專利名稱：一種非晶硅薄膜太陽能電池及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非晶硅薄膜太陽能電池及制備方法。
背景技術(shù)：
在對太陽能的開發(fā)和利用中，非晶硅薄膜太陽能電池受到了人們的廣泛關(guān)注。非 晶硅薄膜太陽能電池所使用的硅材料不到晶硅電池用料的1 %，成本低且結(jié)構(gòu)比較簡單，轉(zhuǎn) 換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。非晶硅薄膜太陽能電池的工作原理與晶硅太陽能電池比較類似，典型的非晶硅薄 膜太陽能電池單元的剖面結(jié)構(gòu)和電流路徑如圖1所示。首先在3mm厚的浮法玻璃(或者超 白玻璃)基板上生長一層800 IOOOnm厚的TCO膜(透明導(dǎo)電薄膜)，如圖1中1所示，一 般是FTO (摻F的SnO，在玻璃的生產(chǎn)過程中沉積)或者AZO (摻Al的加0，離線LPCVD (低 壓化學(xué)氣相沉積)或者PVD (物理氣相沉積)沉積)，這層作為ρη結(jié)的前電極，主要作用是 引出光生載流子，以及透光和陷光作用。然后在TCO膜1上使用PECVD (等離子化學(xué)氣相沉 積)制備Pn結(jié)。與晶硅電池不同的是由于薄膜電池沉積的是非晶硅材料，雜質(zhì)缺陷密度比 晶硅材料要大，載流子復(fù)合程度高。為了提高電流密度，人們設(shè)計了 Pin結(jié)構(gòu)。其中ρ和η 分別代表P(磷)摻雜和B(硼)摻雜的摻雜區(qū)，其厚度小于30nm;i代表本征吸收層，厚度 在0. 2 0. 3um。圖1中2為ρ型摻雜區(qū)，3為本證吸收層，4為η型摻雜區(qū)。ρη摻雜區(qū)提 供內(nèi)電壓驅(qū)動載流子的收集，吸收層吸收光子轉(zhuǎn)化成電子空穴對。形成了 Pin結(jié)構(gòu)后還需 要使用PVD制備背電極5，背電極5的材料主要是Ag (銀)或Al (鋁)，即能夠鏡面反射沒 有吸收的光線，又作為載流子的引出端。在實際非晶硅薄膜電池生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)電池模塊之間串并聯(lián)關(guān)系，通常使 用激光劃線步驟。激光劃線實現(xiàn)了背電極5和前電極TCO膜1互相連接，同時自身進行 隔離，這個區(qū)域?qū)﹄娏鳑]有任何貢獻，我們稱之為“死區(qū)”，每個電池單元“死區(qū)”的寬度在 500um之間，包含3次激光劃線工藝，每次劃線寬度在50 lOOum，如圖1中7所示。每個 電池單元的寬度在IOmm左右。圖1中6所示為光生電流的流動方向，TCO膜1透光和陷光， 引出光生載流子，P型摻雜區(qū)2和η型參雜區(qū)4提供內(nèi)電壓驅(qū)動載流子的收集，吸收層3吸 收光子轉(zhuǎn)化成電子空穴對，接通電路后就形成電流。與晶硅電池相比，非晶硅薄膜電池的材料限制了電池的轉(zhuǎn)換效率，目前單結(jié)非晶 硅薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率不及晶硅電池的一半，因此要實現(xiàn)同樣的發(fā)電量，非晶硅薄膜電池 的面積往往要達到晶硅電池的一倍以上，這樣在非晶硅薄膜電池的應(yīng)用中例如安裝在居民 屋頂上發(fā)電，非晶硅薄膜電池的劣勢就體現(xiàn)出來，直接影響了它的發(fā)展和實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種非晶硅薄膜太陽能電池，增加了電池的受光面積、從而提高了 電池的轉(zhuǎn)換效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種非晶硅薄膜太陽能電池，包括 玻璃基板，在玻璃基板上設(shè)有至少一個立體電池單元；其中立體電池單元包括沉積在玻 璃基板上、且設(shè)為立體凸起狀的TCO膜，以及在TCO膜上依次沉積的非晶硅層及金屬背電 極。采用上述技術(shù)方案后，與傳統(tǒng)非晶硅薄膜電池相比，本發(fā)明的非晶硅薄膜太陽能 電池由于包含立體電池單元，立體電池單元縱向伸展出來的面積同樣可以吸收光能并產(chǎn)生 光電效應(yīng)，即增加了電池的受光面積，進而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明還提供了一種非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法，增加了電池的受光面 積、從而提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法，包括在玻璃基板上沉積TCO膜；通過光刻和刻蝕，使TCO膜形成立體凸起狀；在立體凸起狀的TCO膜上沉積非晶硅層；在非晶硅層上沉積金屬背電極。