CN103872179A - 一种提高薄膜太阳能电池效率的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，用于硅基薄膜电池或铜铟镓硒CIGS电池的制备过程，均包括有在衬底上镀第一加工层、刻划第一沟槽、镀第二加工层、刻划第二沟槽、镀第三加工层和刻划第三沟槽步骤，其特征在于：刻划时使A区的各节平均宽度a大于总平均宽度d，B区的各节平均宽度b小于总平均宽度d，C区的各节平均宽度c等于总平均宽度d。本发明将目前通行的均一刻划方式改为补偿修正刻划的方式，将边缘子电池宽度有选择性地适当加宽，而将电池区域特性好的子电池宽度略微变窄，在不影响电池板整体膜层有效开口宽度的情况下使得电池组件的稳定效率提高1%以上，同时具有适用面广、不增加制造成本和简便易行等优点。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，具体的说是一种提高薄膜太阳能电池效率的制备方法。
背景技术
作为太阳能电池的一员，薄膜太阳能电池（包括硅基薄膜太阳能电池和铜铟镓硒CIGS、CIS薄膜太阳能电池等产品）由于节省原材料、制造过程能耗低、制造成本低、基板尺寸大、便于规模化生产、便于与建筑形成一体化节能产品等优点而成为太阳能电池的主要发展方向之一。但薄膜太阳能电池与单晶和多晶硅电池相比也存在如下劣势：其转化效率还比较低，需占用较大的安装面积并增加安装维护成本；而且硅基薄膜电池还存在明显的光致衰退问题。
薄膜太阳能电池是由一系列具有各种功能的薄膜组成的半导体物理器件，其核心膜层为光电转化膜层，主要由化学气相沉积（CVD）；等离子增强化学气相沉积（PECVD）；蒸发镀膜；溅射镀膜等真空工艺技术制成。由于采用了大尺寸基板（如1.1米×1.3米等），而所使用的大型镀膜设备由于工艺气体、温度、电磁场、等离子体、靶材、蒸发源等工艺参数的空间分布不均匀而导致光电转化膜的厚度及光电特性不能够绝对均匀一致，从而导致了该基板不同位置处由于镀膜层物理特性的不同而出现“子电池”功率及稳定性的不同。
通常状态下，基板的四个角及边缘区域的“子电池”性能往往是相对比较差的。以1.1米×1.3米基板为例，一般工艺要求下薄膜电池被激光均匀地刻划成由几十到上百个等宽度的“子电池”串联而成，而通过对在如图1所示的不同位置处切割下来的“子电池”进行测试，经过1000小时光照后稳定的衰减率相对值如表1所示：
表1
| 项目 | 1号 | 2号 | 3号 | 5号 | 6号 | 7号 |
| 衰减率相对值 | 11.8% | 12.0% | 10.8% | 8.7% | 8.3% | 8.8% |
上述数据显示：边角位置样品的平均衰减率相对值为11.5%，远高于中心位置样品的平均衰减率相对值8.6%，说明边角位置的“子电池”效率低、光衰减率较大。导致上述情况的原因则在于受到大尺寸真空镀膜设备的设备和技术限制，边角区域的膜层特性较中间区域存在差异。由于整块电池是串联关系，这些（即使是个别的）性能相对较差的“子电池”会使整个串联后的组件效率及光衰退率受到影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明结合薄膜电池核心制造工艺过程中的各项特点，提出了一种仅仅依靠改变刻划方式即可有效提高薄膜电池转化效率的方法。
本发明的技术方案为：一种提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，用于硅基薄膜电池或铜铟镓硒CIGS电池的制备过程，均包括有在衬底上镀第一加工层、刻划第一沟槽、镀第二加工层、刻划第二沟槽、镀第三加工层和刻划第三沟槽步骤，其特征在于：所述的第一沟槽、第二沟槽或第三沟槽的在相应的加工层上分别刻划总数为2m+2n+k条的沟槽，其中m、n和k均为自然数，且自左向右起，加工层左侧边缘到第1条沟槽之间（含第1条沟槽）构成正极区，第1条到第2条沟槽之间（含第2条沟槽）构成第1节，第m-1条至第m条之间构成第m节，以此类推，则第2m+2n+k条至加工层右侧边缘构成第2m+2n+k节；
