)合，形成具有有效P-N結(jié)58的一體光電元件48。在第一及第二層50，52仍處于連鑄過程的高溫時(shí)，進(jìn)行用來形成P-N結(jié)58的所述第一及第二層50，52的連續(xù)接合。通過利用加熱器40加熱各個(gè)層50，52的內(nèi)表面，在第一及第二層50，52的其中一層的至少一部分是半熔融狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行用來形成P-N結(jié)58的所述第一及第二層50，52的連續(xù)接合，其中所述半熔融狀態(tài)有利于形成層50，52間的冶金結(jié)合。通過調(diào)節(jié)各個(gè)鑄軋輥44，46所提供的冷卻，可調(diào)節(jié)第一及第二層50，52的各層的厚度。例如，鑄軋輥46中循環(huán)的冷卻劑多于鑄軋輥44中的冷卻劑，形成的半凝固片56的厚度會大于片54，從而形成的P層52會比N層50更厚。作為選擇，可不通過加熱器42來進(jìn)行上述過程，或者配置加熱器42，使其僅向各個(gè)半凝固片討，56的內(nèi)表面提供熱量。但是，由于加熱器42可增進(jìn)層50，52間形成穩(wěn)固的冶金結(jié)合，所以應(yīng)優(yōu)選使用加熱器42。此外，加熱器42的退火效應(yīng)可減輕臨近P-N結(jié)58發(fā)生的結(jié)晶無序，從而提高光伏發(fā)電效率。為了進(jìn)一步減少結(jié)晶無序并提高效率，也可能在連鑄模12的下方對一層或多層光電元件的層50，52進(jìn)行加熱。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案構(gòu)建用于制造光電元件的系統(tǒng)60。系統(tǒng)60包括第一及第二澆包62，64，所述澆包適用于分別將熔融的N型材料和熔融的P型材料送入第一及第二澆口盤66，68。在第二個(gè)實(shí)施方案中，同樣優(yōu)選對硅材料進(jìn)行加熱，使已經(jīng)部分凈化的硅粒或硅錠變成熔融狀態(tài)。然后，優(yōu)選地，將其傳送至另一個(gè)熔爐中進(jìn)行最后的提煉及摻雜，然后分別將N型和P型熔融材料送至系統(tǒng)60中各自的澆包62，64內(nèi)。第一及第二澆口盤66，68適用于各自通過分配噴嘴70，72分別將熔融的N型及P 型材料連續(xù)送入連鑄模12的第一及第二模腔30，32，其中，另外構(gòu)建的連鑄模12與上述第一個(gè)實(shí)施方案的連鑄模12結(jié)構(gòu)相同。通過切割塑形組件觀切割并成形光電元件48，將其分成小片，在此之后，利用已知常規(guī)方法，光電元件48的一個(gè)表面可接合防反射涂層82和導(dǎo)體帶84，另一表面可接合導(dǎo)電金屬墊板86，以此來完成光電池80的組裝。如圖4所示，透明蓋板88可固定在防反射涂層82的頂部。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，雙帶澆鑄系統(tǒng)90可代替鑄軋系統(tǒng)10 用來連續(xù)制造光電元件48。優(yōu)選地，雙帶澆鑄系統(tǒng)90包括用于澆鑄N型片94的第一帶鑄組件92以及用于澆鑄P型片98的第二帶鑄組件96。第一帶鑄組件92包括繞輥輪102，104 運(yùn)動(dòng)的第一上鑄帶100以及繞輥輪108，110運(yùn)動(dòng)的第一下鑄帶106。第二帶鑄組件包括繞輥輪114，116運(yùn)動(dòng)的第二上鑄帶112以及繞輥輪120，122運(yùn)動(dòng)的第二下鑄帶118。下鑄帶106，118受輥輪110，120牽制形成澆鑄喉管，其中片94，98的內(nèi)表面被軋壓在一起，從而促進(jìn)片94，98的冶金結(jié)合。在雙帶澆鑄中，片94，98的初始凝固一次發(fā)生在各自的下帶106，118，一次發(fā)生在各自的上帶100，112，這兩個(gè)片94，98由片的液心持續(xù)生長，直至它們在中心相接。可以通過調(diào)節(jié)各帶的溫度來調(diào)節(jié)任意片94，98的任意一側(cè)的厚度。此外，通過分別保持上帶100， 112的熱度，為了形成光電元件48而與其它片接合的各片的接合側(cè)可保持柔軟的半熔融狀態(tài)，從而促進(jìn)冶金結(jié)合。優(yōu)選地，還設(shè)置加熱和導(dǎo)向元件124，該元件包括熱源，例如用于為片94，98的其中一片或兩片的上表面施加額外熱量的電阻加熱器。加熱和導(dǎo)向元件124進(jìn)一步軟化或重新熔化片的上表面，這會進(jìn)一步促進(jìn)冶金結(jié)合。通過保持帶100，112的熱度和/或采用加熱和導(dǎo)向元件IM來防止每側(cè)的上側(cè)片生長過快，還可能利用系統(tǒng)90在水平或接近水平的配置中進(jìn)行連續(xù)澆鑄。
然而，應(yīng)當(dāng)理解，雖然在以上描述中對本發(fā)明的許多特征和優(yōu)勢及其結(jié)構(gòu)和功能的詳細(xì)信息進(jìn)行了說明，但本發(fā)明所公開的內(nèi)容僅供說明，在充分遵循附加的權(quán)利要求書所概括的發(fā)明原則的情況下，細(xì)節(jié)特別是零件的形狀，尺寸和布置可以有所變化。
權(quán)利要求
