[发明专利]用于薄膜太阳能电池形成的硅墨水、对应方法和太阳能电池结构

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案要求刘(Liu)等人在2009年9月21日申请的标题为“用于光伏电池的硅墨水(Si Ink for Photovoltaic)”的共同代决的美国临时专利申请案第61/244,340号(以引用的方式并入本文中)和奇路沃鲁(Chiruvolu)等人在2010年6月29日申请的标题为“硅/锗纳米粒子墨水和相关方法(Silicon/Germanium Nanoparticle Inks and Associated Methods，)”的共同代决的美国临时专利申请案第61/359,662号(以引用的方式并入本文中)的优先权。

技术领域

本发明涉及用包含多晶硅的半导体层形成的太阳能电池，所述半导体层为所述太阳能电池的层。本发明进一步涉及用多晶硅层形成太阳能电池的方法。

背景技术

光伏电池通过吸收光以形成电子-电洞对来操作。半导体材料宜用于吸收光，从而产生电荷分离。在电压差下采集光电流以直接或在用适当能量储存装置储存后在外电路中执行有用功。

多种技术可用于形成光伏电池，例如太阳能电池，其中半导体材料充当光导体。大多数商业光伏电池是基于硅。出于环境和成本考虑，不可再生能源越来越不合乎需要，因此一直在关注替代性能源、尤其可再生能源。可再生能源的商业化增加依赖于通过降低每能量单位的成本来增加成本有效性，其可通过能源效率改良和/或通过材料和加工成本降低来实现。基于单晶硅的太阳能电池是基于相对于多晶硅或非晶硅来说相对较小的光吸收系数而设计。基于多晶硅和非晶硅的较大光吸收系数，已使用这些材料来形成薄膜太阳能电池。

发明内容

在第一方面，本发明涉及一种用于形成薄膜太阳能电池结构的方法，其包含沉积一层包含元素硅粒子的墨水和烧结所述元素硅粒子以形成多晶层作为p-n结二极管结构的元件。如通过对最初具有较大浓度并稀释到0.4重量百分比的墨水样品进行动态光散射所测定，硅墨水的z平均二次粒径可不超过约250nm。所述总体结构包含形成p-n结的p掺杂元素硅层和n掺杂元素硅层。

另一方面，本发明涉及一种薄膜太阳能电池，其包含具有多晶硅与非晶硅的复合物并在一般形成相邻层的多晶硅区域与非晶硅区域之间具有纹理化界面的复合层。所述总体结构包含形成二极管结的p掺杂元素硅层和n掺杂元素硅层。所述纹理可反映多晶材料的微晶尺寸。

附图说明

图1为薄膜太阳能电池设计的示意剖视图，其中光伏元件与透明导电电极相邻且由透明前置膜层支撑。

图2为包含多晶p掺杂硅层和n掺杂硅层的p-n结的薄膜太阳能电池实施例的示意剖视图，其中至少一个掺杂硅层是使用在沉积后烧结的硅墨水形成。

图3为包含p-i-n结的薄膜太阳能电池的示意剖视图，其中i层包含本征多晶或非晶元素硅。

图4为薄膜太阳能电池的示意剖视图，其中本征层包含使用硅墨水形成的多晶组分和非晶硅组分。

图5为包含两个光伏元件的薄膜太阳能电池实施例的示意剖视图。

图6为用于执行墨水沉积和激光烧结的系统的示意透视图。

图7为随分散于异丙醇中的纳米粒子的二次粒径而变的散射强度分布曲线，其中平均一次粒径为25nm。

图8为随分散于异丙醇中的纳米粒子的二次粒径而变的散射强度分布曲线，其中平均一次粒径为9mm。

图9为随分散于乙二醇中的纳米粒子的二次粒径而变的散射强度分布曲线。

图10为随分散于松油醇中的纳米粒子的二次粒径而变的散射强度分布曲线。

图11为对于非牛顿硅纳米粒子糊剂随剪切速率而变的粘度曲线。

图12为由使用旋涂沉积和使用准分子激光器烧结的墨水形成的多晶硅薄膜层的截面的扫描电子显微(SEM)图像。

图13为图11的多晶硅薄膜层在用异丙醇溶液处理后的截面SEM图像。

图14为膜中单微晶的截面的透射电子显微(TEM)图像。

图15A为包含单晶粒子截面的电子显微图像和大块粒子的电子衍射图案的复合图像。

图15B为包含单晶粒子截面的电子显微图像和粒子边缘区的电子衍射图案的复合图像。

图16为膜中两个单微晶之间的界面的截面SEM图像。

图17为具有多晶硅薄膜且所述多晶薄膜上沉积有纳米粒子硅墨水的晶片在软烤后的截面SEM图像。