具有長條形孔的外延穿孔卷繞式太陽能電池及其製造方法
2024-03-23 13:57:05 2
專利名稱：具有長條形孔的外延穿孔卷繞式太陽能電池及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜太陽能電池,特別涉及外延穿孔卷繞式(EpiWT)太陽能電池，該太陽能電池具有至少一個通孔，該至少一個通孔的輪廓的周長與由該通孔的輪廓所包圍的面積的比例大於具有相同面積的圓的周長與面積的比例。
背景技術：
外延穿孔卷繞式(EpiWT)太陽能電池為具有背面接觸部的晶體矽薄膜太陽能電池(參看 E. J. Mitchell 和 S. Reber,Proceedings 33rd IEEE Photovoltaic SpecialistsConference (電氣和電子工程師協會光伏專家會議第33次會議)(2008)，第510頁)。由此，EpiWT太陽能電池將薄膜太陽能電池的優點(例如通過降低對高純度矽材料的消耗 而降低了每瓦峰值的成本)與背面接觸太陽能電池的優點結合，該背面接觸太陽能電池的優點有不存在由正面柵格引起的陰影，發射極可以就其藍光響應方面得到優化，接觸部可以就低串聯電阻方面得到優化，模塊布線更簡單，且模塊中的充填密度更高(參看 E.van Kerschaver 和 G. Beaucarne, Progress in Photovoltaics Research andApplications (光電壓進展研究與應用)14 (2)，(2006)，第107頁)。將太陽能電池的有效層通過利用雷射在基底中打穿的孔而被翻過來置於基底背面上，從而實現背面接觸部(參看圖 I)。Fraunhofer-Institut fiir Solare Energiesysteme (ISE)已為 EpiWT 太陽能電池構思申請了專利(E. J. Mitchell, S. Reber,E. Schmich,「Thin-film solar cell and processfor its manufacture (薄膜太陽能電池及其製造方法)」，EP 2 071 632A1 (2009))。關於這類太陽能電池的基本結構,可參看本文。Fraunhofer ISE在可行性研究中示出了 EpiWT電池構思的操作。當前EpiWT太陽能電池實現的效率不超過10. 3% (參看E. J. Mitchell等人的Proceedings 24thEuropeanPhotovoltaic Specialists Conference (歐洲光伏專家會議第 24 次會議)(2009)，已印刷)。由此，EpiWT太陽能電池的效率仍明顯低於具有正面和背面接觸部的當前外延矽薄膜太陽能電池的效率，其具有達到14. 2%的me-矽基底效率(參看S. Schmich物理碩士論文，Konstanz大學(2008))。然而，因為EpiWT太陽能電池由於沒有正面接觸柵格而具有更大的光耦合，因此EpiWT太陽能電池的理論效率甚至高於具有正面和背面接觸部的可比較的晶體矽薄膜太陽能電池的效率。因此，需要在EpiWT太陽能電池的電池結構和該電池製造方法方面進一步優化EpiWT太陽能電池。與傳統的太陽能電池相比，EpiWT太陽能電池具有兩個額外的概念上的串聯電阻，其效率因為所述電阻而降低。這些電阻為擴展電阻和孔電阻(參看N.Brinkmann，碩士論文，Konstanz 大學(2009))。傳統太陽能電池中的電流在發射極中並行地流向觸頭，而EpiWT太陽能電池中的電流沿徑向流向孔(參看圖2)，然後通過該孔中的發射極層流向電池背面上的接觸部。結果，在孔區域中導致載流子密度升高，導致所謂的「電流擁擠效應」。與傳統太陽能電池相比，「電流擁擠效應」現象導致EpiWT太陽能電池的發射極串聯電阻升高。EpiWT太陽能電池的這種升高的正面發射極串聯電阻也稱為擴展電阻。孔電阻是指當電子通過孔中的發射極流向電池背面上的接觸部時所述電子受到的電阻。這兩個額外的串聯電阻提高了 EpiWT太陽能電池的總串聯電阻，因此對太陽能電池的充填因數和效率產生負面影響。降低這些額外電阻的一種可能方法是提高孔的數量和/或增大孔的直徑(參看N. Brinkmann,出處同上)。然而，這兩方面導致有效電池面積減小。由於減小有效電池面積，導致降低光電流，而這會負面影響EpiWT太陽能電池的效率(參看N. Brinkmann,出處同上)。由此,EpiWT太陽能電池的最佳孔結構的確定總是電阻和光電流損失之間的折中。
發明內容
因此，本發明的目的在於，基於EP 2 071 632中描述的太陽能電池，提供一種改進的太陽能電池，通過這種改進的太陽能電池，能夠很大程度上避免上述電流擁擠效應現象，且使得孔電阻降低且效率提高。