1.一種制造光電元件的方法，包括利用連鑄工藝同時(shí)形成第一 N型材料層和第二 P型材料層；并且連續(xù)接合所述第一及第二層，從而形成P-N結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造光電元件的方法，其中所述的用來形成P-N結(jié)的所述第一及第二層的連續(xù)接合步驟在第一及第二層仍處于高溫時(shí)進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造光電元件的方法，其中所述的用來形成P-N結(jié)的所述第一及第二層的連續(xù)接合步驟在第一及第二層其中之一的至少一部分是半熔融狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造光電元件的方法，進(jìn)一步包括步驟對所述第一及第二層中的至少一層的至少一個(gè)表面進(jìn)行補(bǔ)償加熱，使該表面接合到所述第一及第二層中另一層的一面，從而用來形成P-N結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造光電元件的方法，其中所述的利用連鑄工藝同時(shí)形成第一 N型材料層和第二 P型材料層的步驟利用連鑄模來實(shí)現(xiàn)，所述連鑄模包括容納熔融的 N型材料的第一模腔、容納熔融的P型材料的第二模腔以及隔開所述第一及第二模腔的隔板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造光電元件的方法，其中所述的同時(shí)形成第一N型材料層和第二 P型材料層的步驟利用連鑄機(jī)來實(shí)現(xiàn)，所述連鑄機(jī)包括第一鑄軋輥，所述第一鑄軋輥用于成形并冷卻所述第一及第二層的其中一層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造光電元件的方法，其中所述的同時(shí)形成第一N型材料層和第二 P型材料層的步驟進(jìn)一步利用第二鑄軋輥來實(shí)現(xiàn)，所述第二鑄軋輥用于成形并冷卻所述第一及第二層的另一層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造光電元件的方法，其中至少所述N型材料和所述P型材料中的一種材料包含硅。
9.一種制造光電元件的方法，包括向一連鑄模供應(yīng)熔融的N型材料；向該連鑄模供應(yīng)熔融的P型材料；并且利用所述連鑄模由所述熔融的N型材料及所述熔融的P型材料連續(xù)鑄造一具有P-N結(jié)的光電元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造光電元件的方法，其中，所述的供應(yīng)該熔融的N型材料的步驟利用第一澆口盤來實(shí)現(xiàn)；所述的供應(yīng)該熔融的P型材料的步驟利用第二澆口盤來實(shí)現(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造光電元件的方法，其中，所述的供應(yīng)該熔融的N型材料的步驟通過向該連鑄模的第一模腔供應(yīng)該熔融的N型材料來實(shí)現(xiàn)；所述的供應(yīng)該熔融的P 型材料的步驟通過向該連鑄模的第二模腔供應(yīng)該熔融的P型材料來實(shí)現(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造光電元件的方法，其中所述的連續(xù)鑄造一具有P-N結(jié)的光電元件的步驟可通過利用集成到所述連鑄模的第一鑄軋輥將熔融的N型材料及熔融的P 型材料中的一種材料成形和冷卻成為第一半固態(tài)片來實(shí)現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造光電元件的方法，其中所述的連續(xù)鑄造具有P-N結(jié)的光電元件的步驟進(jìn)一步通過利用第二鑄軋輥將熔融的N型材料及熔融的P型材料中的另外一種材料成形和冷卻成為第二半固態(tài)片來實(shí)現(xiàn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造光電元件的方法，其中所述的連續(xù)鑄造具有P-N結(jié)的光電元件的步驟進(jìn)一步通過將所述第一及第二半固態(tài)片軋壓在一起從而形成接合的P-N 結(jié)來實(shí)現(xiàn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制造光電元件的方法，其中所述的將所述第一及第二半固態(tài)片軋壓在一起從而形成接合的P-N結(jié)的步驟通過第一及第二鑄軋輥來實(shí)現(xiàn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造光電元件的方法，其中所述的連續(xù)鑄造具有P-N結(jié)的光電元件的步驟進(jìn)一步通過向所述第一及第二半固態(tài)片中的至少一片的反向于各自鑄軋輥的一個(gè)表面施加額外的熱量來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種制造光電元件的方法包括下列步驟采用連鑄工藝同時(shí)形成第一N型材料層和第二P型材料層，并且連續(xù)接合第一及第二層，形成P-N結(jié)。所述方法可以利用具有連鑄模的雙輥連鑄系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述連鑄模包括用來接收熔融的N型材料的第一模腔以及用來接收熔融的P型材料的第二模腔。所述熔融的N型材料和熔融的P型材料逐步凝固為半固態(tài)片并由對置的鑄軋輥軋壓在一起，形成N型材料及P型材料件的冶金結(jié)合，從而形成有效的P-N結(jié)。所述方法能夠大批量地高效生產(chǎn)光電元件。
文檔編號H01L31/042GK102473793SQ201080033498
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者詹姆斯·B·西爾斯 申請人:詹姆斯·B·西爾斯