[发明专利]低成本的太阳能电池及其生产方法

说明书

本申请是原申请的申请日为2008年11月7日，申请号为200880115434.9，发明名称为《低成本的太阳能电池及其生产方法》的中国专利申请的分案申请。相关申请

本申请要求2007年11月9日提交的美国临时申请序列号60/986,996的优先权，其公开的内容全部结合到本文。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏电池，更具体地涉及用于供这样的电池使用的低成本基本材料的制造方法以及用于制造低成本电池的方法以及所获得的电池器件结构体。

背景技术

常规的由化石燃料产生能源扮演着自上次冰川期以来对地球安宁的最大威胁。在所有的替代能源中，除节能之外，与其它途径如乙醇、水电和风能相比，可以论证太阳能光伏电池是最干净的、普遍存在的并且可能是最可靠的选择。原理是将光转换为小的直流电压的简单固态p-n结。可以将电池层叠以对车用电池充电或通过DC/AC转换输入电网。在可用于该目的各种半导体材料中，硅占据光伏太阳能电池产量的99%。与其它基于化合物半导体的太阳能电池相比，尽管其具有较高的转换效率，特别是在小面积电池中，但硅在地壳中丰富得多，并在全世界各种气候下在经风吹雨打的屋顶上提供高达30年的得到证明的可靠性。此外，利用硅的大规模商业制造技术已经使用了数十年并且发展良好和便于理解。因此，硅很可能仍然是占优势的用于太阳能电池的基本材料。

然而，尽管经三十年的发展，硅基太阳能电池还没有发挥出其用于大规模发电的潜能。对其认可的主要障碍是与制造太阳能电池有关的成本，尤其是用于制造太阳能电池的原料、基本材料（基板）的成本。与半导体微芯片的情况下仅约10%相比，材料占太阳能电池制造总成本的超过一半。讽刺地是，因为巨大的需求和高生产成本，用于太阳能电池的硅材料的价格实际上和油价同步增加。例如，在过去几年中，用于生产太阳能硅晶片的多晶硅材料每kg的成本显著增加，对于薄膜太阳电池，用于沉积该膜的硅烷气体的成本以及在沉积后清洗反应器的NF₃气体的成本同样地增加。相反，半导体芯片价格（即，每单元存储或逻辑功能）在过去的三十年按照摩尔定律指数地降低。学习曲线的这种不同可能涉及技术上以及材料相对于成本的比重（相比于日益提高的每单位面积器件密度的工艺和设计）的主要差别。

根据本领域的目前状态，基于多晶硅的太阳能电池生产按三个主要阶段进行。第一，为较适中的25MW容量工厂生产用于基板的大量硅晶片――典型地每月百万个晶片。第二，通过形成p-n结并金属化将这些晶片加工成太阳能电池。第三，然后将这些晶片“封装”成供用户设施中的安装使用的模块。

通过热分解含Si-H-Cl如二氯硅烷和三氯硅烷的危险气体生产超高纯的多晶硅，通常指九个九，即99.9999999%纯度，制造用于太阳能电池的基本硅晶片。这些气体是极易燃且有毒的。然而，由于在硅的气化中危害环境和健康，世界上仅有很少的工厂在运转，从而导致半导体和太阳能电池行业的瓶颈。新计划的硅气化工厂面临来自当地社区基于环境和安全关切的阻力。这些工厂还需要大量的资本投入和较长的建设周期。因此，在裸硅晶片的需求与供给之间始终存在不平衡。

通常按适合半导体和太阳能电池应用的颗粒状来提供纯硅（称为多晶硅，在硅烷基化合物的气化和分解之后）。然后使颗粒熔融并利用晶种提拉单晶棒或多晶带。或者，将多晶硅铸成柱状。将提拉的柱体锯切、成型并抛光成5～6英寸的圆形晶片，其后可以将其切割成正方形晶片。然后在碱性化学品例如KOH中进行湿化学蚀刻以织构。利用POC1₃熔炉扩散形成p-n结。然后利用PECVD SiON进行抗反射膜钝化。将丝网印刷的银糊涂覆到n-型面以及将铝糊涂覆到p-型面。然后烧结该糊以形成电接触。最后，测试电池并根据它们的特性如它们的I-V曲线来分类。

上述工艺在本行业中是众所周知的并且已经实施多年。然而，虽然在半导体中大部分成本（即，价值）在于将抛光的硅晶片转换为功能性集成电路的过程，但在太阳能电池制造中，将抛光后的晶片转变为功能性太阳能电池的过程比生产抛光晶片自身的过程成本低。也就是说，在商业意义上，将硅晶片转变成太阳能电池的过程在整个太阳电池板制造链中不是高附加价值的步骤。因此，与电池制造技术相反――在制造初始晶片的成本方面的任何改进或降低将能够使最终的太阳电池板的价格大幅度降低。

为了克服用于太阳能电池的硅原料的问题，已经沿着两个主要的途径积极地致力于降低太阳能电池每瓦消耗的硅量。这些是：

1.将晶片厚度从标准的500μm降低到～300μm。该途径受到晶片强度的限制，在高速通过加工设备期间晶片趋向破裂。