采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的制備方法制備了立體的非晶硅薄膜太陽能電池結(jié) 構(gòu)，立體結(jié)構(gòu)增加了電池的受光面積，進而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中非晶硅薄膜太陽能電池單元的剖面結(jié)構(gòu)和電流路徑；圖2為本發(fā)明實施例的立體電池單元的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的立體電池單元的工作示意圖；圖4為本發(fā)明實施例的立體電池單元之間連接的電路示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中某一立體電池單元損壞連接的電路示意圖；圖6為本發(fā)明制作方法的工藝流程圖；圖7為本發(fā)明制備方法實施例的工藝流程圖；圖8為光刻后的TCO膜單元示意圖；圖9為立體臺階狀的TCO膜單元示意圖；圖10為TCO膜上方沉積非晶硅層的俯視示意圖；圖11為本發(fā)明制備方法實施例制作的立體電池俯視示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做進一步詳細(xì)說明。其中所描述的實施例僅僅 是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如圖2和圖3所示，本發(fā)明非晶硅薄膜太陽能電池的實施例，包括玻璃基板10，在 玻璃基板10上設(shè)有至少一個立體電池單元；其中立體電池單元包括沉積在玻璃基板上、 且設(shè)為立體凸起狀的TCO膜1，以及在TCO膜上依次沉積的非晶硅層8及金屬背電極5。與傳統(tǒng)非晶硅薄膜電池相比，本發(fā)明的非晶硅薄膜太陽能電池包括立體電池單元，立體電池單元縱向伸展出來的面積同樣可以吸收光能并產(chǎn)生光電效應(yīng)，即增加了電池 的受光面積，進而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本實施例中，如圖2所示，TCO膜1設(shè)置為立體臺階狀，進而通過依次沉積非晶硅 層8及金屬背電極5，形成了立體的電池單元結(jié)構(gòu)。其中，立體臺階狀的TCO膜1垂直于玻 璃基板方向的厚度為lOOum，沿著玻璃基板、與厚度方向相垂直的方向的寬度為IOmm;非晶 硅層8為非晶硅pin結(jié)構(gòu)，包括與TCO膜1相接的ρ型非晶硅層，ρ型層上的本征吸收i層 和i層上的η型非晶硅層；金屬背電極5將非晶硅層8全部覆蓋。進一步地，本實施例包括至少兩個立體電池單元，單元的寬度為10mm，單元與單元 之間橫向或縱向排列。其中，相鄰的立體電池單元的TCO膜1、非晶硅層8及金屬背電極5 均彼此隔離；在每個立體電池單元中，金屬背電極5與臺階狀的TCO膜1與玻璃基板平行的 部分相連；每個立體電池單元的金屬背電極5還與前一相鄰立體電池單元的TCO膜1與玻 璃基板平行的部分相連。上述結(jié)構(gòu)特征使相鄰的立體電池單元之間存在死區(qū)7，死區(qū)7的寬度為500um。死 區(qū)7既使立體單元之間彼此隔離，互不影響各自的工作，而且實現(xiàn)了電池單元之間的串并 聯(lián)關(guān)系，形成了每排或每列的立體電池單元之間相互串聯(lián)，見圖2所示的電流路徑I，而各 排或者各列的立體電池單元相互并聯(lián)的電連接。見圖4所示的立體電池單元連接的電路示 意圖，圖中每一個電池代表一個立體電池單元，死區(qū)7處的金屬背電極5與前一相鄰立體電 池單元的TCO膜1相連，使每排或每列的立體電池單元之間相互串聯(lián)，而各排或者各列的立 體電池單元相互并聯(lián)。而當(dāng)某個立體電池單元損壞時，由于在每個立體電池單元中，金屬背 電極5與臺階狀的TCO膜1相連，還與前一相鄰立體電池單元的TCO膜1相連，此時，該電 池單元就相當(dāng)于導(dǎo)線的作用，如圖5所示，不會影響其它電池單元的工作。當(dāng)立體電池單元工作時，如圖3所示的工作示意圖，11為EVA(乙烯及乙烯基醋酸 鹽)保護層。