具有量子阱结构的碲化镉薄膜太阳能电池及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及太阳能电池和具有量子阱结构的薄膜太阳能电池及其制造方法，特别 是具有量子阱结构的蹄化簡薄膜太阳能电池结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 自从法国科学家AE.Becquerel在1839年发现光电转换现象W后，1883年第一个 W半导体砸为基片的太阳能电池诞生。1946年Russell获得了第一个太阳能电池的专利 扣S. 2, 402, 662)，其光电转换效率仅为1 %。直到1954年，贝尔实验室的研究才发现了渗杂 的娃基材料具有高的光电转换效率。该个研究为现代太阳能电池工业奠定了基础。在1958 年，美国化ffman电力公司为美国的卫星装上了第一块太阳能电池板，其光电转换效率约 为6%。从此，单晶娃及多晶娃基片的太阳能电池研究和生产有了快速的发展，2006年太阳 能电池的产量已经达到2000兆瓦，单晶娃太阳能电池的光电转换效率达到24. 7%，商业产 品达到22. 7%，多晶娃太阳能电池的光电转换效率达到20. 3%，商业产品达到15. 3%。
[0003] 另一方面，1970年苏联的化ores Alferov研制了第一个GaAs基的高效率III-V 族太阳能电池。由于制备III-V族薄膜材料的关键技术M0CVD(金属有机化学气相沉积） 直到1980年左右才被成功研发，美国的应用太阳能电池公司在1988年成功地应用该技术 制备出光电转换效率为17%的GaAs基的III-V族太阳能电池。其后，W GaAs为基片的 III-V族材料的渗杂技术，多级串联太阳能电池的制备技术得到了广泛的研究和发展，其 光电转换效率在1993年达到19%，2000年达到24%，2002年达到26%，2005年达到28%， 2007年达到30%。2007年，美国两大III- V族太阳能电池公司血core和Spect;roL油生产 了高效率III-V族太阳能商业产品，其光电转换率达38%，该两家公司占有全球III-V族太 阳能电池市场的95%，最近美国国家能源研究所宣布，他们成功地研发了其光电转换效率 高达50%的多级串联的III-V族太阳能电池。由于该类太阳能电池的基片昂贵，设备及工 艺成本高，主要应用于航空、航天、国防和军工等领域。
[0004] 国外的太阳能电池研究和生产，大致可W分为S个阶段，即有S代太阳能电池。
[0005] 第一代太阳能电池，基本上是W单晶娃和多晶娃基单一组元的太阳能电池为代 表。仅注重于提高光电转换效率和大规模生产，存在着高的能耗、劳动密集、对环境不友善 和高成本等问题，其产生电的价格约为煤电的3倍；直至2014年，第一代太阳能电池的 产量仍占全球太阳能电池总量的80-90%。
[0006] 第二代太阳能电池为薄膜太阳能电池，是近几年来发展起来的新技术，它注重于 降低生产过程中的能耗和工艺成本，专家们称其为绿色光伏产业。与单晶娃和多晶娃太阳 能电池相比，其薄膜高纯娃的用量为其的1 %，同时，低温（大约200°C左右）等离子增强型 化学气相沉积沉积技术，电锻技术，印刷技术被广泛地研究并应用于薄膜太阳能电池的生 产。由于采用低成本的玻璃、不诱钢薄片，高分子基片作为基板材料和低温工艺，大大降低 了生产成本，并有利于大规模的生产。目前已成功研发的薄膜太阳能电池的材料为；CdTe， 其光电转换效率为16. 5%，而商业产品约为12%左右；化lnGaSe(CIG巧，其光电转换效率 为19. 5%，商业产品为12%左右；非晶娃及微晶娃，其光电转换效率为8. 3~15%，商业产 品为7~12%，近年来，由于液晶电视的薄膜晶体管的研发，非晶娃和微晶娃薄膜技术有了 长足的发展，并已应用于娃基薄膜太阳能电池。围绕薄膜太阳能电池研究的热点是，开发高 效、低成本、长寿命的光伏太阳能电池。它们应具有如下特征；低成本、高效率、长寿命、材料 来源丰富、无毒，科学家们比较看好非晶娃薄膜太阳能电池。目前占最大份额的薄膜太阳能 电池是非晶娃太阳能电池，通常为pin结构电池，窗口层为渗棚的P型非晶娃，接着沉积一 层未渗杂的i层，再沉积一层渗磯的N型非晶娃，并锻电极。专家们预计，由于薄膜太阳能 电池具有低的成本，高的效率，大规模生产的能力，在未来的10~15年，薄膜太阳能电池将 成为全球太阳能电池的主流产品。
