采用多层高速喷墨打印生成太阳能电池的方法技术

本发明专利技术的实施例涉及利用喷墨打印在柔性衬底上制造低成本多晶硅太阳能电池。特别实施例通过利用喷墨印刷或其他低成本商业印刷技术，采用液体硅烷在衬底上形成多晶硅或微晶硅太阳能电池，其中低成本商业印刷技术包括但不限于：丝网印刷、辊涂、凹版印刷、帘式涂布、喷雾涂布以及其他。具体实施例利用硅烷，例如环戊硅烷（Ｃ５Ｈ１０）或环己硅烷（Ｃ６Ｈ１２），其中所述硅烷在室温下为液态，但暴光于紫外线（ＵＶ）或更短波长的辐射时会发生开环化学反应。液体硅烷的开环使其转变为聚合材料，所述聚合材料包括饱和的和不饱和的变化长度的硅链。加热至大约２５０－４００℃使这些物质转变为氢化非晶硅薄膜。根据具体的加工条件，在较高的有效温度下控制退火使非晶硅薄膜改变相位转变为多晶硅或微晶硅。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本非临时专利申请要求于2007年12月19日提交的美国临时专利申请 No. 61/014, 965的优先权，并且其全文以引用方式并入本文。
技术介绍
基于光电效应，太阳能电池将来自太阳的光子转换为电子。在用于光伏(PV)太 阳能电池的各种材料中，晶体硅电池是最合适的，因为(1)硅来源广泛；(2)晶体硅具有 1. IeV的带隙，并且该数值接近AMI. 5太阳光谱的最佳值；和(3)硅加工已被长期用于半导 体工业和电池中，并且已经用硅证实具有最高的生产效率。然而，硅加工需要昂贵的制造设 备。而且，最近在太阳能电池中对硅的需求和硅片产能的不足已经造成硅的短缺，因此导致 了硅价格的显著增加。虽然预期显著的硅片产能在2008-2009年期间上线，但预期制造的 基础成本不会发生剧烈的变化。由于将硅材料加热至其熔点需要较高的资金和功率要求以及严格纯化需要硅太 阳电池，因此单晶硅和较低成本的多晶硅片的制造较为昂贵。随后的将这些硅片在功能上 转换为太阳光伏板的加工也是昂贵的。由于硅材料消耗较少且资金需求较低，所以基于非 晶硅薄膜的太阳光伏板比那些使用硅片制造的成本更低。但是，基于需要的真空设备的资 金成本和传统硅薄膜的较低生产能力也导致了较高的电池生产成本。包括碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CIS)的几种薄膜技术已经证明了较低的制造成本， 但其效率低下(5% -8% )。这些方法还存在与高资金设备成本和有限的生产能力有关的成 本问题。较低的$/Wp(峰值功率)是大量采用太阳光伏的关键。为了使$/Wp具有较低的 度量值，同时需要高效率和低成本。
技术实现思路
本专利技术采用工业级喷墨打印和快速激光退火，通过计划由多晶硅或微晶硅制造高 效率太阳能电池来解决上述问题。与基于真空的半导体沉积设备，例如PECVD、LPCVD等相 比，喷墨打印机相对便宜。而且，通过采用喷墨打印沉积的大晶粒多晶硅或微晶硅薄膜能够 实现12% -16%的效率，在一些实施例中介于10% -16%之间。低生产成本和较高效率的 组合将显著地降低太阳能电池的$/Wp。本专利技术的实施例涉及采用喷墨打印在柔性衬底上形成低成本多晶硅太阳能电池。 特别实施例通过使用喷墨打印或其他低成本商业打印技术，利用液体硅烷在衬底(包括柔 性或刚性衬底)上形成多晶硅或微晶硅太阳能电池，商业印刷技术包括但不限于丝网印 刷、辊涂、凹版涂布、帘式涂布、喷雾涂布以及其他。具体实施例使用硅烷，例如环戊硅烷 (C5H10)或环己硅烷(C6H12),这些硅烷在室温下为液态，但暴光于紫外线(UV)或更短波长的 辐射时会发生开环化学反应。液体硅烷的开环将其转变为聚合材料，该聚合材料包括饱和 的和不饱和的变化长度的硅链。加热至大约250-400°C使该聚合材料转变为氢化非晶硅薄膜。依据具体的加工条件，在较高的有效温度下控制退火使非晶硅薄膜改变相位变为多晶 硅或微晶硅。根据本专利技术的实施例的方法包括提供衬底和采用液体硅烷涂布选择的区域。将 液体硅烷转变为聚合材料，和在光伏电池中将聚合材料合并为吸收层。根据本专利技术的另一个实施例，用于制造光伏电池的方法包括通过将液体硅烷涂 于表面并且随后对液体硅烷进行热处理来形成硅吸收层，和在硅吸收层上形成附加层。根据本专利技术的光伏电池的实施例包括衬底，和在衬底上形成的多晶硅吸收层，并 且该多晶硅吸收层具有约0. 5-20 μ m之间的厚度和包括P/N结。