专利名称：一种硅基薄膜太阳能电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅基薄膜太阳能电池，本发明还涉及该硅基薄膜太 阳能电池的制作方法。
背景技术：
基于半导体硅材料的太阳能电池制作技术成熟，同时也己经获得广 泛的应用。这类太阳能电池可以分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能 电池和薄膜硅太阳能电池三种。多晶规、单晶硅太阳能电池大规模生产
时的光电效率为15%-18%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位， 但由于高纯硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料， 发展了硅薄膜太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能能电池一般采用化学气相 沉积技术在透明导电玻璃上沉积非晶硅薄膜，并结合惨杂技术完成PIN
结制作。当前遇到的主要难题是1)非晶硅薄膜太阳能电池光电转换
效率低，想进一步显著提高已经非常困难，同时还存在老化，稳定想差 等缺点。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于
非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换 效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据 主导地位。但是采用常规技术在玻璃衬底上，沉积多晶硅薄膜沉积非常 困难，目前还没有实现真正意义上的多晶硅薄膜太阳能电池产业化。结 合叠层结构，采用微晶硅薄膜技术虽然可以提高硅基薄膜太阳能电池的 光电转换效率，但是大面积微晶硅的快速沉积也很困难。
我们知道，由两种禁带宽度不同的半导体材料相接触而形成的接触 过渡区称异质结。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异 质结(P-p结或N-n结)和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异 质结构。通常形成异质结的条件是两种半导体有相似的晶体结构、相 近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技 术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能 达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池 以及半导体激光器等。非晶硅具有1.7eV的直接光学带隙，明显大于结 晶硅的1.2eV。所以如果利用导电类型互补的非晶硅和多晶硅就可以形 成异质PN结制作太阳能电池，该异质PN结可以充分利用光学带隙差异 互补的特点，显著提高电池的光电转换效率。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种光电转换效率高、成 本低廉的硅基薄膜太阳能电池。本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种操作简单可靠、生产 成本低廉的硅基薄膜太阳能电池的制作方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的硅基薄膜太阳能电池，在透
明导电玻璃上设有一层厚度为50 200纳米的P型非晶硅薄膜，在所述 的P型非晶硅薄膜上沉积有一层厚度为5-50微米的N型颗粒硅+透明无 机氧化物复合膜，所述的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜由纯度超 过6N、导电类型为N型、电阻率为0.5 10Q.cm的多晶硅为原料制备 成平均颗粒度为2.0 20微米的N型多晶硅微粉且按硅质量百分比为 30 90%的比例和无机氧化物溶液混合而成，在所述的N型颗粒硅+透明 无机氧化物复合膜上设有一层银背电极或铝背电极。
所述的无机氧化物为ZnO或Ti02的胶体或者纳米晶。 制作硅基薄膜太阳能电池的方法，(1)、以透明导电玻璃为衬底沉 积一层厚度为50 200纳米P型非晶硅薄膜，衬底温度为100 400。C; (2)、以纯度超过6N、导电类型为N型、电阻率为0.5 10Q.cm的多 晶硅为原料制备成平均颗粒度为2.0 20微米的N型多晶硅微粉，按硅 质量百分比为30 90%的比例，混合N型多晶硅微粉和无机氧化物，得 到N型层复合液态浆料，(3)、采用喷涂或印刷结合退火工艺将N型层 复合液态浆料沉积在P型非晶硅薄膜上，形成一层厚度为5-50微米的N 型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜，(4)在N型颗粒硅+透明无机氧化物 复合膜上采用磁控溅射工艺或丝网印刷结合烧结工艺制作厚度为的银 背电极或铝背电极，完成该复合薄膜太阳能电池基本制作。