陽光從TCO膜1射入非晶硅層8，不僅可以在與玻璃基板平行的非晶硅層8內(nèi) 多次發(fā)射，也可以在與玻璃基板垂直的非晶硅層8內(nèi)多次發(fā)射，還可以在與玻璃基板平行 及垂直方向交界處的非晶硅層8內(nèi)多次發(fā)射，增加了光程，提高了對光的利用率，進而增加 了光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明非晶硅薄膜太陽能電池的實施例，包括立體電池單元，以立體電池單元最 長邊的剖面形狀分析，與傳統(tǒng)電池相比，電池單元的寬度并沒有變化，但是立體電池單元在 縱向上伸展出來的面積同樣可以吸收光能并產(chǎn)生光電效應(yīng)。這樣理論計算出來的受光面積 比傳統(tǒng)電池多了 2%，所以理論上電池的效率也可以提高2%。但是，由于側(cè)面受光面的電 池接受不到直射的陽光，所以實際電池的轉(zhuǎn)化效率的增幅應(yīng)該達不到2%。本發(fā)明還公開了上述非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法，如圖6所示的流程圖， 包括以下步驟S11、在玻璃基板上沉積TCO膜。S12、通過光刻和刻蝕，使TCO膜形成立體凸起狀。S13、在立體凸起狀的TCO膜上沉積非晶硅層。S14、在非晶硅層上沉積金屬背電極。進一步地，S12步驟具體為使TCO膜通過光刻和刻蝕，形成由至少二個立體凸起狀TCO膜單元組成的、橫向或縱向排列的立體凸起狀TCO膜陣列，每個TCO膜單元將形成一個立體電池單元。進一步地，在S13步驟后，采用激光劃線腐蝕掉相鄰單元之間的非晶硅層。在S14 步驟后，采用激光劃線腐蝕掉相鄰的單元之間的金屬背電極，使相鄰的立體電池單元的金 屬背電極彼此隔離，并使在每個單元中，金屬背電極5與TCO膜相連，還與前一相鄰單元的 TCO膜相連。下面對本發(fā)明制備方法的實施例進行具體描述，形成上述非晶硅薄膜電池實施例 的制備方法如圖7所示的流程圖，包括下列步驟S21、沉積TCO膜。首先在玻璃基板上利用PVD設(shè)備沉積一層厚度為IOOum的 TCO(AZO)，沉積條件如下壓強0. 5Pa ；功率5kw ；溫度250°C ；工藝氣體為Ar和O2,流量分 別為300和l(^ccm(標(biāo)況毫升每分)。S22、光刻。在TCO膜上鋪光刻膠，以正膠為例，光刻顯影成圖10中1的形狀，在 TCO膜上形成由至少二個“匚”狀單元組成的、橫向或縱向排列的“匚”狀陣列，每個“匚”狀 單元沿著玻璃基板方向的寬度為10mm，每個“匚，，狀單元將形成一個TCO膜單元，一個TCO 膜單元將形成一個立體電池單元。S23、濕法腐蝕。使用濕法腐蝕設(shè)備，在HCL溶液中將沒有光刻膠覆蓋的TCO膜腐 蝕掉，使每個“匚”狀單元形成如圖8所示的TCO膜單元的結(jié)構(gòu)。S24、形成臺階狀的TCO膜。采用S22和S23兩個步驟中的方法，將圖8所示的立 體“匚”形TCO膜單元結(jié)構(gòu)的橫邊繼續(xù)腐蝕，通過控制腐蝕時間，形成如圖9所示的臺階狀 的TCO膜單元。此時，形成了由至少二個立體臺階狀TCO膜單元組成的、橫向或縱向排列的 TCO膜陣列。S25、沉積非晶硅層。如圖10所示，在臺階狀TCO膜1陣列上使用PECVD設(shè)備，沉積 非晶硅層8。本實施例中非晶硅層8為pin層結(jié)構(gòu)，包括與TCO膜1連接的ρ型非晶硅層， 沉積在P層上的本征i層和i層上的η型非晶硅層。沉積條件為壓強80 ；功率1000W ； 溫度200°C ；ρ型層工藝氣體為SiH4和PH3，流量分別為2000和500sCCm ；i層工藝氣體為 SiH4,流量為2000sccm ；η型層工藝氣體為SiH4和，流量為500sccm。S26、激光劃線。使用綠激光劃線，將每個單元的非晶硅層8彼此隔離開，形成圖10 所示結(jié)構(gòu)，9為激光劃線腐蝕區(qū)域。S27，沉積金屬背電極。如圖11所示，使用PVD方法在非晶硅層8上沉積金屬背電 極5，金屬背電極5的材料為AL、Ag或Ni等，沉積條件為壓強0. 5Pa ；功率3kw ；通入Ar 氣，流量為200sccm。S28，激光劃線。使用綠激光劃線，見圖11所示結(jié)構(gòu)，9為激光劃線腐蝕區(qū)域，使每 個相鄰單元之間金屬背電極5彼此隔離，而且金屬背電極5既與本單元的TCO膜1相連，還 與前一相鄰單元的TCO膜1相連。這樣形成了相鄰單元之間的死區(qū)7。至此，完成了制作過 程，形成了包括若干立體電池單元的非晶硅薄膜電池。S29，測試封裝。測試封裝步驟與傳統(tǒng)方法相同，這里不作贅述。S210，結(jié)束。