加工层表面分为正极区、A区、B区和C区，其中A区由位于加工层左侧的m节和位于加工层右侧的m节组成，B区由最中间的k节组成，C区位于A区和B区之间，C区由其余的2n节组成；
衬底总宽为L，衬底左右两侧经激光扫边而成的边缘区以及加工层上正极区的宽度合计为U，加工层上的A区各节平均宽度为a，B区各节平均宽度为b，C区各节平均宽度为c，所有各节的总平均宽度为d，则其余部分宽度V=L-U =2m×a+k×b+2n×c=（2m+2n+k）×d；
刻划时使A区的各节平均宽度a大于总平均宽度d，且a≤d×1.025， B区的各节平均宽度b小于总平均宽度d，且b≥d×0.975，C区的各节平均宽度c等于总平均宽度d；
在用于硅基薄膜电池制备时，当刻划的沟槽为第一沟槽时，对应的加工层为导电氧化物层，当刻划的沟槽为第二沟槽时，对应的加工层为半导体光电转化层，当刻划的沟槽为第三沟槽时，对应的加工层为半导体光电转化层和背电极层；
在用于铜铟镓硒CIGS电池时，当刻划的沟槽为第一沟槽时，对应的加工层为背电极层，当刻划的沟槽为第二沟槽时，对应的加工层为半导体光电转化层，当刻划的沟槽为第三沟槽时，对应的加工层为导电氧化物层和半导体光电转化层。
所述的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽互相间隔开设，并且在保证相互间隔开的情况下, 第二沟槽和第一沟槽、第三沟槽和第二沟槽之间的间距要尽可能地小。第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽的槽宽s均为25-50μm之间，导电氧化物层、半导体光电转化层和背电极层的厚度均为0.5-2μm之间。
当沟槽为第三沟槽时，所述的正极区、A区、B区和C区是指位于电池板表面可见的第三正极区、第三A区、第三B区和第三C区，且第三A区、第三B区和第三C区中，除了最右侧的1节子电池全部为发电区外，其它各节子电子均由第一沟槽和第三沟槽之间（含第一沟槽和第三沟槽）形成宽度在200μm以内不能发电的死区和发电区组成。
硅基薄膜电池的典型制备流程，包括如下步骤：（1）提供在表面镀有透光导电氧化物层（TCO层）的衬底；（2）使用较高能量密度的脉冲激光束穿过衬底被导电氧化物层吸收后，产生熔融、烧蚀、蒸发等物理过程，使照射激光光斑的导电氧化物层被去除，并且划刻至贯穿导电氧化物层而形成第一沟槽；（3）在具有第一沟槽的导电氧化物层与衬底相对的表面镀半导体光电转化层；（4）使激光束穿过衬底和导电氧化物层被半导体光电转化层吸收后，产生熔融、烧蚀、蒸发等物理过程，使照射激光光斑的半导体光电转化层被去除，并且刻划至贯穿半导体光电转化层而形成第二沟槽；（5）在具有第二沟槽的半导体光电转化层与导电氧化物层相对的表面镀背电极层；（6）使激光束穿过衬底和导电氧化物层被半导体光电转化层吸收后，产生熔融、烧蚀、蒸发等物理过程，使照射激光光斑的半导体光电转化层连同上面的背电极膜层一同被去除，并且划刻至贯穿半导体光电转化层和背电极层而形成第三沟槽；
对于铜铟镓硒CIGS电池，则步骤分为：（1）提供在表面镀有金属Cr和Mo的背电极层的衬底；（2）使用较高能量密度的脉冲激光束穿过衬底被金属Cr和Mo的背电极层吸收后，产生熔融、烧蚀、蒸发等物理过程，使照射激光光斑的背电极膜层被去除，并且划刻至贯穿金属Cr和Mo的背电极层而形成第一沟槽；（3）在具有第一沟槽的导电背电极层与衬底相对的表面镀半导体光电转化层；（4）使用机械切割的方式，将半导体光电转化层切除（而不伤害到下面的金属Cr和Mo的背电极），并且刻划至贯穿半导体光电转化层而形成第二沟槽；（5）在具有第二沟槽的半导体光电转化层与背电极层相对的表面镀透光导电氧化物层；（6）使用机械切割的方式，从透光导电氧化物层表面到基板方向依次将透光导电氧化物层和半导体光电转化层切除（而不伤害到下面的金属Cr和Mo的背电极），并且划刻至贯穿导电氧化物层和半导体光电转化层而形成第三沟槽；