上述步骤(3)中采用喷涂将N型层复合液态浆料沉积在P型非晶硅薄 膜上的衬底温度为300 — 500。C，气氛为大气氛围。
上述步骤(3)中采用印刷结合退火工艺将N型层复合液态浆料沉积 在P型非晶硅薄膜上的退火温度为300 — 50(TC，气氛为大气氛围。 所述的无机氧化物为ZnO或Ti02的胶体或者纳米晶。 采用上述技术方案的硅基薄膜太阳能电池及其制作方法，P型非晶 硅薄膜的沉积工艺完全和现有非晶硅薄膜太阳能电池制作工艺兼容，主 要采用等离子体增强化学气相沉积、或者等离子体增强物理气相沉积技 术在透明导电玻璃上沉积一层厚度大约为50-200纳米的P型非晶硅薄 膜，衬底温度一般维持100°C—400°C。以高纯(纯度〉5N) N型多晶硅 为原料，采用气流粉碎技术可以制备N型多晶硅微米颗粒粉末，硅粉末 的平均颗粒度在2.0 20微米范围内，接着按硅质量百分比为30 90% 的比例，混合高纯N型硅粉和高阻ZnO或Ti02液态胶体或者纳米晶溶液， 得到N型层的复合液态浆料。采用喷涂、印刷等成膜工艺结合退火处理 在P型非晶硅层上沉积一层厚度大约为5-50微米的N型颗粒硅复合膜 层， 一般退火温度小于500°C;在该复合薄膜层上，采用真空镀膜、印 刷或者喷涂工艺制作银或者铝背电极，形成复合硅基薄膜太阳能电池基 本结构。本发明和常规薄膜太阳能电池相比，存在如下创新之处
1、 该太阳能电池引入了多晶硅/非晶硅异质PN结概念，选择带隙较
宽的P型非晶硅作为窗口层，采用N型多晶硅和P型非晶硅形成PN结，
该设计有利于太阳光的充分吸收和利用，从而提高电池的光电转换效率。
2、 该太阳能电池引入了复合N型层概念，采用N型多晶硅颗粒和诸 如ZnO、 Ti02等宽带隙N型氧化物半导体复合材料。
3、 采用块体高纯多晶规破碎技术，得到高纯多晶规粉末，并和ZnO、 Ti02等胶体纳米晶溶液或者液态前驱体混合，采用喷涂或者印刷等廉价 成膜技术获得复合N型层。
和常规硅基薄膜太阳能电池相比，本发明提出的太阳能电池具有如 下优势
1、 较高的光电转换效率非晶硅/多晶硅异质PN结结构，使得复合 薄膜太阳能电池光电转换效率将明显超过非晶硅薄膜太阳能电池的6% 一8%，预计可以超过10%。
2、 成本低廉复合薄膜太阳能电池中的P型非晶硅厚度不超过200 纳米，现有PECVD工艺非常成熟，N型多晶硅层的沉积采用的是喷涂、 印刷工，，而不是复杂、昂贵高温CVD技术，预计生产成本目前可降到 0. 5美元/Wp。
上述独特的技术优势，将令该复合硅基薄膜硅电池具有广阔的应用 前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源。
图1是本发明的硅基薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 参见图1，在透明导电玻璃4上设有一层厚度为50 200纳米的P 型非晶硅薄膜3，在P型非晶硅薄膜3上沉积有一层厚度为5-50微米的 N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜2， N型颗粒硅+透明无机氧化物复 合膜2由纯度超过6N、导电类型为N型、电阻率为0.5 10Q.cm的多 晶硅为原料制备成平均颗粒度为2.0 20微米的N型多晶硅微粉且按硅 质量百分比为30 90%的比例和无机氧化物溶液混合而成，在N型颗粒 硅+透明无机氧化物复合膜2上设有一层银背电极或铝背电极1。 实施例1:
清洗透明导电玻璃4，采用常规PECVD技术在以透明导电玻璃4作 衬底沉积一层B掺杂的P型非晶硅薄膜3，衬底温度为300'C，非晶硅 薄膜3厚度为100纳米；以纯度为6N、导电类型为N型、电阻率为O. 5 Q.cm的多晶硅为原料，采用气流粉碎技术制备N型多晶硅微粉，硅颗 粒的平均颗粒度为2微米，接着按硅质量百分比为30%的比例，混合高 纯N型硅粉和ZnO纳米晶溶液，得到N型层复合液态浆料；采用粉末喷
5涂的工艺将N型层复合液态浆料沉积在P型非晶硅薄膜3上形成一层厚 度为5微米的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜4，衬底温度为300°C， 气氛为大气氛围；最后在该N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜4上， 采用磁控溅射工艺沉积一层厚度为500纳米的银背电极1，完成该复合 薄膜太阳能电池基本制作。 实施例2:
清洗透明导电玻璃4，采用常规PECVD技术在以透明导电玻璃4作 衬底上沉积一层B掺杂的P型非晶硅薄膜3，衬底温度为10(TC， P型非 晶硅薄膜3厚度为50纳米。以纯度超过5N，导电类型为N型，电阻率 为l.OQ.cm的多晶硅为原料，采用气流粉碎技术制备N型多晶硅微粉， 硅颗粒的平均颗粒度为IO微米。接着按硅质量百分比为50%的比例，混 合高纯N型硅粉和Ti02纳米晶溶液，得到N型层复合液态浆料；采用粉 末喷涂的工艺将N型层复合液态浆料沉积在P型非晶硅层上形成一层厚 度为20微米的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜4，衬底温度为400 。C，气氛为大气氛围；最后在该N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜4 上，采用磁控溅射工艺沉积一层厚度为500 nm的铝背电极1，完成该复 合薄膜太阳能电池基本制作。 实施例3:
