專利名稱：采用多層高速噴墨打印生成太陽能電池的方法
采用多層高速噴墨打印生成太陽能電池的方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本非臨時(shí)專利申請(qǐng)要求于2007年12月19日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng) No. 61/014, 965的優(yōu)先權(quán)，并且其全文以引用方式并入本文。
背景技術(shù)：
基于光電效應(yīng)，太陽能電池將來自太陽的光子轉(zhuǎn)換為電子。在用于光伏(PV)太 陽能電池的各種材料中，晶體硅電池是最合適的，因?yàn)?1)硅來源廣泛；(2)晶體硅具有 1. IeV的帶隙，并且該數(shù)值接近AMI. 5太陽光譜的最佳值；和(3)硅加工已被長(zhǎng)期用于半導(dǎo) 體工業(yè)和電池中，并且已經(jīng)用硅證實(shí)具有最高的生產(chǎn)效率。然而，硅加工需要昂貴的制造設(shè) 備。而且，最近在太陽能電池中對(duì)硅的需求和硅片產(chǎn)能的不足已經(jīng)造成硅的短缺，因此導(dǎo)致 了硅價(jià)格的顯著增加。雖然預(yù)期顯著的硅片產(chǎn)能在2008-2009年期間上線，但預(yù)期制造的 基礎(chǔ)成本不會(huì)發(fā)生劇烈的變化。由于將硅材料加熱至其熔點(diǎn)需要較高的資金和功率要求以及嚴(yán)格純化需要硅太 陽電池，因此單晶硅和較低成本的多晶硅片的制造較為昂貴。隨后的將這些硅片在功能上 轉(zhuǎn)換為太陽光伏板的加工也是昂貴的。由于硅材料消耗較少且資金需求較低，所以基于非 晶硅薄膜的太陽光伏板比那些使用硅片制造的成本更低。但是，基于需要的真空設(shè)備的資 金成本和傳統(tǒng)硅薄膜的較低生產(chǎn)能力也導(dǎo)致了較高的電池生產(chǎn)成本。包括碲化鎘(CdTe)和銅銦硒(CIS)的幾種薄膜技術(shù)已經(jīng)證明了較低的制造成本， 但其效率低下(5% -8% )。這些方法還存在與高資金設(shè)備成本和有限的生產(chǎn)能力有關(guān)的成 本問題。較低的$/Wp(峰值功率)是大量采用太陽光伏的關(guān)鍵。為了使$/Wp具有較低的 度量值，同時(shí)需要高效率和低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用工業(yè)級(jí)噴墨打印和快速激光退火，通過計(jì)劃由多晶硅或微晶硅制造高 效率太陽能電池來解決上述問題。與基于真空的半導(dǎo)體沉積設(shè)備，例如PECVD、LPCVD等相 比，噴墨打印機(jī)相對(duì)便宜。而且，通過采用噴墨打印沉積的大晶粒多晶硅或微晶硅薄膜能夠 實(shí)現(xiàn)12% -16%的效率，在一些實(shí)施例中介于10% -16%之間。低生產(chǎn)成本和較高效率的 組合將顯著地降低太陽能電池的$/Wp。本發(fā)明的實(shí)施例涉及采用噴墨打印在柔性襯底上形成低成本多晶硅太陽能電池。 特別實(shí)施例通過使用噴墨打印或其他低成本商業(yè)打印技術(shù)，利用液體硅烷在襯底(包括柔 性或剛性襯底)上形成多晶硅或微晶硅太陽能電池，商業(yè)印刷技術(shù)包括但不限于絲網(wǎng)印 刷、輥涂、凹版涂布、簾式涂布、噴霧涂布以及其他。具體實(shí)施例使用硅烷，例如環(huán)戊硅烷 (C5H10)或環(huán)己硅烷(C6H12),這些硅烷在室溫下為液態(tài)，但暴光于紫外線(UV)或更短波長(zhǎng)的 輻射時(shí)會(huì)發(fā)生開環(huán)化學(xué)反應(yīng)。液體硅烷的開環(huán)將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆喜牧?，該聚合材料包括飽?的和不飽和的變化長(zhǎng)度的硅鏈。加熱至大約250-400°C使該聚合材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠蔷Ч璞∧?。依?jù)具體的加工條件，在較高的有效溫度下控制退火使非晶硅薄膜改變相位變?yōu)槎嗑?硅或微晶硅。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法包括提供襯底和采用液體硅烷涂布選擇的區(qū)域。將 液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆喜牧?，和在光伏電池中將聚合材料合并為吸收層。根?jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，用于制造光伏電池的方法包括通過將液體硅烷涂 于表面并且隨后對(duì)液體硅烷進(jìn)行熱處理來形成硅吸收層，和在硅吸收層上形成附加層。根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的實(shí)施例包括襯底，和在襯底上形成的多晶硅吸收層，并 且該多晶硅吸收層具有約0. 5-20 μ m之間的厚度和包括P/N結(jié)。通過參考以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述可進(jìn)一步理解根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。


圖1是采用閃耀光柵法的光俘獲的簡(jiǎn)要描述；圖2顯示了采用正弦光柵法的光俘獲的簡(jiǎn)要描述；圖3顯示了采用朗伯反射的光俘獲的簡(jiǎn)要描述；圖4顯示了在玻璃襯底上利用液體硅烷的簾式涂布的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖；圖5A-C顯示了在襯底上液體硅烷的噴墨打印的不同視圖；圖6A-C顯示了液體硅烷的紫外線固化的不同視圖；圖7A-C顯示了聚合硅烷的加熱的不同視圖；圖8A-C顯示了非晶硅的激光退火的不同視圖；圖9-9A分別是顯示使用TCO的激光消融分離PV電池的簡(jiǎn)化平面視圖和剖視圖；圖10-10A分別顯示了具有TCO織構(gòu)化的覆板電池設(shè)計(jì)的剖視圖和放大剖視圖；圖11-11A分別顯示了具有TCO織構(gòu)化的襯底電池設(shè)計(jì)的剖視圖和放大剖視圖；圖12顯示了具有在背反射鏡上形成的光柵結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖；圖13顯示了具有在電池上形成的光柵結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖；圖14-14A顯示了雙面電池的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖和放大剖視圖；圖15-15A分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的用Cd:Te整合的電池的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖 和放大剖視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的特別實(shí)施例通過采用噴墨打印或其他低成本商業(yè)印刷技術(shù)，利用液體硅 烷在襯底(其可以是柔性或剛性襯底)上形成多晶硅或微晶硅太陽能電池，其中商業(yè)印刷 技術(shù)包括但不限于絲網(wǎng)印刷、輥涂、凹版涂布、簾式涂布、噴霧涂布和其他等。具體實(shí)施例 使用硅烷，例如環(huán)戊硅烷(C5Hltl)或環(huán)己硅烷(C6H12)等，這些硅烷在室溫下為液態(tài)，但暴光 于紫外線(UV)或更短波長(zhǎng)的輻射時(shí)會(huì)發(fā)生開環(huán)化學(xué)反應(yīng)。液體硅烷的開環(huán)將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫?合材料，該聚合材料包括飽和的和不飽和的變化長(zhǎng)度的硅鏈。加熱至大約250-400°C將這些 聚合材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠蔷Ч璞∧ぁ８鶕?jù)具體的加工條件，在較高的溫度下控制退火使非晶薄膜改變相位變?yōu)槎嗑Ч?或微晶硅。可以使用本發(fā)明的實(shí)施例以形成粒度在約0.5-20 μ m范圍內(nèi)的硅薄膜，具體實(shí) 施例的粒度在3-4 μ m范圍內(nèi)。