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵 蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種非晶硅薄膜太陽能電池，包括玻璃基板，其特征在于， 在所述玻璃基板上設(shè)有至少一個立體電池單元；其中所述立體電池單元包括沉積在所述玻璃基板上、且設(shè)為立體凸起狀的透明導(dǎo)電 膜，以及在所述透明導(dǎo)電膜上依次沉積的非晶硅層及金屬背電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶硅薄膜太陽能電池，其特征在于， 所述立體凸起狀為立體臺階狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非晶硅薄膜太陽能電池，其特征在于， 所述至少一個立體電池單元為兩個或兩個以上；所述立體電池單元與單元之間橫向或縱向排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非晶硅薄膜太陽能電池，其特征在于，相鄰的所述立體電池單元的所述透明導(dǎo)電膜、所述非晶硅層及所述金屬背電極均彼此 隔離；在每個所述立體電池單元中，所述金屬背電極與所述透明導(dǎo)電膜相連； 每個所述立體電池單元的所述金屬背電極與前一相鄰所述立體電池單元的透明導(dǎo)電 膜相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非晶硅薄膜太陽能電池，其特征在于， 相鄰的所述立體電池單元之間存在死區(qū)，所述死區(qū)的寬度為500um。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶硅薄膜太陽能電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電膜垂直于所述玻璃基板方向的厚度為lOOum，沿著所述玻璃基板、與所述 厚度方向相垂直的方向的寬度為10mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶硅薄膜太陽能電池，其特征在于， 所述立體電池單元的寬度為10mm。
8.一種非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括 在玻璃基板上沉積透明導(dǎo)電膜；通過光刻和刻蝕，使所述透明導(dǎo)電膜形成立體凸起狀； 在所述立體凸起狀的透明導(dǎo)電膜上沉積非晶硅層； 在所述非晶硅層上沉積金屬背電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述通過光刻和刻蝕，使所述透明導(dǎo)電膜形成立體凸起狀具體為 使所述透明導(dǎo)電膜通過光刻和刻蝕，形成由至少二個所述立體凸起狀透明導(dǎo)電膜單元 組成的、橫向或縱向排列的立體凸起狀透明導(dǎo)電膜陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在所述在立體凸起狀的透明導(dǎo)電膜上沉積非晶硅層后包括 采用激光劃線腐蝕掉每個相鄰的所述透明導(dǎo)電膜單元之間的非晶硅層； 在所述非晶硅層上沉積金屬背電極的步驟后包括采用激光劃線腐蝕掉相鄰的所述透明導(dǎo)電膜單元之間的所述金屬背電極，使相鄰所述 單元的所述金屬背電極彼此隔離，并使在每個所述單元中，所述金屬背電極與所述透明導(dǎo) 電膜相連，所述金屬背電極還與前一相鄰單元的透明導(dǎo)電膜相連。2=
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非晶硅薄膜太陽能電池及制備方法，涉及太陽能開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，為提高光電轉(zhuǎn)換效率而發(fā)明。所述非晶硅薄膜太陽能電池包括玻璃基板，在玻璃基板上設(shè)有至少一個立體電池單元；其中立體電池單元包括沉積在玻璃基板上、且設(shè)為立體凸起狀的透明導(dǎo)電膜，以及在透明導(dǎo)電膜上依次沉積的非晶硅層及金屬背電極。所述非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法，包括在玻璃基板上沉積透明導(dǎo)電膜；通過光刻和刻蝕，使透明導(dǎo)電膜形成立體凸起狀；在立體凸起狀的透明導(dǎo)電膜上沉積非晶硅層；在非晶硅層上沉積金屬背電極。本發(fā)明可用于太陽能發(fā)電技術(shù)中。
文檔編號H01L31/20GK102064212SQ20091023786
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者白志民 申請人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司