專利名稱：一種厚膜太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及厚膜太陽能電池的制備方法，更具體地，是一種柔性基底多晶硅/非晶硅疊層厚膜太陽能電池的制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能是最清潔的可再生能源之一，在世界范圍內(nèi)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。太陽能的利用方式有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，利用太陽能發(fā)電不會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，也不會(huì)發(fā)生核泄漏等危害環(huán)境的現(xiàn)象，對(duì)于環(huán)保以及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重大意義。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前，晶體硅是太陽能電池采用的最普遍的材料，晶體硅太陽能電池制造技術(shù)成熟，轉(zhuǎn)換效率較高，一直是太陽能電池技術(shù)主流，但硅材料的成本很高，在太陽能電池的總成本中占60% 以上，且高純硅對(duì)生產(chǎn)工藝要求很高，從而制約了晶體硅太陽能電池的發(fā)展。相對(duì)于晶體硅太陽能電池而言，薄膜太陽能電池由于來源廣泛且供應(yīng)充足，在成本上具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力，但目前80%左右的薄膜類太陽能電池是Cd、Te薄膜電池，這兩種材料都有劇毒，生產(chǎn)過程中對(duì)工藝技術(shù)要求非常嚴(yán)格，且使用后需要利用嚴(yán)格的廢棄物處理技術(shù)處理，否則容易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響；且從性能上來講，非晶薄膜太陽能電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于晶體硅太陽能電池，其主要原因是現(xiàn)有成膜技術(shù)無法生成大晶粒(粒徑為5 30 μ m)、 高質(zhì)量的晶體膜，另外，由于膜層很薄，經(jīng)紫外線照射后，薄膜特性的變化造成光電轉(zhuǎn)換效率的下降亦是薄膜太陽能電池存在的主要問題之一?？偟恼f來，現(xiàn)有太陽能電池存在成本高、轉(zhuǎn)換率低、生產(chǎn)條件苛刻以及成品合格率低等問題，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種成本低、易生產(chǎn)的柔性基底多晶硅/非晶硅疊層厚膜太陽能電池的制備方法。本發(fā)明是通過如下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的針對(duì)太陽能電池生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)條件苛刻以及光電轉(zhuǎn)換率低的問題，利用微波低溫等離子體沉積技術(shù)以及新的激光器掃描等創(chuàng)新技術(shù)，提供一種成本低、易生產(chǎn)且光電轉(zhuǎn)換率高的柔性基底多晶硅/非晶硅疊層厚膜太陽能電池。本發(fā)明的制備厚膜太陽能電池的方法，包括如下步驟(1)柔性基底的制備及其表面處理將石英或不銹鋼進(jìn)行裁切后得到石英基片/ 不銹鋼基片，放入玻璃洗液/不銹鋼洗液中浸泡12小時(shí)后放入丙酮中清洗15min，然后再用無水乙醇清洗3-5遍，烘干30min后得到柔性基底；(2)氮化硅絕緣層的沉積及其熱處理采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 (PECVD)在經(jīng)表面處理的柔性基底表面分兩次沉積0. 1 0. 2 μ m厚的氮化硅絕緣層，其中， 真空室的溫度為150 300°C，充入的SiH4和NH3用N2稀釋，體積濃度為8 12%且SiH4與NH3的流量比為30 5 38 30，射頻放電的功率密度為0.05 0. 25W/cm2，且第一次沉積時(shí)間為20 35分鐘，第二次沉積時(shí)間為30 45分鐘；然后將沉積有氮化硅絕緣層的基片放入烘箱內(nèi)，在N2保護(hù)下以5 10°C /min的速率進(jìn)行程序升溫至280°C，保溫2 4 小時(shí)后再以5 10°C /min的速率進(jìn)行程序降溫至室溫；PECVD技術(shù)原理是利用低溫微波等離子體做能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電(或另加發(fā)熱體)使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。