由本發(fā)明的實(shí)施例所提供的有益效果為其需要使用低成本、市場(chǎng)上可得到的加 工設(shè)備，該加工設(shè)備在大氣壓下操作，并且周期時(shí)間短、材料消耗少和中等溫度。這些特征 明顯降低了加工光伏硅薄膜的成本。由于用該方法制造活性吸收層的成本低，本發(fā)明的實(shí)施例可作為附加方法應(yīng)用于 其他類型太陽能電池的制造，包括但不限于硅(包括單晶硅、多晶硅、或非晶硅)、Cd:Te和 銅銦鎵硒(CIGS)。由此種方法制造的PV電池的實(shí)施例將具有由傳統(tǒng)技術(shù)制造的現(xiàn)有的層， 和利用根據(jù)本發(fā)明的方法制造的一個(gè)或多個(gè)附加層。本發(fā)明的實(shí)施例能夠在邊緣附加成本 增加總的電池效率。利用本發(fā)明的實(shí)施例制造的PV電池不但實(shí)現(xiàn)了成本低于當(dāng)前制造的PV電池，同 時(shí)其還能夠?qū)崿F(xiàn)與市場(chǎng)上可得到的電池相等或更高的效率。為此，本發(fā)明的實(shí)施例可以整 合增強(qiáng)太陽光收集效率的方法。提高光收集效率的一種方法是通過織構(gòu)化襯底和/或其中一個(gè)沉積層。提高光收 集的另一種方法是通過將衍射光柵結(jié)構(gòu)整合到其中一個(gè)薄膜。兩種方法均顯著地增加了光 穿過硅薄膜的路徑，因此吸收更多的入射光并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾奢d流子。用于收集更多光的另一種方法是使用液體硅烷制造雙面電池。在該雙面電池中， 活性吸收層位于平面電池的兩側(cè)。外部的光學(xué)器件收集光，并且使電池的兩個(gè)面曝光。特別實(shí)施例利用通過噴墨打印形成的液體硅烷薄膜。在該方法中，噴墨打印將用 于沉積太陽能電池的各層，大小(x_y)包括吸收層、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)、減反射(AR)涂 層和接觸金屬化層。使用激光或閃光燈的快速退火將用于在沉積的非晶硅薄膜上形成大晶 粒多晶硅或微晶硅薄膜。激光可進(jìn)一步用于分離太陽能電池。最終，噴墨打印將用于形成 接觸金屬化層。本發(fā)明實(shí)施例的關(guān)鍵因素為1.高速噴墨打印，以沉積來自基于硅烷、聚硅烷或環(huán)硅烷的油墨的無摻雜或η和ρ 型摻雜的非晶硅的層；2.快速退火(激光或熱)以結(jié)晶薄膜并減少缺陷；3.抗反射涂層和透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜的高速噴墨打印；4.光俘獲技術(shù)以增強(qiáng)電池效率；5.激光刻蝕以分離電池；和6.接觸金屬化層的高速噴墨打印。本發(fā)明涵蓋多種實(shí)施例。根據(jù)某些實(shí)施例，液態(tài)涂層系統(tǒng)例如噴墨打印或其他可 用的技術(shù)用于沉積液體硅烷，經(jīng)紫外線曝光和熱處理后，形成光活性半導(dǎo)體層。此液態(tài)涂層可以整合到總的工藝流程中，該工藝流程將包括在完整太陽能光伏電 池的形成中使用的其他薄膜的液態(tài)或真空涂層。這種其他薄膜的例子包括但不限于透明 導(dǎo)電氧化物、減反射涂層和金屬化層。使用激光、熱退火，或閃光燈的快速退火可以用于在沉積的非晶硅薄膜上形成大 晶粒多晶硅或微晶硅薄膜?？蛇M(jìn)一步采用激光“切割”成活性半導(dǎo)電層或?qū)щ妼右栽陔娚?分離太陽能電池，或者為金屬接觸形成的P或η接合層打開窗口。噴墨打印或者替代的液 態(tài)涂層技術(shù)，或真空涂層技術(shù)可用于形成接觸金屬化層。此類實(shí)施例的因素包括
1.高速噴墨打印，或其他液態(tài)涂層技術(shù)，以沉積無摻雜或η和ρ型摻雜的基于硅 烷、聚硅烷或環(huán)硅烷的油墨的層；2.強(qiáng)紫外線輻射曝光和加熱的組合以誘導(dǎo)液態(tài)油墨聚合為固體聚硅烷材料；3.固體聚硅烷的溫度處理以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Ч瑁?.快速退火(激光、熱的、閃光燈、或其他)以結(jié)晶薄膜并減少缺陷；5.減反射涂層和透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜的高速噴墨打印，或者其他液態(tài)或傳 統(tǒng)真空涂層技術(shù)；6.光俘獲技術(shù)以增強(qiáng)電池效率；7.激光刻蝕以分離電池并向活性層開放接觸點(diǎn)；8.接觸金屬化層的高速噴墨，或絲網(wǎng)印刷；9.使用這些技術(shù)用于提高總的系統(tǒng)效率的目的，與其他光伏技術(shù)例如單晶硅、多 晶硅、Cd:Te、銅銦硒(CIS)、III-V材料或其他等的現(xiàn)有方法一致。10.該技術(shù)廉價(jià)地整合為雙面電池，在雙面電池中，光能夠從每側(cè)都有獨(dú)立光活性 層的平面光伏電池的兩側(cè)進(jìn)入。當(dāng)前，大多數(shù)基于非硅的薄膜太陽能電池效率低下。由于帶隙和材料特性，晶體硅 是更好的吸收體并且已經(jīng)證明其具有比其他薄膜材料例如CIS和CdTe更高的效率。即使 其他薄膜技術(shù)具有更低的效率，但它們?nèi)跃哂斜葌鹘y(tǒng)硅更低的生產(chǎn)成本。本發(fā)明提出的方 法提供了晶體硅的高效率，同時(shí)提供了這些太陽能電池的低成本制造的路徑。對(duì)于基于傳統(tǒng)晶體硅的太陽能電池，當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)是使用具有背接觸的P和η 型硅生成ρ-η結(jié)。SunPower公司已證明此類太陽能電池的效率在20.0%-22.0%之間。此 類效率需要的制造具有最低雜質(zhì)和低缺陷水平的高質(zhì)量單晶硅片的成本很高。硅片的短缺 和原料成本的上升導(dǎo)致了替代的基于薄膜的方法的開發(fā)。眾所周知的薄膜方法包括碲化鎘 (CdTe)、銅銦硒(CIS)和非晶硅(a:Si)。這些基于薄膜的方法中的大多數(shù)采用物理或化學(xué) 沉積來沉積吸收體。通常，通過來自硅烷氣的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法來沉積非晶硅太 陽能電池。然而，由于摻雜降低載流子壽命的誘導(dǎo)缺陷，通常將a:Si電池制造為p-i-n結(jié) 構(gòu)。它們還遭受光誘導(dǎo)降解(Staebler-Wronski效應(yīng))，并且通常效率更低。因此大多數(shù) a-Si電池和SiGe —起被構(gòu)建為多結(jié)電池。此外，利用PECVD，最好的材料的沉積率在1人/ Sec左右，這限制了優(yōu)質(zhì)a-Si電池的大批量生產(chǎn)。