[发明专利]硅串接太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造薄膜硅基太阳能电池的工艺。本发明特别地解决了通过高级陷光来显著减少有源层厚度的课题。 

背景技术

光伏太阳能转换展现了提供环境友好的发电手段的前景。然而，在目前阶段，光伏能量转换单元提供的电能较之传统电站提供的电力仍相当昂贵。因此，开发生产光伏能量转换单元的更为成本有效的手段近年来得到关注。在生产低成本太阳能电池的不同方法中，薄膜硅太阳能电池组合了若干有利方面：首先，薄膜硅太阳能电池可以通过诸如等离子体增强化学汽相淀积（PECVD）的已知的薄膜淀积技术来制备，并且因此展现了通过使用过去在例如诸如显示器扇区的其他薄膜淀积技术的领域获得的经验来减少制造成本的协同前景。其次，薄膜硅太阳能电池可以实现力求10%或更高的高能量转换效率。第三，生产薄膜硅基太阳能电池的主要原材料是丰富的且无毒的。 

薄膜太阳能电池通常包括连续堆叠在基板上的第一电极、一个或更多个半导体薄膜p-i-n或n-i-p结、以及第二电极。图1示出了如本领域中已知的串接结硅薄膜太阳能电池。这样的薄膜太阳能电池50通常包括基板41上的第一或前电极42、一个或更多个半导体薄膜p-i-n结（52-54、51、44-46、43）、以及第二或后电极47。每个p-i-n结51、43或薄膜光电转换单元包括夹在p型层52、44和n型层54、46（p型=正掺杂，n型=负掺杂）之间的基本上本征的i型层53、45。该背景下的“基本上本征”被理解为未被掺杂或者呈现基本上没有合成掺杂。光电转换主要在该i型层中进行；因此其还被称为“吸收体层”。 

根据i型层53、45的晶体分数（结晶度），太阳能电池或光电（转换）器件的特征被描述为无定形（a-Si，53）或微晶（μc-Si，45）太阳能电池，而与相邻的p和n层的结晶度的种类无关。如本领域中常见的，“微晶”层被理解为在无定形基质中包括相当大比例的晶体硅（所谓的微晶体）的层。p-i-n结的堆叠被称为串接结或三结光伏电池。如图1中所示，无定形和微晶p-i-n结的组合还被称为“非微晶叠层（micromorph）串接电池”。图1示出了现有技术的串接结薄膜硅光伏电池。厚度非依比例绘制。 

技术中的缺陷 

尽管使用低的厚度，但是各层（特别是i层）的厚度仍然是薄膜硅太阳能电池的主要成本因素之一。例如，对于非微晶叠层串接电池，微晶（μc）底部电池常常在1.5μm或甚至更大的范围内。该厚度以以下多种方式影响薄膜太阳能电池的生产者的拥有成本：

高厚度需要用于淀积自身以及随后的等离子体清洗两者的硅淀积系统（例如，PECVD）的长的工艺持续时间。由于这种生产系统通常是主要投资，因此加工时间是对拥有成本的主要贡献。

此外，用于淀积和清洗的气体也是大的成本贡献，特别是硅烷SiH₄和F源气体（如NF₃、SF₆、F₂）。当能够降低层厚度时，可以大大地减少所有这些因素。 

发明内容

本发明的目的在于提供具有减小的层厚度的高性能太阳能电池。 

该目的通过根据权利要求1的太阳能电池装置以及根据权利要求8的这样的太阳能电池装置的制造方法来实现。在从属权利要求中说明了本发明的另外的实施例。 

本发明牵涉一种广度（extent）>1.4 m²的串接配置的太阳能电池装置，其包括a-Si电池和μc-Si电池，a-Si电池的吸收体层具有210nm±20nm的厚度，μc-Si电池的吸收体层具有900nm±200nm的厚度。 

用于实现具有减小的层厚度的高性能模块的关键标准有两个。一个是整个玻璃上的层的高均匀性，因为在层的低厚度下，光伏生成的电流变得对厚度变化敏感地多，电池更加远离饱和电流。这样，厚度的小波动可能导致电流的大变化，而电流限制可能导致降低的整体效率。这在（针对a-Si进行仿真的）图2中示出。 

另一标准是良好陷光（light trapping）的实现。“陷光”意味着太阳能电池利用入射光的能力。改进陷光行为的措施是抗反射涂层、纹理化或原生长粗糙TCO层以及另外采取的例如用于在吸收体层中使光的有效路径延伸的任何步骤。通常，最优层厚度由两个因素确定，即陷光和层质量。 

在具有良好陷光的情况下，可以在较低的厚度下实现光的相当大的吸收。材料质量的限制使得在较高的厚度下不能提取所生成的电荷载流子，因为电荷载流子在它们到达电极层之前就复合。（同样针对a-Si进行仿真的）图3图示了改进的陷光如何使效率最优值移向较低的厚度。