PECVD方法區(qū)別于其他CVD方法的特點(diǎn)在于等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學(xué)氣相沉積過程所需的激活能。電子與氣相分子的碰撞可以促進(jìn)氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，生成活性很高的各種化學(xué)集團(tuán)，因而顯著降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，使得原來需要在高溫下才能進(jìn)行的CVD過程得以在低溫實(shí)現(xiàn)。(3)透明導(dǎo)電層的沉積采用磁控濺射法，利用質(zhì)量比為^1 Al2O3 = 97 3 90 10的靶材在室溫下，4kpa壓力下于氮化硅絕緣層上沉積0.2um厚的摻鋁氧化鋅-氧化鋁(ΑΖ0/Α ΑΖ0)薄膜，得到透明導(dǎo)電層。磁控濺射的基本原理是利用Ar &混合氣體中的等離子體在電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的作用下，被加速的高能粒子轟擊靶材表面，能量交換后，靶材表面的原子脫離原晶格而逸出，轉(zhuǎn)移到基體表面而成膜。磁控濺射的特點(diǎn)是成膜速率高、基片溫度低、成膜的粘附性好， 可實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜。(4)含PN結(jié)的多晶硅層的制備在等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)系統(tǒng)中，以硅烷和硼烷為保護(hù)氣，在30 50ym/h的沉積速率下于透明導(dǎo)電層上沉積30 50 μ m厚的P 型小顆粒多晶硅層，并在真空狀態(tài)下進(jìn)行激光晶化；然后在硅烷和磷烷的保護(hù)下，以30 50 μ m/h的沉積速率沉積2 μ m厚的N型小顆粒多晶硅層，不需要進(jìn)一步晶化；等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)技術(shù)原理與PECVD相同，由于粒子間的碰撞，產(chǎn)生劇烈的氣體電離，使反應(yīng)氣體受到活化，同時(shí)發(fā)生陰極濺射效應(yīng)，為沉積薄膜提供了清潔且活性高的表面，因而整個(gè)沉積過程與僅有熱激活的過程有顯著不同，這兩方面的作用，在提高涂層結(jié)合力，降低沉積溫度以及加快反應(yīng)速度等方面都創(chuàng)造了有利條件。PCVD系統(tǒng)中所用頻率越高，等離子體強(qiáng)化CVD過程的作用越明顯，形成化合物的溫度越低。PCVD的工藝裝置由沉積室、反應(yīng)物輸送系統(tǒng)、放電電源、真空系統(tǒng)以及檢測(cè)系統(tǒng)組成。氣源需用氣體凈化器除去水分和其它雜質(zhì)，經(jīng)調(diào)節(jié)裝置得到所需要的流量，再與源物質(zhì)同時(shí)被送入沉積室，在一定溫度和等離子體激活等條件下，得到所需的產(chǎn)物，并沉積在工件或基片表面，是物理過程與等離子體化學(xué)反應(yīng)過程的結(jié)合。小顆粒多晶硅層開始晶化的溫度為1100 1400°C，但由于有隔熱層，且激光掃描速率快，在多晶硅層熔化時(shí)，熱量還沒來得及傳到低熔點(diǎn)的基底上時(shí)，多晶硅層底部開始晶化，溫度逐漸降低，避免損壞基底層；多晶硅顆粒逐漸長大，顆粒直徑可達(dá)3 ΙΟμπι，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。(5)含PIN結(jié)的非晶硅層的制備采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD) 在多晶硅層上依次沉積P型、I型以及N型非晶硅層，其中，P型非晶硅層是在壓力小于 4X10_4Pa、溫度低于300°C的條件下，通入硅烷和硼烷在保護(hù)氛圍中進(jìn)行沉積的；在壓力 4X10_4Pa、溫度250°C的條件下，99. 9999%的硅烷沉積I型非晶硅層；N型非晶硅層是在壓力小于4X 10_4Pa、溫度低于300°C的條件下，硅烷和磷烷在保護(hù)氛圍中進(jìn)行沉積的；所述非晶硅層的總厚度為1 2μπι;(6)上層電極的制備及處理采用真空蒸鍍法在非晶硅層表面鍍上0.2um厚的摻鋁氧化鋅-氧化鋁上層電極(ΑΖ0/Α ΑΖ0)薄膜，得到透明導(dǎo)電層，隨后對(duì)所述上層電極進(jìn)行激光蝕刻；(7)鍍?cè)鐾改ぴ谖g刻好的上層電極上磁控濺射法加鍍550nm厚的TiO2增透膜層，用高純金屬鈦(Ti)做靶材，用氬氣Ar稀釋的02，O2體積含量約為5%，真空度為 5. OXlO^4Pa,總功率為 120KVA，溫度為 350°C ；(8)歐姆電極的安裝；(9)電池的組裝。