大型真空設(shè)備固有的高資本和維護(hù)費(fèi)用 連同低薄膜沉積率造成了高制造成本。雖然CdTe在1. 45eV的帶隙具有較高的光吸收，并且是一種直接的帶隙材料和非 常適合于太陽能應(yīng)用，但最佳生產(chǎn)的太陽能電池具有10.0%左右的效率。CdTe太陽能電池 的毒性和碲的長(zhǎng)期缺乏已經(jīng)引起了潛在的關(guān)注。CdTe的沉積技術(shù)，例如升華冷凝、近空間 升華、化學(xué)氣相沉積或原子層外延，需要大量的資金支出，盡管該資金支出低于傳統(tǒng)的硅加工。迄今為止，銅銦二硒(CIS)是最有效的異質(zhì)結(jié)薄膜技術(shù)，在美國國家可再生能源 實(shí)驗(yàn)室(NREL)中，在0. 5cm2的實(shí)驗(yàn)室電池上證明具有18. 的效率，在20cm2的微型組件 上具有14.7%的效率。由于銅銦二硒作為三元合金(與鎵)的復(fù)雜相圖和單相CIS的存在 范圍窄，因此采用正確的化學(xué)計(jì)量法沉積這些薄膜非常具有挑戰(zhàn)性。而且，這些薄膜具有形成大量?jī)?nèi)在缺陷的趨勢(shì)。由于銅、銦和硒的共蒸發(fā)，該沉積方法復(fù)雜并且昂貴。這種情況發(fā) 生在真空室，那將會(huì)導(dǎo)致資金設(shè)備昂貴同時(shí)生產(chǎn)能力低下。本文提到的所有獨(dú)立組件均已在其他應(yīng)用例如半導(dǎo)體器件加工中顯示出作用。1.已經(jīng)制造出的微晶硅薄膜或多晶硅薄膜太陽能電池其效率在高的個(gè)位數(shù)。預(yù)計(jì) 晶體硅薄膜電池的理論效率在12% -18%左右，在一些實(shí)施例中在10% -18%之間。但這 些需要特殊的電池設(shè)計(jì)以使收集效率最大化。2.包括索尼(Sony)、夏普(Sharp)等在內(nèi)的一些公司已證明了提出的用于n_硅 或P-硅的基于噴墨的沉積技術(shù)用于RFID應(yīng)用。這些公司已經(jīng)顯示硅薄膜具有與通過PECVD 沉積的傳統(tǒng)硅薄膜相當(dāng)?shù)妮d流子遷移率。3.目前，諸如Crystalline Silicon on Glass等公司使用例如熱退火的技術(shù)。但 是，由于襯底的限制，他們受到在大晶粒結(jié)晶需要的較高溫度下加工的限制。在半導(dǎo)體和 IXD應(yīng)用中，已經(jīng)采用脈沖激光退火生成大晶粒多晶硅。對(duì)于多晶硅TFT IXDs已證實(shí)采用 雙脈沖激光退火。也已顯示使用強(qiáng)脈沖氙燈將非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч琛?.已顯示出本文提出的各種光俘獲技術(shù)在各種其他電池結(jié)構(gòu)和應(yīng)用中起作用。使 用這些技術(shù)來增加噴墨打印和激光退火電池的光俘獲效率是獨(dú)一無二的。在某些實(shí)施例中，可通過噴墨打印形成液體硅烷。在該方法中，在柔性襯底例如 不銹鋼、鋁等上，利用工業(yè)級(jí)噴墨打印來沉積非晶硅(a_Si:H)薄膜。該薄膜由基于各種硅 的油墨例如硅烷、聚硅烷、環(huán)硅烷等打印。在具體實(shí)施例中，油墨包括非晶態(tài)特性的納米顆 粒。這些油墨包括摻雜劑例如硼或磷以生成用于發(fā)射極和基極區(qū)的η型和ρ型油墨。在摻 雜薄膜的情況下，可將這些油墨直接噴墨打印到襯底上。如果這些油墨是非摻雜的，則將需 要額外的步驟以生成摻雜薄膜。也可以通過使用旋涂薄膜來合并所需要的摻雜劑以實(shí)現(xiàn) 該目的。需要沉積的硅薄膜的厚度在1_20μπι的范圍內(nèi)，在某些實(shí)施例中，厚度可以在約 0. 5-20 μ m之間。這些可以采用市場(chǎng)上可得到的噴墨打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中噴墨打印機(jī)的掃描 速度為200-500mm/s、射速2_10KHz、墨滴體積1_20微微升(pL)、128個(gè)噴嘴打印頭、油墨粘 度在l-15cP的范圍內(nèi)，以及印刷精度為5-7 μ m。然后，將采用快速激光退火或基于燈的快 速熱退火(RTA)方法結(jié)晶該非晶硅薄膜。這可以通過短脈沖激光來實(shí)現(xiàn)，短脈沖激光包括 準(zhǔn)分子激光(193nm、248nm、308nm)、氬離子激光和其他更長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光，或者在快速熱退火 的情況下通過基于鹵素的閃光燈來實(shí)現(xiàn)。為了使氧的吸收最小化，在吸收層的打印以及退 火處理過程中應(yīng)采用惰性環(huán)境，例如氬氣和/或氮?dú)猸h(huán)境。最佳晶粒生長(zhǎng)需要的局部溫度 在500-650°C的范圍內(nèi)，在一些實(shí)施例中在400-800°C之間。可以優(yōu)化退火工藝的工藝參數(shù) 以得到在1-20μπι范圍內(nèi)的晶粒尺寸，在一些實(shí)施例中在0. 5-20μπι之間。在一個(gè)實(shí)施例 中，晶粒常常為柱形或其他需要的形狀。為了增加電池的效率，可以將各種光俘獲技術(shù)應(yīng)用 于電池中。這些光俘獲技術(shù)包括利用表面織構(gòu)化(參見附圖)的閃耀光柵(圖1)或正弦光 柵(圖2)和朗伯反射(圖3)的使用。還可用噴墨打印來沉積透明導(dǎo)電薄膜、減反射薄膜 和接觸金屬化層。可以采用各種蝕刻方法進(jìn)行織構(gòu)化。對(duì)于透明導(dǎo)電薄膜，可以噴墨打印 由過渡金屬氧化物(例如氧化錫銻、多孔二氧化錫)制成的納米顆粒油墨，接著進(jìn)行退火。 可以噴墨打印折射率在1.2-1. 5之間的減反射(AR)涂層以提高電池的收集效率?？梢圆?用由納米多孔材料(包括聚電解質(zhì)多層)制造的AR涂層。也可以對(duì)這些涂層分級(jí)以提高 寬帶減反射特性。使用接觸噴墨打印可獲得共形沉積以及更好的分辨率和縱橫比，并且因此能夠提高太陽能電池的性能?？梢圆捎脤?dǎo)電油墨例如Ag、Au、Cu、Pd等的噴墨打印進(jìn)行 接觸金屬化。最終，可采用密封劑例如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)密封電池。某些硅烷材料，特別是環(huán)戊硅烷C5Hltl或環(huán)己硅烷C6H12在室溫下為液態(tài)。這些硅烷 分子的衍生物，無論是更大的環(huán)結(jié)構(gòu)和/或結(jié)合了硼、磷或其他類型的與一個(gè)或更多個(gè)硅 原子結(jié)合的配合基，也可以是液態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，液體硅烷包括硼(或其他III型元素)，和/或包括磷(或其他 V型元素)。當(dāng)稀釋至合適的濃度并且隨后進(jìn)行加工時(shí)，使用這些摻雜硅烷形成的薄膜繼承 了相應(yīng)的P或η型電特性。在某些實(shí)施例中，液體硅烷可以包含聚合硅烷的納米顆粒以控制粘度并因此控制 厚度和應(yīng)用方法的適合性。在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌鈮嚎刂频念A(yù)防措施下，多種這些材料可被用 于生成基于硅的固體薄膜。根據(jù)本發(fā)明的特別實(shí)施例，在大氣壓強(qiáng)和室溫下，商業(yè)噴墨系統(tǒng)可以將液體硅烷 涂布在柔性襯底例如用絕緣體涂布的薄不銹鋼上，或者涂布在耐用塑料薄板上。用這種方 法避免了對(duì)昂貴、低生產(chǎn)能力、要求提高襯底的加熱溫度的基于真空的沉積設(shè)備的需要。