本发明根据镀膜设备工艺及膜层特性参数空间分布的规律，将目前通行的均一刻划方式改为依据不同设备具体的膜层和“子电池”功率、衰减性等特性的分布规律而补偿修正的刻划方式，即：有意根据上述边角区域“子电池”的特性规律，将边缘的“子电池”的宽度有选择性地适当加宽，而将电池特性好的区域中的“子电池”的宽度略微变窄，这样在不影响整个电池板的整体膜层有效开口宽度的情况下，提高了电池的稳定效率。
本发明的有益效果为：1、采用新的刻划方式，可使得整个电池组件的稳定效率在原来的基础上提高1%以上，对于10MW的薄膜电池电站而言，意味着可以增加100KW的发电装机，经济效益十分可观。2、适用面广，在非晶硅、非晶硅/微晶硅叠层电池，非晶硅锗合金多结电池，CIGS、CIS等薄膜太阳能电池技术及产品制程中均可应用，还具有不增加制造成本、简便易行等优点。
附图说明
图1为薄膜电池衰减率试验的取样图。
图2为本发明用于硅基薄膜电池制备的侧面剖视图。
图3为本发明用于硅基薄膜电池制备的俯视图。
图中，1-衬底，2-透光导电氧化物层，3-半导体光电转化层，4-背电极层。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式做进一步说明：
对于1.1m×1.3m电池板，目前通常的刻划方式为：将整个电池刻划为99节宽度均为1.0768厘米的“子电池”，本发明将整片电池的刻划方式由均一方式改为分成3个区域分别调制子电池宽度的方式。如图2和图3所示，本发明的制作过程分为如下步骤：
（1）提供在表面镀有厚度为1~2μm的透光导电氧化物层2的衬底1；
（2）使激光束穿过衬底1到达导电氧化物层2，并且划刻至贯穿导电氧化物层2而形成第一沟槽；
（3）在具有第一沟槽的导电氧化物层2与衬底1相对的表面镀0.5~2μm厚的半导体光电转化层3；
（4）使激光束穿过衬底1和导电氧化物层2到达半导体光电转化层3，并且刻划至贯穿半导体光电转化层3而形成第二沟槽；
（5）在具有第二沟槽的半导体光电转化层3与导电氧化物层2相对的表面镀1~2μm厚的背电极层4；
（6）使激光束穿过衬底1、导电氧化物层2到达半导体光电转化层3，并且划刻至贯穿半导体光电转化层3和背电极层4而形成第三沟槽。
上述步骤中，将第一沟槽总数、第二沟槽总数和第三沟槽总数均刻划为99条，其中第三沟槽分布在第三A区20条，第三B区19条，第三C区60条，从而将电池板刻划为99节子电池，且第三A区的左右侧均刻划为10节，每节宽度由1.0768厘米增加到1.0768×1.015=1.0930cm，总计宽度增加了0.0162×10×2=0.324厘米；第三B区刻划为19节，每节宽度由1.0768厘米减少到1.0597厘米，总计宽度相应减少了0.0171×19=0.324厘米；第三C区刻划为60节，宽度保持1.0768厘米不变。采取新的刻划方式后，整个电池组件的稳定效率在原有基础上提高了1%以上。
Claims (5)
1.一种提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，包括有在衬底上镀第一加工层、刻划第一沟槽、镀第二加工层、刻划第二沟槽、镀第三加工层和刻划第三沟槽步骤，其特征在于：所述的第一沟槽、第二沟槽或第三沟槽的在相应的加工层上分别刻划总数为2m+2n+k条的沟槽，其中m、n和k均为自然数，且自左向右起，加工层左侧边缘到第1条沟槽之间构成正极区，第1条到第2条沟槽之间构成第1节，第m-1条至第m条之间构成第m节，以此类推，则第2m+2n+k条至加工层右侧边缘构成第2m+2n+k节；