利用本發(fā)明制備厚膜太陽能電池，采用柔性基底，通過低溫晶化小顆粒多晶硅層而得大顆粒多晶硅層，從而大大降低了生產(chǎn)成本以及對(duì)生產(chǎn)條件的要求；在生產(chǎn)過程中采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)以及等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在低溫下進(jìn)行高速沉積的目的，從而使大幅提高電池產(chǎn)量成為可能；使用高速激光器橫向掃描非晶硅層對(duì)其進(jìn)行晶化，在非晶硅層熱量還未傳遞到低溫基底時(shí)，非晶硅層已經(jīng)熔化并完成重新晶化，從而提高了成品的合格率；由于非晶硅層的存在，且非晶硅對(duì)光的吸收性比晶體硅強(qiáng)得多，晶體硅表面得到了可靠鈍化，從而提高了載流子壽命，降低了界面態(tài)對(duì)光生載流子的俘獲，大大提高了所述厚膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，極大改善了太陽能電池的性能。
具體實(shí)施例方式以下描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但并非限定用以本發(fā)明。實(shí)施例1 按如下步驟制備柔性基底多晶硅/非晶硅疊層厚膜太陽能電池(1)柔性基底的制備及其表面處理將石英或不銹鋼進(jìn)行裁切，后得到 156mm*156mm的石英基片/不銹鋼基片，放入玻璃洗液/不銹鋼洗液中浸泡12小時(shí)后放入丙酮中清洗，然后再用無水乙醇清洗，烘干后得到柔性基底；(2)氮化硅絕緣層的沉積及其熱處理將清洗并烘干的基片放入PECVD真空室內(nèi)， 沖真空的同時(shí)也開始升溫，當(dāng)真空室溫度上升至200°C并保持穩(wěn)定時(shí)，向真空室充入經(jīng)N2 稀釋的體積濃度為10%的SiH4和NH3至4Pa，其中，SiH4與NH3的氣體流量比為35 12， 然后加上射頻功率放電，功率密度為0. 2W/cm2，先沉積35分鐘，之后再重復(fù)沉積35分鐘，所得氮化硅絕緣層的厚度為0. 2 μ m ；然后將沉積有氮化硅絕緣層的基片放入烘箱內(nèi)，在N2保護(hù)下以10°C /min的速率進(jìn)行程序升溫至280°C，保溫4小時(shí)后再以10°C /min的速率進(jìn)行程序降溫至室溫；(3)透明導(dǎo)電層的沉積采用磁控濺射法，利用質(zhì)量比為^1 Al2O3 = 96 4的靶材在室溫下于基底上沉積1. 5um厚的摻鋁氧化鋅(ΑΖ0/Α ΑΖ0)薄膜，作為透明導(dǎo)電層；(4)含PN結(jié)的多晶硅層的制備在PCVD系統(tǒng)中，以硅烷和硼烷為保護(hù)氣，在 60 μ m/h的沉積速率下于透明導(dǎo)電層上沉積50 μ m厚的P型小顆粒多晶硅層，并在真空狀態(tài)下采用住友電器工業(yè)生產(chǎn)的波長為531nm的綠色半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光掃描晶化，其中，硅烷的流速為(7ml/min)，硼烷的流速為(0. 5ml/min)，激光器的每個(gè)光斑為10mmX30mm， 激光功率為10KW，掃描速度為550mm/s，腔室真空度為1\10-節(jié) 腔內(nèi)溫度為4501;然后在硅烷和磷烷的保護(hù)下，以60 μ m/h的沉積速率沉積2 μ m厚的N型小顆粒多晶硅層，其中，硅烷的流速為(7ml/min)，磷烷的流速為(0. 5ml/min)；(5)含PIN結(jié)的非晶硅層的制備采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在多晶硅層上依次沉積P型、I型以及N型非晶硅層，其中，P型非晶硅層是在壓力4X 10_4Pa、 溫度250°C的條件下以及硅烷和硼烷的保護(hù)氛圍中進(jìn)行沉積的，所述硅烷的流速為(7ml/ min)，硼烷的流速為(0. 5ml/min)；在壓力4X 10_4Pa、溫度250°C的條件下，99. 9999 %的硅烷沉積I型非晶硅層；N型非晶硅層是在壓力4X 10_4Pa、溫度250°C的條件下以及硅烷和磷烷的保護(hù)氛圍中進(jìn)行沉積的，所述硅烷的流速為(7ml/min)，磷烷的流速為(0. 5ml/min)； 所述非晶硅層的總厚度為1. 