此外，很多塑料材料不能耐受真空沉積需要的溫度，從而使其不可能用任何其他 方式形成優(yōu)質(zhì)的硅薄膜。塑料和柔性金屬薄板具有材料成本非常低的優(yōu)勢(shì)，并且允許將活 性光伏器件整合到建筑元件中。本發(fā)明的實(shí)施例還涵蓋固定的或剛性襯底例如玻璃板的使 用。在加工后，根據(jù)需要的成品電池特性，硅薄膜的厚度可以在約0.5_20μπι的范圍 內(nèi)。在噴墨打印的情況下，該厚度能夠采用市場(chǎng)上可得到的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，其中該設(shè)備的掃描 速度在200-500mm/s范圍內(nèi)、射速在2_10KHz之間、墨滴體積為1_20微微升(pL)、128個(gè)噴 嘴打印頭、油墨粘度在l_15cP的范圍內(nèi)和印刷精度為5-7μπι。作為另外一個(gè)實(shí)例，噴霧涂布機(jī)(超聲的或其他的)能夠在一分鐘內(nèi)用粘度范圍 為20-50cP的液體將1 X Im2的玻璃襯底涂布至厚度為10 μ m。凹印涂布機(jī)能夠以0. 5米/ 秒的速率，用粘度范圍為10-60cP的液體將固定的或柔性襯底涂布至厚度為20 μ m。本發(fā)明 的實(shí)施例可以使用的其他涂布技術(shù)包括但不限于噴霧涂布、凹版涂布、簾式涂布、輥涂、絲 網(wǎng)印刷、和浸涂。圖4顯示了采用簾式涂布法將液體硅烷400涂布在玻璃襯底402上的實(shí) 施例的簡(jiǎn)化剖視圖。將液體硅烷材料暴露于紫外線或更短波長(zhǎng)的輻射中，誘導(dǎo)環(huán)硅烷的開環(huán)，和聚 合反應(yīng)。隨著輻射的充分，所有的液態(tài)物質(zhì)均被轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w粉末。將產(chǎn)生的材料加熱至 250-350°C的溫度使其完全地轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Ч璞∧?。通過周圍氣氛和溫度(斜坡時(shí)間/駐留 時(shí)間)來控制薄膜中材料損失量和H2含量。在某些實(shí)施例中，可將溫度保持在600°C以下，和在含有H2的氣氛中對(duì)非晶硅進(jìn)行 加熱處理。這允許氫鈍化非晶薄膜中懸掛鍵的缺陷。本發(fā)明的實(shí)施例允許形成厚度明顯大于利用傳統(tǒng)沉積技術(shù)可得到的多晶硅薄膜。 特別地，本發(fā)明的某些實(shí)施例允許形成具有在約0. 5-20μπι之間的厚度的多晶硅層。在一 些實(shí)施例中，多晶硅的厚度在約2-10 μ m之間，并且在一些實(shí)施例中，多晶硅的厚度在約 4-6 μ m之間。非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч栊枰邷囟?。?yīng)當(dāng)注意，不要超過導(dǎo)致襯底中發(fā)現(xiàn)的其他材料損壞的溫度和駐留時(shí)間。除了石英之外，大多數(shù)玻璃材料在不變形或者不喪失它們的回火的情況下，不能 承受超過800°C的溫度。金屬薄膜例如鋁在不與硅發(fā)生反應(yīng)以生成合金或在某些情況下不 發(fā)生氧化時(shí)，不能承受大于550°C的持續(xù)溫度。為了保持電池中其他材料的完整性，將退火溫度維持在非常短的時(shí)間內(nèi)的高效溫 度或者較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的中等溫度是重要的。通過使用強(qiáng)激光掃描非晶硅薄膜，激光退火能夠 使熱定位于硅薄膜，且使有效溫度在小于1秒的駐留時(shí)間達(dá)到大于900°C。可以使用包括準(zhǔn) 分子激光(193nm、248nm、308nm)和氬離子激光的短脈沖激光和其他更長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光使非 晶硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璞∧?。在退火過程中，可控制周圍氣氛以將O2水平保持在最低。為 達(dá)到此目的，可以使用惰性氣體流，例如氮?dú)饣驓鍤?。圖5A-C顯示了根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例的不同視圖。確切地說，圖5A-C顯示了 在襯底上液體硅烷的噴墨打印的實(shí)施例的側(cè)視圖、放大側(cè)視圖和俯視圖。圖6A-C顯示了在 襯底上液體硅烷的紫外線固化的相應(yīng)視圖。圖7A-C顯示了在襯底上多晶硅的加熱的相應(yīng) 視圖。圖8A-C顯示了在襯底上非晶硅的激光退火的相應(yīng)視圖。根據(jù)某些實(shí)施例，可以應(yīng)用替代的退火技術(shù)而不用激光。這些替代的退火技術(shù)包 括使用閃光燈、光熔爐、快速熱退火(RTA)和常規(guī)熔爐。除了常規(guī)熔爐(其依靠使材料暴露 于600°C左右的溫度下超過20小時(shí))之外，這些技術(shù)可以依靠暴露于超過850°C的有效溫 度并且具有1秒以下的駐留時(shí)間。這些短時(shí)間周期允許重結(jié)晶過程，但時(shí)間周期足夠短以 防止其他材料或襯底本身的任何損壞。晶粒尺寸和多晶硅薄膜的取向依賴于生長(zhǎng)條件，例如時(shí)間、氣氛和溫度，以及依賴 于基底薄膜的形態(tài)。晶粒生長(zhǎng)依賴于硅原子的擴(kuò)散和基底表面上合適的成核位點(diǎn)。已知使 用中度織構(gòu)化-等離子體或酸-的鋁薄膜對(duì)大于ι μ m的生長(zhǎng)晶粒是有效的。光伏太陽能電池依賴于在由η摻雜層和ρ摻雜層之間的硅結(jié)形成的二極管結(jié)構(gòu)中 的電場(chǎng)的產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施例中，通過用η型硅烷材料隨后使用P型硅烷材料涂布襯底，或 者反過來先使用P型硅烷材料后使用η型硅烷材料來涂布襯底以形成ρ-η結(jié)。在兩種材料 涂布完成之后進(jìn)行兩個(gè)區(qū)別層的退火，但另一項(xiàng)技術(shù)允許它們各自分別進(jìn)行退火。具有摻 雜濃度急劇改變的結(jié)，例如用這種方式形成的那些結(jié)，提高了載流子的收集并因此提高了 光伏器件的電流和功率。形成二極管結(jié)的替代方法采用在含有硼或磷的摻雜劑上旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散，或者在具有 含硼或磷的氣體的熔爐中燃燒的擴(kuò)散。將形成的活性硅光伏二極管與襯底、金屬化層、電池連接/分離層、和其他薄膜整 合在一起以形成完整的工作太陽能電池。為了提高電池效率，對(duì)入射太陽光的適當(dāng)光采集 是可取的。在一個(gè)實(shí)施例中，在硅吸收層之前(在覆板電池設(shè)計(jì)的情況下)或者在吸收層之 后(在襯底設(shè)計(jì)的情況下)沉積透明導(dǎo)電氧化物(TCO)。TCO層可以真空沉積，或者通過用 由過渡金屬氧化物(例如銻二氧化錫，多孔二氧化錫)制成的納米顆粒油墨涂布襯底，隨后 退火而形成。TCO層具有導(dǎo)電性，并且傳輸入射的太陽光(傳輸率> 85% )。本發(fā)明的一些實(shí)施 例可以用摻雜鋁的氧化鋅(AZO)作為TCO層。替代實(shí)施例可以使用其他TCO薄膜，例如氧化銦錫、二氧化錫、氧化鋅、氧化錫銻或其他。一旦形成TCO層，便可以移除相鄰電池之間的TCO材料以便在電上將它們分隔開。 圖9-9A分別是顯示使用激光消融/切割TC0900來分隔PV電池的簡(jiǎn)化平面視圖和剖視圖。 