清洗透明导电玻璃4，采用常规PECVD技术在以透明导电玻璃4为 衬底上沉积一层B掺杂的P型非晶硅薄膜3，衬底温度为40CTC， P型非 晶硅薄膜3厚度为200纳米。以纯度超过6N，导电类型为N型，电阻率 为5. 0 Q . cm的多晶硅为原料，采用气流粉碎技术制备N型多晶硅微粉， 硅颗粒的平均颗粒度为20微米，接着按硅质量百分比为90%的比例，混 合高纯N型硅粉和Ti02纳米晶胶体溶液，得到N型层的复合液态浆料； 采用印刷、退火工艺将N型层复合液态浆料沉积在P型非晶硅层上形成 一层厚度为50微米的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜4，退火温度 为50(TC，气氛为大气氛围。最后在该复合薄膜层上，采用丝网印刷结 合烧结工艺制作一层厚度大约为15微米厚的铝背电极1,完成该复合薄 膜太阳能电池基本制作。
权利要求
1、一种硅基薄膜太阳能电池，其特征是在透明导电玻璃(4)上沉积有一层厚度为50～200纳米的P型非晶硅薄膜(3)，在所述的P型非晶硅薄膜(3)上沉积有一层厚度为5-50微米厚的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜(2)，所述的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜(2)由纯度超过6N、导电类型为N型的多晶硅为原料制备成平均颗粒度为2.0～20微米的N型多晶硅微粉且按硅质量百分比为30～90％的比例和无机氧化物溶液混合而成，在所述的N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜(2)上设有一层银背电极或铝背电极(1)。
2、 根据权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征是所述的 无机氧化物为ZnO或Ti02的胶体或者纳米晶。
3、 制作权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池的方法，其特征是-(1)、以透明导电玻璃(4)为衬底沉积一层厚度为50 200纳米P型非晶 硅薄膜(3)，衬底温度为100 40(TC; (2)、以纯度超过6N、导电类型 为N型、电阻率为0.2 10Q.cm的多晶硅为原料制备成平均颗粒度为 2.0 20微米的N型多晶硅微粉，按硅质量百分比为30 90%的比例， 混合N型多晶硅微粉和无机氧化物溶液，得到N型层复合液态浆料，(3)、 采用喷涂或印刷结合退火工艺将N型层复合液态桨料沉积在P型非晶硅 薄膜(3)上，形成一层厚度为5-50微米的N型颗粒硅+透明无机氧化物 复合膜(2)， (4)在N型颗粒硅+透明无机氧化物复合膜(2)上采用磁控 溅射工艺或丝网印刷结合烧结工艺制作银背电极或铝背电极(l)完成该 复合薄膜太阳能电池基本制作。
4、 根据权利要求3所述的硅基薄膜太阳能电池的制作方法，其特征 是上述步骤(3)中采用喷涂将N型层复合液态浆料沉积在P型非晶硅 薄膜(3)上的衬底温度为300 — 50(TC。
5、 根据权利要求3所述的硅基薄膜太阳能电池的制作方法，其特征 是上述步骤(3)中采用印刷结合退火工艺将N型层复合液态浆料沉积 在P型非晶硅薄膜(3)上的退火温度为300 — 500。C。
6、 根据权利要求3、 4或5所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征是 所述的无机氧化物为ZnO或Ti02的胶体或者纳米晶。
全文摘要
本发明公开了一种硅基薄膜太阳能电池及其制作方法。主要包括(1)沉积于透明导电玻璃衬底上的P型非晶硅薄膜；(2)和P型非晶硅薄膜连接的N型微米颗粒硅和透明氧化物的复合薄膜，(3)和N型复合硅薄膜接触的银或铝背电极。本发明提出的核心工艺为1)按硅质量百分比为30～90％的比例，混合高纯N型导电类型的硅粉和无机氧化物纳米晶、胶体得到复合浆料；2)采用喷涂、印刷等成膜工艺结合退火处理在P型非晶硅层上沉积一层厚度为5-50微米的N型颗粒硅复合膜层。本发明引入了多晶硅/非晶硅异质PN结技术，同时采用颗粒多晶硅复合膜，避免了大粒径多晶硅薄膜难于直接沉积的难点，具有成本低廉，工艺简单且光电转换效率高等优势。
文档编号H01L31/042GK101488531SQ20091004274
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者青 万, 棋 周, 易宗凤, 斌 赵 申请人:湖南大学