[发明专利]高转化率硅基单结多叠层PIN薄膜太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池，特别是硅基薄膜太阳能电池结构及其制造方法。

背景技术

自从法国科学家AE.Becquerel在1839年发现光电转换现象以后，1883年 第一个以半导体硒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(US.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掺杂的硅基材料具有高的光电转换效率。这个研究为现 代太阳能电池工业奠定了基础。在1958年，美国Haffman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，单晶硅及多晶 硅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，单晶硅太阳能电池的光电转换效率达到24.7％，商业产品达 到22.7％，多晶硅太阳能电池的光电转换效率达到20.3％，商业产品达到 15.3％。

另一方面，1970年苏联的Zhores 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MOCVD(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，以GaAs为基片的III-V族材料的掺杂技术，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Emcore和SpectroLab生产了高效率III-V族太阳 能商业产品，其光电转换率达38％，这两家公司占有全球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。由于这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。

国外的太阳能电池研究和生产，大致可以分为三个阶段，即有三代太阳能电 池。

第一代太阳能电池，基本上是以单晶硅和多晶硅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5～6倍；直至2007 年，第一代太阳能电池的产量仍占全球太阳能电池总量的89％，专家预计，第一 代太阳能电池将在十年后逐步被淘汰而成为历史。

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。与单晶硅 和多晶硅太阳能电池相比，其薄膜高纯硅的用量为其的1％，同时，低温等离子 增强型化学气相沉积沉积技术，电镀技术，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、不锈钢薄片，高分子基片作为基板 材料，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7％； CulnSe，其光电转换效率为19.5％，商业产品为11％；非晶硅及微晶硅，其光电 转换效率为8.3～15％，商业产品为7～13.3％，近年来，由于液晶电视的薄膜晶 体管的研发，非晶硅和微晶硅薄膜技术有了长足的发展，并已应用于硅基薄膜太 阳能电池。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5～10年，薄膜太阳能电池将成为全球太阳能电池的主流 产品。

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硅薄膜太阳能电池。

目前占最大份额的薄膜太阳能电池是非晶硅太阳能电池，通常为pin结构电池， 窗口层为掺硼的P型非晶硅，接着沉积一层未掺杂的i层，再沉积一层掺磷的N 型非晶硅，并镀电极。