在一個(gè)實(shí)施例中，采用波長(zhǎng)為532nm的激光輻射902刻劃TCO層并隔離單個(gè)太陽能電池。在 替代實(shí)施例中，可以使用其他波長(zhǎng)的激光輻射，例如使用二極管激光器的光學(xué)諧波的355nm 或1064nm波長(zhǎng)。也可以使用其他激光器達(dá)到此目的，例如在193、248或308nm下操作的 準(zhǔn)分子激光器，以及在多波長(zhǎng)下例如 351,454. 6,457. 9,465. 8,476. 5,488. 0,496. 5,501. 7、 514. 5或528. 7nm下操作的氬離子激光器。并且，雖然圖9-9A顯示了其中使用激光以通過僅消融TCO層來隔離電池的實(shí)施 例，但這并不是必需的。根據(jù)替代實(shí)施例，激光可以用于消融活性硅吸收層以便為電池的最 低導(dǎo)電層打開接觸窗口。根據(jù)再一個(gè)替代實(shí)施例，可以使用激光通過層消融以便為最上活 性硅吸收層打開接觸窗口。本發(fā)明的實(shí)施例可以利用TCO層的織構(gòu)化來輔助吸收層的光收集。通過織構(gòu)化 TCO層的表面，入射光以偏離正常的角度折射進(jìn)入吸收硅層。這增加了有效的光程和吸收的
光數(shù)量。通過使用輕度酸洗數(shù)秒可以將薄膜織構(gòu)化。其產(chǎn)生了特征為小于Iym尺寸的隨 機(jī)表面粗糙度。或者，以織構(gòu)化采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)法形成的表面的方式可以 沉積薄膜。使TCO表面織構(gòu)化的第三種方法是在真空中將薄膜短暫地暴露于等離子體刻蝕 中。在光伏制造過程中，可將這些織構(gòu)化技術(shù)中的一種或多種聯(lián)合使用?？棙?gòu)化有助 于提高電池效率，而不論其是被應(yīng)用于覆板還是襯底設(shè)計(jì)中。圖10-10A分別顯示了應(yīng)用織 構(gòu)化的TCO層1010的覆板電池設(shè)計(jì)1000的剖視圖和放大剖視圖。圖11-11A分別顯示了 應(yīng)用織構(gòu)化的TCO層1110的襯底電池設(shè)計(jì)1100的剖視圖和放大剖視圖。通過提高光收集來提高PV電池效率的另一種方法是使用嵌入到電池設(shè)計(jì)中的衍 射光柵。衍射光柵是由一系列通過近似于分散的光的波長(zhǎng)的距離所隔開的平行線形成的。眾所周知的衍射光柵定律預(yù)測(cè)了對(duì)入射光折射的角度是基于光的波長(zhǎng)和刻線的 間距d* (sin θ m+sin θ》=m λ，其中d =亥Ij線的間距，ym;θ i =入射光與法線的夾角；θ m折射光與法線的夾角；m=整數(shù)；和λ =光的波長(zhǎng)，μπι。利用全息或光掩薄膜曝光正圖像或負(fù)圖像，衍射光柵刻線可以在覆蓋襯底的光刻 膠中曝光。經(jīng)隨后的光刻膠的顯影、底部區(qū)域的刻蝕、和光刻膠的移除，將衍射光柵圖像留 在襯底上。底部薄膜應(yīng)具有不同于襯底層的折射率。盡管其他實(shí)施例包括金屬或其他薄膜， SiO2或Si3N4形成了允許衍射光柵成像的相容薄膜。圖12顯示了具有在背反射鏡上形成的光柵結(jié)構(gòu)1210的襯底型器件1200的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。圖13顯示了具有在電池上形成的光柵結(jié)構(gòu)1310的覆板型器件1300的 實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。通過在面向太陽的平面的兩側(cè)構(gòu)建具有活性吸收層的雙面電池，也可以增加光收 集和太陽能電池效率。由于本發(fā)明的實(shí)施例提供的制造薄膜多晶硅太陽能電池的成本低， 制造和部署這些雙面光伏電池較為經(jīng)濟(jì)。在此類實(shí)施例中，利用太陽能電池周圍的一系列 反射鏡收集光，將其反射到電池的后表面上。圖14-14A顯示雙面電池的實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖和放大剖視圖。雙面電池1400 包括配置為直接接受入射光的第一側(cè)1410，和配置為接受來自反射鏡1430的光的第二側(cè) 1420。在該特別實(shí)施例中，在第一和第二側(cè)上的P/N結(jié)具有相同的類型，但這不是必需的。 根據(jù)替代實(shí)施例，在襯底對(duì)側(cè)的P/N結(jié)可以具有不同的類型。本發(fā)明的實(shí)施例提供的低成本多晶硅薄膜太陽能電池允許它們與現(xiàn)有的光伏技 術(shù)經(jīng)濟(jì)地整合，從而提高總的電池效率。例如，非晶硅半導(dǎo)體的帶隙比單晶硅大，因此能有 效地吸收較短波長(zhǎng)的太陽光。因此，在金屬化之前，可以將液體硅烷薄膜涂布在單晶硅太陽能電池上，并對(duì)其進(jìn) 行處理以廉價(jià)地產(chǎn)生非晶硅光活性結(jié)。在這種情況下，采用本發(fā)明實(shí)施例生成低成本非晶 硅吸收層，其轉(zhuǎn)化效率比其他可以實(shí)現(xiàn)的方式更高且每瓦成本更低。在技術(shù)上沒有限制該方法使用單晶硅制造非晶硅薄膜?？梢圆捎脝尉Ч杌蚱渌?導(dǎo)體材料例如Cd:Te、CIS等制造多晶硅薄膜。圖15-15A分別表示電池1500的實(shí)施例的簡(jiǎn) 化剖視圖和放大剖視圖，其中電池1500包括位于由液體硅烷分別生成的P型和N型非晶 硅層1510和1512之間的第一 P/N結(jié)，和N型Cd:S 1514和P型Cd:Te 1516之間的第二 P/ N結(jié)。進(jìn)行本發(fā)明的步驟第一實(shí)施例覆板(1)清潔柔性襯底和刻蝕以織構(gòu)化表面。也可以在柔性襯底上形成光柵圖案。(2)噴墨打印一粘合促進(jìn)薄膜(3)噴墨打印ρ-型非晶硅(4)噴墨打印P-型非晶硅。對(duì)于無摻雜非晶硅薄膜，需要要求在摻雜薄膜上旋轉(zhuǎn) 涂布的附加處理步驟。(5)利用激光或RTA退火非晶硅薄膜以使薄膜結(jié)晶并減少缺陷。吸收劑的噴墨打 印和退火均可在氮?dú)獾臍夥罩羞M(jìn)行。(6)然后噴墨打印透明導(dǎo)電氧化物層，接著進(jìn)行減反射涂層的噴墨打印。(7)旋轉(zhuǎn)涂布或噴墨打印密封劑(8)用激光刻劃隔離電池并生成接觸點(diǎn)。(9)隨后噴墨打印接觸金屬化層以生成功能性太陽能電池。第二實(shí)施例覆板(1)清潔柔性或固定的襯底。在一些實(shí)施例中，刻蝕以織構(gòu)化表面或在表面上形成 光柵結(jié)構(gòu)圖案。(2)沉積透明導(dǎo)電氧化物。如果通過CVD沉積或作為液體糊涂布，則在沉積過程中 可以自動(dòng)織構(gòu)化該薄。如果通過濺鍍形成該薄膜，則在沉積之后，酸或等離子體處理來織構(gòu)化該薄膜。(3)在TCO層中使用激光燒灼(切割)隔離刻線，以隔離單個(gè)光伏電池。清潔襯底。(4)任選地，涂布粘合促進(jìn)薄膜。(5)涂布ρ-型非晶硅。(6)涂布η-型非晶硅。對(duì)于無摻雜非晶硅薄膜，需要要求在摻雜薄膜上旋轉(zhuǎn)涂布 的附加處理步驟。或者，不用η型材料涂布，而是在POCl3或其他氣氛中利用擴(kuò)散爐或光退 火系統(tǒng)摻雜該薄膜。(7)利用激光退火非晶硅薄膜以結(jié)晶該薄膜并減少缺陷。吸收劑涂層和退火均可 在氮?dú)饣驓鍤鈿夥罩羞M(jìn)行。(8)用激光切穿硅吸收層以便為底部的TCO層打開接觸區(qū)域。(9)切割頂部η型硅層以打開接觸區(qū)域。(10)噴墨打印或絲網(wǎng)打印包括金屬材料例如鋁或銀糊的薄膜成與ρ和η層單獨(dú)接 觸的圖案。(11)在爐中燒制電池以便在金屬和半導(dǎo)電材料之間形成歐姆接觸。