加工层表面分为正极区、A区、B区和C区，其中A区由位于加工层左侧的m节和位于加工层右侧的m节组成，B区由最中间的k节组成，C区位于A区和B区之间，C区由其余的2n节组成；
衬底总宽为L，衬底左右两侧经激光扫边而成的边缘区以及加工层上正极区的宽度合计为U，加工层上的A区各节平均宽度为a，B区各节平均宽度为b，C区各节平均宽度为c，所有各节的总平均宽度为d，则其余部分宽度V=L-U =2m×a+k×b+2n×c=（2m+2n+k）×d；
刻划时使A区的各节平均宽度a大于总平均宽度d，且a≤d×1.025， B区的各节平均宽度b小于总平均宽度d，且b≥d×0.975，C区的各节平均宽度c等于总平均宽度d；
在用于硅基薄膜电池制备时，当刻划的沟槽为第一沟槽时，对应的加工层为透光导电氧化物层，当刻划的沟槽为第二沟槽时，对应的加工层为半导体光电转化层，当刻划的沟槽为第三沟槽时，对应的加工层为半导体光电转化层和背电极层；
在用于铜铟镓硒CIGS电池时，当刻划的沟槽为第一沟槽时，对应的加工层为背电极层，当刻划的沟槽为第二沟槽时，对应的加工层为半导体光电转化层，当刻划的沟槽为第三沟槽时，对应的加工层为透光导电氧化物层和半导体光电转化层。
2.根据权利要求1所述的提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，其特征在于：用于硅基薄膜电池的制备过程，并包括如下步骤：（1）提供在表面镀有透光导电氧化物层的衬底；（2）使用脉冲激光束穿过衬底被导电氧化物层吸收后，并且划刻至贯穿导电氧化物层而形成第一沟槽；（3）在具有第一沟槽的导电氧化物层与衬底相对的表面镀半导体光电转化层；（4）使激光束穿过衬底和导电氧化物层被半导体光电转化层吸收后，并且刻划至贯穿半导体光电转化层而形成第二沟槽；（5）在具有第二沟槽的半导体光电转化层与透光导电氧化物层相对的表面镀背电极层；（6）使激光束穿过衬底和透光导电氧化物层被半导体光电转化层吸收后，并且划刻至贯穿半导体光电转化层和背电极层而形成第三沟槽。
3.根据权利要求1所述的提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，其特征在于：用于铜铟镓硒CIGS电池的制备过程，并包括如下步骤：（1）提供在表面镀有金属Cr和Mo的背电极层的衬底；（2）使用脉冲激光束穿过衬底被金属Cr和Mo的背电极层吸收后，并且划刻至贯穿金属Cr和Mo的背电极层而形成第一沟槽；（3）在具有第一沟槽的导电背电极层与衬底相对的表面镀半导体光电转化层；（4）使用机械切割的方式，将半导体光电转化层切除，并且刻划至贯穿半导体光电转化层而形成第二沟槽；（5）在具有第二沟槽的半导体光电转化层与背电极层相对的表面镀透光导电氧化物层；（6）使用机械切割的方式，从透光导电氧化物层表面到基板方向依次将透光导电氧化物层和半导体光电转化层切除，并且划刻至贯穿导电氧化物层和半导体光电转化层而形成第三沟槽。
4.根据权利要求1或2或3所述的提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，其特征在于：所述的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽互相间隔开设，第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽的槽宽s均为25-50μm之间。
5.根据权利要求1或2或3所述的提高薄膜太阳能电池效率的制备方法，其特征在于：所述导电氧化物层、半导体光电转化层和背电极层的厚度均为0.5-2μm。
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