通过参考以下结合附图进行的详细描述可进一步理解根据本专利技术的实施例。附图说明图1是采用闪耀光栅法的光俘获的简要描述；图2显示了采用正弦光栅法的光俘获的简要描述；图3显示了采用朗伯反射的光俘获的简要描述；图4显示了在玻璃衬底上利用液体硅烷的帘式涂布的实施例的简化剖视图；图5A-C显示了在衬底上液体硅烷的喷墨打印的不同视图；图6A-C显示了液体硅烷的紫外线固化的不同视图；图7A-C显示了聚合硅烷的加热的不同视图；图8A-C显示了非晶硅的激光退火的不同视图；图9-9A分别是显示使用TCO的激光消融分离PV电池的简化平面视图和剖视图；图10-10A分别显示了具有TCO织构化的覆板电池设计的剖视图和放大剖视图；图11-11A分别显示了具有TCO织构化的衬底电池设计的剖视图和放大剖视图；图12显示了具有在背反射镜上形成的光栅结构的实施例的简化剖视图；图13显示了具有在电池上形成的光栅结构的实施例的简化剖视图；图14-14A显示了双面电池的实施例的简化剖视图和放大剖视图；图15-15A分别显示了根据本专利技术的用Cd:Te整合的电池的实施例的简化剖视图 和放大剖视图。具体实施例方式本专利技术的特别实施例通过采用喷墨打印或其他低成本商业印刷技术，利用液体硅 烷在衬底(其可以是柔性或刚性衬底)上形成多晶硅或微晶硅太阳能电池，其中商业印刷 技术包括但不限于丝网印刷、辊涂、凹版涂布、帘式涂布、喷雾涂布和其他等。具体实施例 使用硅烷，例如环戊硅烷(C5Hltl)或环己硅烷(C6H12)等，这些硅烷在室温下为液态，但暴光 于紫外线(UV)或更短波长的辐射时会发生开环化学反应。液体硅烷的开环将其转变为聚 合材料，该聚合材料包括饱和的和不饱和的变化长度的硅链。加热至大约250-400°C将这些 聚合材料转变为氢化非晶硅薄膜。根据具体的加工条件，在较高的温度下控制退火使非晶薄膜改变相位变为多晶硅 或微晶硅。可以使用本专利技术的实施例以形成粒度在约0.5-20 μ m范围内的硅薄膜，具体实 施例的粒度在3-4 μ m范围内。由本专利技术的实施例所提供的有益效果为其需要使用低成本、市场上可得到的加 工设备，该加工设备在大气压下操作，并且周期时间短、材料消耗少和中等温度。这些特征 明显降低了加工光伏硅薄膜的成本。由于用该方法制造活性吸收层的成本低，本专利技术的实施例可作为附加方法应用于 其他类型太阳能电池的制造，包括但不限于硅(包括单晶硅、多晶硅、或非晶硅)、Cd:Te和 铜铟镓硒(CIGS)。由此种方法制造的PV电池的实施例将具有由传统技术制造的现有的层， 和利用根据本专利技术的方法制造的一个或多个附加层。本专利技术的实施例能够在边缘附加成本 增加总的电池效率。利用本专利技术的实施例制造的PV电池不但实现了成本低于当前制造的PV电池，同 时其还能够实现与市场上可得到的电池相等或更高的效率。为此，本专利技术的实施例可以整 合增强太阳光收集效率的方法。提高光收集效率的一种方法是通过织构化衬底和/或其中一个沉积层。提高光收 集的另一种方法是通过将衍射光栅结构整合到其中一个薄膜。两种方法均显著地增加了光 穿过硅薄膜的路径，因此吸收更多的入射光并将其转变为电荷载流子。用于收集更多光的另一种方法是使用液体硅烷制造双面电池。在该双面电池中， 活性吸收层位于平面电池的两侧。外部的光学器件收集光，并且使电池的两个面曝光。特别实施例利用通过喷墨打印形成的液体硅烷薄膜。在该方法中，喷墨打印将用 于沉积太阳能电池的各层，大小(x_y)包括吸收层、透明导电氧化物(TCO)、减反射(AR)涂 层和接触金属化层。使用激光或闪光灯的快速退火将用于在沉积的非晶硅薄膜上形成大晶 粒多晶硅或微晶硅薄膜。激光可进一步用于分离太阳能电池。最终，喷墨打印将用于形成 接触金属化层。本专利技术实施例的关键因素为1.高速喷墨打印，以沉积来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：提供衬底；采用液体硅烷涂布选择的区域；将液体硅烷转变为聚合材料；和将作为吸收层的聚合材料并入光伏电池中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿伦拉马穆尔斯，肯尼思R佩洛思凯，埃里克R西尔肯，
申请(专利权)人：西雷克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]