(12)測(cè)試并檢查電池。(13)如果襯底是柔性的，則應(yīng)用密封劑和保護(hù)層，隨后應(yīng)用由納米多孔材料(包 括聚電解質(zhì)多層)制備的減反射(AR)涂層。可對(duì)AR薄膜進(jìn)行涂布和熱處理。如果襯底是 玻璃的，則用AR薄膜涂布面向光的表面。實(shí)施例襯底(1)清潔柔性或固定的襯底。在一個(gè)實(shí)施例中，刻蝕以織構(gòu)化表面或在襯底上形成 光柵結(jié)構(gòu)圖形。(2)涂布或真空沉積鋁或其他金屬層。如果涂布，則對(duì)襯底進(jìn)行燒制以便移除液體 以形成固體涂層?？涛g(如果需要)以織構(gòu)化薄膜。任選地，沉積第二薄金屬層以阻止鋁 在硅中溶解以形成共熔合金。(3)為了隔離單個(gè)光伏電池，在金屬層中利用激光燒灼(切割)隔離刻線。清潔襯底。(4)任選地，涂布粘合促進(jìn)薄膜。(5)涂布ρ-型非晶硅。(6)涂布η-型非晶硅。對(duì)于無摻雜非晶硅薄膜，需要要求在摻雜薄膜上旋轉(zhuǎn)涂布 的附加處理步驟。或者，不用η型材料涂布，而是在POCl3或其他氣氛中利用擴(kuò)散爐或光退 火系統(tǒng)摻雜該薄膜。(7)利用激光再結(jié)晶來退火非晶硅薄膜。由于金屬層的存在和與硅退火所需要的 溫度相比其較低的熔點(diǎn)，可以使用常規(guī)熔爐達(dá)到此目的。吸收劑的涂布和退火均可在氮?dú)?或氬氣氣氛中進(jìn)行。(8)沉積透明導(dǎo)電氧化物。如果通過CVD沉積或作為液體糊涂布，則在沉積過程可 自動(dòng)織構(gòu)化該薄膜。如果通過濺鍍形成，則酸或等離子體處理來織構(gòu)化該薄膜。(9)用激光切穿硅吸收層以便為底部的金屬層打開接觸區(qū)域。(10)切割頂部η型硅層以便打開接觸區(qū)域。
(11)噴墨打印或絲網(wǎng)打印包含金屬材料例如鋁或銀糊的薄膜成圖案，使其與ρ和 η層單獨(dú)接觸。(12)在爐中燒制電池以便在金屬和半導(dǎo)電材料之間形成歐姆接觸。(13)測(cè)試并檢查電池。(14)如果襯底是柔性的，則應(yīng)用密封劑和保護(hù)層，隨后應(yīng)用可由納米多孔材料 (包括聚電解質(zhì)多層)制備的減反射(AR)涂層?？蓪?duì)AR薄膜進(jìn)行涂布和熱處理。如果襯 底是玻璃的，則用AR薄膜涂布面向光的表面。盡管利用選擇的步驟序列描述了以上實(shí)施例，可以使用所描述的步驟的任何要素 的任何組合以及其他。此外，根據(jù)實(shí)施例，可以將某些步驟組合/或刪除。當(dāng)然，可以有其 他更改、修改、和替代?？傊?，通過使用噴墨、或其他形式的液體涂布技術(shù)，消除了真空沉積所需要的復(fù)雜 設(shè)備和其有限的材料生產(chǎn)能力，因此在本質(zhì)上降低了制造成本。通過紫外線輻射，將利用液 體硅烷在柔性或固定襯底上沉積的薄膜聚合，并在隨后的熱處理之后將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Ч琛?退火后，在惰性氣氛下利用激光，或其他技術(shù)例如光熔爐、閃光燈、快速熱處理或常規(guī)熔爐， 根據(jù)應(yīng)用將非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч杌蛭⒕Ч璞∧?。?dāng)與合適的表面織構(gòu)化和/或衍射技 術(shù)組合使用時(shí)，這種用于制造高質(zhì)量硅薄膜的低成本方法能夠產(chǎn)生與現(xiàn)有技術(shù)中太陽能光 電池一致的太陽能轉(zhuǎn)換效率。而且，用這種方式形成的薄膜可以組合為多結(jié)電池或者與其 他晶體或薄膜電池組合以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。由于制造成本低，例如具有從平面結(jié)構(gòu)的 兩側(cè)收集光的活性太陽能電池的兩面的應(yīng)用變得現(xiàn)實(shí)可行。雖然以上是某些具體實(shí)施例的完整描述，但可以使用各種修改、替代結(jié)構(gòu)和等同 物。例如，通過噴墨打印或其他技術(shù)的涂布不限于液體硅烷材料。某些實(shí)施例可能使用金 屬材料例如鋁或銀漿的噴墨打印形成與太陽能電池相互連接的導(dǎo)線圖案，隨后，在熔爐中 對(duì)沉積材料進(jìn)行短暫的高溫?zé)埔匀コ軇┎⑹蛊渑c底部硅或金屬層歐姆接觸。在替代實(shí) 施例中，可以使用絲網(wǎng)印刷以便打印用于相互連接的金屬圖案。根據(jù)實(shí)施例，可以應(yīng)用有線 母線將高電流電池串聯(lián)并使引線相互連接。在實(shí)施例中，利用覆板電池設(shè)計(jì)使電池構(gòu)建于 玻璃襯底上，在該情況下，利用激光或超聲波結(jié)合處理，使高電流產(chǎn)能母線與金屬結(jié)合。根據(jù)某些實(shí)施例，為了使太陽能電池免受環(huán)境影響，可以將透明密封劑和保護(hù)性 層壓薄膜應(yīng)用于包含多電池的柔性太陽能電池的前面。在一個(gè)實(shí)施例中，將透明耐用剛性 材料例如平板玻璃壓層并且和柔性襯底密封。在一個(gè)實(shí)施例中，電池設(shè)計(jì)是覆板結(jié)構(gòu)并且 底部襯底是透明的，而密封劑和壓層薄膜不需要是透明的。在一個(gè)實(shí)施例中，電池設(shè)計(jì)是覆 板結(jié)構(gòu)并且底部襯底是剛性和透明的，例如平板玻璃。在一個(gè)實(shí)施例中，將由納米多孔性材 料(包括聚合電解質(zhì)多層)制造的減反射(AR)涂層涂布在外部透明表面上并在加熱條件 下退火。在一個(gè)實(shí)施例中，在LPCVD或物理濺鍍沉積腔中將減反射(AR)涂層沉積在外部透 明表面上并在加熱條件下退火。某些實(shí)施例可能利用液體硅烷涂布并在隨后進(jìn)行聚合和熱處理，將非晶硅薄膜應(yīng) 用于Cd:Te薄膜光伏電池中，以增加Cd:Te電池效率。在一個(gè)替代實(shí)施例中，通過用液體硅 烷涂布，之后進(jìn)行聚合、熱處理和退火，將多晶硅或微晶硅薄膜應(yīng)用于Cd:Te電池中。在一 個(gè)替代的實(shí)施例中，在應(yīng)用Cd:Te電池層前應(yīng)用硅薄膜并退火。在一個(gè)替代實(shí)施例中，可以 使用其他電池設(shè)計(jì)，例如單晶硅、銅銦硒CIS、銅銦鎵硒CIGS、砷化鎵GaAs及其他。在又一個(gè)替代實(shí)施例中，可以利用固定襯底替代柔性襯底。為了收集照射在雙面太陽能電池兩側(cè)的光，某些實(shí)施例可能利用液體硅烷整合硅 光伏薄膜，隨后進(jìn)行紫外線聚合、加熱處理和退火以便有成本效益地形成應(yīng)用于平面襯底 兩側(cè)的活性太陽能電池。在一個(gè)實(shí)施例中，此類雙面電池包含硅薄膜，該硅薄膜是通過利用 不同的技術(shù)，例如單晶硅、真空沉積的非晶硅、Cd:Te、CIS、CIGS、GaAS等，由位于材料對(duì)側(cè)光 伏電池側(cè)的液體硅烷形成。以上描述集中于單體形式液體硅烷的應(yīng)用，隨后是聚合。然而，這不是本發(fā)明所必需的。根據(jù)替代實(shí)施例，聚合體形式的液體硅烷可以涂布在選擇的區(qū)域。在液體載流子 中，此類已經(jīng)為聚合體形式的液體硅烷可以包含聚合硅烷。在某些實(shí)施例中，該液體載流子 可以是溶劑，而在一些實(shí)施例中，該液體載流子可以是單體形式的硅烷。在通過參考以上的 噴墨打印或其他技術(shù)涂布液體硅烷之后，通過移除液體載流子，可以使聚合硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)楣?體形式。以上描述集中于液體硅烷的應(yīng)用以在PV電池中形成單結(jié)。