[0007]非晶娃电池一般采用阳CVD(PlasmaEnhancedQiemicalVaporDeposition-等 离子增强型化学气相沉积）方法使高纯硅烷等气体分解沉积而成的。此种制作工艺，可W 在生产中连续在多个真空沉积室完成，W实现大批量生产。由于沉积分解温度低，可在玻 璃、不诱钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。在玻璃衬底 上制备的非晶娃基太阳能电池的结构为：G1ass/TCO/p-a-SiC/i-a-Si/n-a-Si/TC0，在不 诱钢衬底上制备的非晶娃基太阳能电池的结构为；SS/aiO/n-a-Si/i-a-Si/p-na-SizlTO。 [000引国际公认非晶娃/微晶娃叠层太阳能电池是娃基薄膜电池的下一代技术，是实现 高效低成本薄膜太阳能电池的重要技术途径，是薄膜电池新的产业化方向。微晶娃薄膜 自从1968年被Veprek和Maracek采用氨等离子化学气相沉积在600°C首次制备W来，人 们开始对其潜在的优良性能有了初步认识，直到1979年，日本的化ui和Kikuchi通过采 用极高的氨娃比的工艺方法和低温等离子增强化学气相沉积技术，制备出渗杂微晶娃，人 们才逐渐对微晶娃材料及其在太阳能电池中的应用进行研究。1994年，瑞±Neuch扣el M.J.Williams和M.Faraji团队首次提出W微晶娃为底电池，非晶娃为顶电池的叠层电池 的概念，该种电池结合了非晶娃优良特性和微晶娃的长波响应及稳定性好的优点。2005年 日本S菱重工和钟渊化学公司的非晶娃/微晶娃叠层电池组件样品效率分别达到11. 1% (40cmX50cm)和13. 5% (91cmX45cm)。日本夏普公司2007年9月实现非晶娃/微晶娃 叠层太阳能电池产业化生产（25MW，效率8% -8. 5% )，欧洲Oerl化on(欧瑞康）公司2009 年9月宣布其非晶/微晶叠层太阳能电池实验室最高转换效率达11. 9%、在2010年6于 横滨开幕的太阳能电池展会"PVJapan2010"上，美国应用材料（AMAT)宣布0.ImXO.Im模 块的转换效率达到了 10.l%，1.3mXl.Im模块的转换效率达到了 9.9%。提高电池效率最 有效的途径是尽量提高电池的光吸收效率。对娃基薄膜而言，采用窄带隙材料是必然途径。 如化i-Solar公司采用的窄带隙材料为a-SiGe(非晶娃错）合金，他们的a-Si/a-SiGe/ a-SiGeS结叠层电池，小面积电池（0. 25cm2)效率达到15. 2 %，稳定效率达13 %，900cm2组 件效率达11. 4 %，稳定效率达10. 2 %，产品效率达7 % -8 %。
[0009] 对于薄膜太阳能电池而言，一个单结的，没有聚光的娃电池，理论上最大光电转化 效率为31% (化ockley-Queisser限制）。按照带隙能量减少的的顺序，双结的没有聚光 的娃电池，理论上最大光电转化效率可增加到41 %，而=结的可达到49%。因此，发展多结 薄膜太阳能电池是提升太阳能电池效率的重要途径。对于蹄化簡薄膜太阳能电池，与蹄化 簡相匹配的高或低带隙材料的烙点很低，且不稳定，难W形成多结高效串联太阳能电池。对 于CIGS薄膜太阳能电池，与CIGS相匹配的高或低带隙材料难W制备，也不易形成多结高效 串联太阳能电池。对于娃基薄膜太阳能电池，晶体娃和非晶娃的带隙为1.lev和1. 7eV的， 而纳米娃的带隙依据晶粒尺寸的大小可在1.lev和1. 7eV之间变化。Si系化合物，如晶体 Sil-xGex带隙（0《X《1)依据Ge的浓度可从1.leV变到0. 7eV，而非晶SiGe可在1. 4， 非晶SiC约1. 95eV，该种组合正好是与太阳的光谱相匹配。
[0010] 在另一方面，如何充分地吸收光能，提高太阳能电池的光电转化效率，让尽可能多 的电子能被光激发而转变为电能，该样，电池材料的能级匹配和少的缺陷是致关重要的。从 技术层面来说，薄膜沉积的技术难点在于实现高速沉积的同时保证薄膜的高质量和均匀 性，因为薄膜晶粒尺寸，晶粒生长过程及生长的基底材料都对薄膜的质量和均匀性有强烈 的影响，从而影响整个电池性能表现。在薄膜晶粒生长过程中，由于晶粒的异常长大，导致 晶粒大小不均匀，极易形成孔洞和裂缝。充斥于薄膜中的孔洞和裂缝增加了载流子的复合， 并且导致漏电流，严重降低了Voc和FF值。因此，解决该一技术难题，是制备高效薄膜太 阳能电池的重要途径。
[0011] 我们在专利化200910043930-4,化200910043931-9 和化200910226603-2 中已经 从技术方面，制造了高效率的a-Si/yC-Si，和a-Si/nC-Si/yC-Si双结和S结娃基薄膜 太阳能电池，高密度（皿）和超高频（VHF)-PECVD技术已经开发并用于了高