5 μ m ；(6)上層電極的制備及處理采用真空蒸鍍法在非晶硅層上鍍上上層電極0.2um 厚的摻鋁氧化鋅-氧化鋁上層電極(ΑΖ0/Α ΑΖ0)薄膜，得到透明導(dǎo)電層，隨后對(duì)所述上層電極進(jìn)行激光蝕刻；(7)鍍?cè)鐾改ぴ谖g刻好的上層電極上磁控濺射法加鍍550nm厚的TiO2增透膜層，用高純金屬鈦(Ti)做靶材，用氬氣Ar稀釋的02，O2體積含量約為3%，真空度為 5. OX l(T5Pa，總功率為 120KVA，溫度為 350°C ；(8)歐姆電極的安裝；(9)電池的組裝。實(shí)踐證明，本發(fā)明所述的制備厚膜太陽能電池的方法可以有效減少硅材及合金基底的用量，使成本降低了 25% 35% ；且可在低溫環(huán)境下進(jìn)行，沉積速率可達(dá)15 25nm/ s，激光晶化速度可達(dá)100mm/S，使得生產(chǎn)更方便，且大幅提高電池產(chǎn)量；產(chǎn)品的性能也大大提高，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15%以上。
權(quán)利要求
1. 一種厚膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)柔性基底的制備及其表面處理將石英或不銹鋼進(jìn)行裁切后得到石英基片/不銹鋼基片，清洗烘干后得到柔性基底；(2)氮化硅絕緣層的沉積及其熱處理采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在 (1)中的柔性基底表面分兩次沉積0. 1 0.2μπι厚的氮化硅絕緣層，第一次沉積時(shí)間為 20 35分鐘，第二次沉積時(shí)間為30 45分鐘；然后將沉積有氮化硅絕緣層的基片放入烘箱內(nèi)，在N2保護(hù)下以5 10°C /min的速率進(jìn)行程序升溫至280°C，保溫2 4小時(shí)后再以 5 10°C /min的速率進(jìn)行程序降溫至室溫；(3)透明導(dǎo)電層的沉積采用磁控濺射法，在壓力4X10_4Pa，溫度在室溫的條件下，利用質(zhì)量比為^1 Al2O3 = 96 4的靶材在氮化硅絕緣層上沉積2um厚的摻鋁氧化鋅/氧化鋁(ΑΖ0/Α ΑΖ0)薄膜，得到透明導(dǎo)電層；(4)含PN結(jié)的多晶硅層的制備首先在等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)系統(tǒng)中，通入硅烷和硼烷氣體，以氮?dú)?氬氣為保護(hù)氣，在30 50ym/h的沉積速率下于透明導(dǎo)電層上沉積50 μ m厚的P型小顆粒多晶硅層，并在真空狀態(tài)下進(jìn)行激光晶化；然后在PECVD系統(tǒng)中， 通入硅烷和磷烷氣體，在氬氣保護(hù)下，以5 μ m/h的沉積速率沉積2 μ m厚的N型小顆粒多晶硅層；(5)含PIN結(jié)的非晶硅層的制備采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在多晶硅層上依次沉積P型、I型以及N型非晶硅層，其中，P型非晶硅層是在壓力小于4X 10_4Pa、 溫度低于300°C的條件下以及硅烷和硼烷的保護(hù)氛圍中進(jìn)行沉積的；在壓力4X10_4Pa、 溫度250°C的條件下，99. 9999%的硅烷沉積I型非晶硅層；N型非晶硅層是在壓力小于 4X10_4Pa、溫度低于300°C的條件下以及硅烷和磷烷的保護(hù)氛圍中進(jìn)行沉積的；所述非晶硅層的總厚度為2μπι;(6)上層電極的制備及處理采用真空蒸鍍法在非晶硅層上鍍上0.2um厚的摻鋁氧化鋅-氧化鋁上層電極(ΑΖ0/Α ΑΖ0)薄膜，得到透明導(dǎo)電層，隨后對(duì)所述上層電極進(jìn)行激光蝕刻；(7)鍍?cè)鐾改ぴ谖g刻好的上層電極上磁控濺射法加鍍550nm厚的TiO2增透膜層，用高純金屬鈦(Ti)做靶材，用氬氣Ar稀釋的02，O2體積含量約為3-5%，真空度為 5. 0 8. OXlO^5Pa,總功率為 100-120KVA，溫度為 300-500°C ；(8)歐姆電極的安裝；(9)電池的組裝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種厚膜太陽能電池的制備方法，所述厚膜太陽能電池為柔性基底非晶硅/多晶硅疊層異質(zhì)節(jié)電池，其中包含的多晶硅層是由小顆粒多晶硅層經(jīng)低溫晶化而來，厚度較薄，從而大幅降低硅材料的耗費(fèi)，顯著降低了成本；利用本發(fā)明所述的方法制備厚膜太陽能電池，具有低成本、高產(chǎn)量、易于生產(chǎn)以及所得產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/20GK102255006SQ201110237370
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者李成敏 申請(qǐng)人:無錫成敏光伏技術(shù)咨詢有限公司