但是，這不是本發(fā)明必需的。根據(jù)替代實(shí)施例，可以重復(fù)應(yīng)用液體硅烷以形成具有多個(gè)P/N結(jié)的PV電池。例 如，在一個(gè)實(shí)施例中，在用具有較大結(jié)晶有序度的硅烷_例如多晶硅和/或微晶硅形成P/N 結(jié)的過程中，可以首先應(yīng)用液體硅烷。隨后，可以再次應(yīng)用液體硅烷以便由具有較小結(jié)晶有 序度的硅烷，例如非晶硅和/或微晶硅形成第二 P/N結(jié)。這種處理順序可避免最初形成的 a-Si暴露于之后的退火，該退火很可能將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈叩慕Y(jié)晶有序度。雖然以上是某些具體實(shí)施例的全部描述，但可以使用各種修改、替代結(jié)構(gòu)和等同 物。因此，以上描述和示例說明不應(yīng)認(rèn)為限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附 權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
一種方法，包括提供襯底；采用液體硅烷涂布選擇的區(qū)域；將液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆喜牧?；和將作為吸收層的聚合材料并入光伏電池中?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述液體硅烷包括環(huán)硅烷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述環(huán)硅烷選自環(huán)戊硅烷(C5Hltl)、環(huán)己硅烷 (C6H12)，具有含有硼或其他III族元素的配合基的環(huán)硅烷、或者具有含有磷或另一 V族元素 的配合基的環(huán)硅烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述環(huán)硅烷包括具有配合基的環(huán)硅烷，所述配合 基與環(huán)中的硅原子連接以改變液體硅烷性質(zhì)，所述液體硅烷性質(zhì)選自粘度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、和 經(jīng)輻射暴光后對(duì)聚合作用的敏感性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供襯底包括提供剛性襯底，所述剛性襯底包括 金屬、玻璃、石英、陶瓷、塑料、或組合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供襯底包括柔性襯底，所述柔性襯底包括金 屬、塑料、聚酯薄膜、或復(fù)合板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用選自噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、滾涂、凹版涂布、 簾式涂布、或者噴霧涂布的技術(shù)，用液體硅烷涂布選擇的襯底區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆喜牧习?使液體硅烷暴光于紫外線或者更短波長(zhǎng)的輻射中；和應(yīng)用熱處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述熱處理包括暴光于紅外線輻射、熱板、或者 能控制斜坡時(shí)間和滯留時(shí)間的熔爐。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述熱處理和輻射暴光同時(shí)進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括使聚合材料退火以形成多晶硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述退火包括暴光于激光、暴光于閃光燈、暴 光于光熔爐、快速熱退火(RTA)、熔爐加熱，或者這些退火技術(shù)的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，使液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆喜牧习ㄊ咕酆喜牧?轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я６仍诩s0. 5-20 μ m之間的硅。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用含有硼或者另一 III族元素的液體硅烷涂布選擇的襯底區(qū)域，并且將液體硅烷轉(zhuǎn)變 為P-型吸收層，所述方法進(jìn)一步包括，用含有磷或者另一 V族元素的第二液體硅烷涂布ρ-型吸收層，和 在并入光伏電池之前，使所述第二液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)棣?型吸收層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用含有磷或者另一 V族元素的液體硅烷涂布所述選擇的襯底區(qū)域，并且將液體硅烷轉(zhuǎn) 變?yōu)棣?型吸收層，所述方法進(jìn)一步包括，用含有硼或者另一 III族元素的第二液體硅烷涂布所述η-型吸收層，和 在并入光伏電池之前，使所述第二液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)镻-型吸收劑。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底提供有已存在于其中的第一型P/N結(jié)；和 所述吸收層包括不同于第一型的第二型的部分第二 P/N結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第一型是選自非晶硅、多晶硅、聚晶硅、單 晶硅、GaAs、Cd: Te、CIS、或者CIGS的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第二型是不同于第一型的材料的另一種 材料，且所述第二型是選自非晶硅、多晶硅、聚晶硅、單晶硅、GaAs、Cd Te、CIS、或CIGS的材 料。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在用液體硅烷涂布之前織構(gòu)化襯底。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述襯底通過暴露于酸、等離子體、或激光中 織構(gòu)化。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在吸收層上形成透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括通過暴露于酸、等離子體、或激光，或者 通過控制在TCO層沉積過程中的條件織構(gòu)化TCO層。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括在并入光伏電池之后通過激光消融移除 TCO層部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在用液體硅烷涂布之前，在襯底上形成透 明導(dǎo)電氧化物(TCO)層，其中，所述襯底對(duì)入射光是透明的。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在光伏電池中形成合并的衍射光柵。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述衍射光柵打印于由來自入射光方向的干 預(yù)層所分隔的襯底上。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述衍射光柵打印于太陽能電池的頂層，所述 太陽能電池配置為面向入射光。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，在襯底中使所述衍射光柵刻蝕為圖案。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述衍射光柵由硅氧化物、Si3N4、聚酰亞胺、或 者硅形成。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述襯底在第一側(cè)上提供有P/N結(jié)；和所述吸收層在第一側(cè)的對(duì)側(cè)襯底的第二側(cè)上形成，使得光伏電池具有雙面類型。
31.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在退火之后，所述方法進(jìn)一步包括 用附加的液體硅烷涂布第二選擇的區(qū)域；使所述附加的液體硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙酆喜牧?，?在光伏電池中并入所述第二聚合材料。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述第二聚合材料包括非晶硅、微晶硅、或者 非晶硅和微晶硅的組合。
33.一種制造光伏電池的方法，所述方法包括通過將液體硅烷應(yīng)用于表面并在隨后對(duì)液體硅烷進(jìn)行熱處理形成硅吸收層；和 在硅吸收層上形成附加層。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述液體硅烷包括硅烷單體，所述方法進(jìn)一步 包括通過暴光于輻射使所述硅烷單體聚合。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述液體硅烷包括液體載流子中的硅烷聚合物。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述吸收層包括通過使聚合的液體硅烷退火 所形成的多晶硅，所述多晶硅的厚度在約0. 5-20 μ m之間。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述表面包括配置為面向入射光的襯底，以便 制造襯底型光伏電池。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述表面包括配置為面向入射光的透明襯底， 以便制造覆板型光伏電池。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述表面包括具有現(xiàn)有的P/N結(jié)的襯底的表
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述表面在具有現(xiàn)有的P/N結(jié)的襯底的第二側(cè) 的對(duì)面，以便制造雙面型光伏電池。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述表面位于具有現(xiàn)有的P/N結(jié)的襯底的相同 側(cè)上，以便制造多結(jié)型光伏電池。
42.一種光伏電池，包括 襯底；和多晶硅吸收層，所述多晶硅吸收層在襯底上形成并且具有約0. 5-20 μ m的厚度和包括P/N 結(jié)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的覆板型光伏電池，其中，所述襯底對(duì)入射光是透明的。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的襯底型光伏電池，其中，所述襯底是不透明的。
45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光伏電池，其中，所述襯底包括現(xiàn)有的P/N結(jié)。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的雙面型光伏電池，其中，所述硅吸收層在第二側(cè)對(duì)面的襯 底的第一側(cè)上形成，所述第二側(cè)包括現(xiàn)有的P/N結(jié)。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的多結(jié)型光伏電池，其中，所述硅吸收層在與現(xiàn)有的P/N結(jié)相 同的襯底側(cè)上形成。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的光伏電池，其中，所述硅吸收層包括與現(xiàn)有的P/N結(jié)相同類型的第二 P/N結(jié)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的光伏電池，其中，所述第二P/N結(jié)的類型選自非晶硅、多晶 娃、聚晶硅、單晶硅、6&六8丄(116、(15、或者(165。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的光伏電池，其中，所述硅吸收層包括與現(xiàn)有的P/N結(jié)不同類型的第二 P/N結(jié)。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的光伏電池，其中，所述第二P/N結(jié)的類型選自非晶硅、多晶 硅、聚晶硅、單晶硅、GaAs, Cd:Te、CIS、或CIGS0
52.根據(jù)權(quán)利要求41所述的光伏電池，進(jìn)一步包括衍射光柵。
53.根據(jù)權(quán)利要求41所述的光伏電池，進(jìn)一步包括透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例涉及利用噴墨打印在柔性襯底上制造低成本多晶硅太陽能電池。特別實(shí)施例通過利用噴墨印刷或其他低成本商業(yè)印刷技術(shù)，采用液體硅烷在襯底上形成多晶硅或微晶硅太陽能電池，其中低成本商業(yè)印刷技術(shù)包括但不限于絲網(wǎng)印刷、輥涂、凹版印刷、簾式涂布、噴霧涂布以及其他。具體實(shí)施例利用硅烷，例如環(huán)戊硅烷(C5H10)或環(huán)己硅烷(C6H12)，其中所述硅烷在室溫下為液態(tài)，但暴光于紫外線(UV)或更短波長(zhǎng)的輻射時(shí)會(huì)發(fā)生開環(huán)化學(xué)反應(yīng)。液體硅烷的開環(huán)使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆喜牧?，所述聚合材料包括飽和的和不飽和的變化長(zhǎng)度的硅鏈。加熱至大約250-400℃使這些物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠蔷Ч璞∧?。根?jù)具體的加工條件，在較高的有效溫度下控制退火使非晶硅薄膜改變相位轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч杌蛭⒕Ч琛?br> 文檔編號(hào)H01L21/311GK101970131SQ200880124629
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者埃里克·R.·西爾肯, 肯尼思·R.·佩洛思凱, 阿倫·拉馬穆爾斯 申請(qǐng)人:西雷克斯有限公司