關於薄膜太陽能電池方面，以權利要求I的特徵實現該目的，並且在用於製造根據本發明的太陽能電池的方法方面，以根據權利要求10所述的方法實現該目的。在此，各從屬權利要求代表有利的擴展。因此，根據本發明，提供具有背面以及用於光進入的正面的薄膜太陽能電池，該薄膜太陽能電池至少包括以下部件a)具有連接正面與背面的至少一個通孔的非光電或非光敏基底；b)至少一個光敏基極層以及至少一個發射極層，它們沉積在正面的至少部分或全部上以及沉積在所述至少一個通孔的表面的部分或全部上，由此在通孔中形成通道，c)至少一個發射極接觸部以及至少一個基極接觸部，它們相互絕緣地置於背面上。關於薄膜太陽能電池的基本結構，可再次參考EP 2 071 632A1，為此，EP 2 071632A1的實施方式包括在本申請中。在此，優選地在基底上生長基極層，而發射極層表示基極層的最上層，且可以通過本領域技術人員已知的通用方法例如摻雜法製造。在此，太陽能電池中包括的通道表示空腔，該通道連接薄膜太陽能電池的正面和背面。在此，該通道被構建成使得光敏基極層和發射極層生長在薄膜太陽能電池的基底的相應開口或通孔的表面的至少部分上。基底的通孔例如可以通過雷射打孔產生，然而也可通過機械打孔工藝產生，或者可以在製造基底時就已經引入，而在基底的表面(包括通孔的表面)上生長相應的光敏層可通過現有技術中已知的沉積法進行，由此可以製造相應的通道。光敏層，即基極層和發射極層，可以沉積在通孔的整個表面上或僅在該表面的一部分上，使得產生相應構造的通道。從而生長這兩個層，使得基底的通孔不完全阻塞，即，在該通孔中保持使正面與背面互連的空腔，且由此所產生的通道是管形的。根據本發明，所得到的或剩下的空腔被稱為通道。現在，根據本發明的設計提出基底中所包括通道的、被設置於太陽能電池的各側上的輪廓，即開口，被設計為使得所述至少一個通道的輪廓的周長與由該通道的輪廓所包圍的面積的比例大於具有相同面積的圓的周長與面積的比例。通道的面積，即形成在正面或背面上的且表示通道的入口端和出口端的孔的面積通過由外延發射極構成的邊緣來限定。通道的輪廓由該邊緣確定。根據本發明，該輪廓的周長大於具有與通道的入口或出口(即在基底的正面或背面上通過通道而保持開放的區域)的上述限定面積相同面積的圓的周長。在這方面，可以看出基底的正面或背面上的通道的輪廓具有與圓形不同的輪廓。令人驚喜地發現，利用通道或孔的底部的這種經改進的形狀，可以實現明顯減小概念上的額外串聯電阻，且由此明顯提高太陽能電池的效率。可以通過下述方式實現不同於圓形的通道形狀a)在基底中預先形成通孔，該通孔具有不同於圓形的輪廓。該通孔的表面是均勻的，即以相同的層厚設置有相應的光敏層，即基極層和發射極層，使得光敏層適應基底的預定通孔的基本形狀。由此，如此形成的通道具有基底的通孔的基 本形狀。例如，可以在基底中預先置入橢圓形通孔等，且如前文所述沉積光敏層。b)在基底中形成圓形通孔，然而，在該通孔的表面上不對稱地沉積所述層，使得例如可以實現橢圓形或矩形的結構。對於該過程，在通道的一些位置上比在其他位置上貫穿沉積更多的相應光敏層(即基極層和發射極層)材料，使得利用該方法所產生的通道同樣具有不同於圓形、不同於預定圓形通孔的輪廓。c)然而，類似地，也可設想由兩種前述方法製成的混合形狀，例如通過將利用不對稱打孔過程形成的非圓形通孔通過各光敏層的不對稱沉積而被進一步不對稱地成形，即產生進一步偏離圓形結構的通道形狀。例如，通道的輪廓的優選實施方式例如提出通道可具有橢圓形、矩形、凹形、凸形周緣或輪廓，或者帶有圓角的矩形周緣和/或其組合。在此，特別優選的是通孔的橢圓形或帶有圓角的矩形的輪廓。通過使用長條形的通道，S卩卵形孔直至縫隙(參看關於輪廓方面的圖3)，使得擴展電阻和孔電阻能夠大大降低，且由此提高EpiWT太陽能電池的效率。這不取決於通道或縫隙的輪廓被形成為圓角的或帶角的(參看圖3)。通道的凹形或凸形形狀，例如卵形孔或縫隙，也是可以的。使用卵形孔或縫隙的優點在於具有更大的孔周長。通過更大的孔周長，一方面降低了孔邊緣的載流子密度，因此由電流擁擠效應引起的擴展電阻大大降低，或在使用縫隙的情況下完全消失。另一方面，與孔周長相互依賴的孔電阻隨著孔周長的增加而下降。縫隙的另一優點在於，其更容易形成於基底或晶片中，例如通過晶片鋸形成。由此，具有縫隙的EpiWT太陽能電池比具有圓形孔的太陽能電池在工業上更容易生成。縫隙結構的另一優點為電池的背面結構化更簡單，原因在於，例如在施加各層和/或接觸部時，背面結構的調整變得實質更容易，這是因為僅需要在一個維度上進行調整。EpiWT太陽能電池的串聯電阻由於縫隙中的金屬而再次明顯降低。也可以通過縫隙實現該縫隙中發射極層的完全接觸，使得在電池的背面上不再需要發射極。本發明的一個有利實施方式提出，基底的正面和背面基本相互平行地延伸，且所述至少一個通道平行於所述面的法線延伸穿過基底，即相對於正面或背面的表面基本上以90°的角度延伸。由此，通孔通道具有正面與背面之間的儘可能最短的連接，由此可以進一步降低電阻。相對於基底表面以90°的角度延伸的這種通道可通過下述方式產生a)垂直於基底表面產生通孔，然後實現光敏層、即基極層和發射極層的均勻沉積，使得在通孔的整個長度上實現光敏層的均勻層厚。因此，由此產生的通道在通孔的方向上在任何地方都具有均勻的基極層和發射極層層厚，使得所得到的通道同樣如通孔那樣與基底表面成90°延伸。關於不同於圓形的通道輪廓的結構化可以通過上述設計而實現。b)通過傾斜延伸的通道對基底穿孔，其中，各光敏層，即基極層和發射極層傾斜地沉積在通孔中，使得通道總體上與基底表面成90°延伸。這樣的方式僅可用於直至下述角度，即對於該角度，在朝向基底表面的投影方向上，通孔的入口端和出口端仍然彼此上下布置。因此，這樣的方法嚴重取決於通孔的厚度。在此，也以前述方法實現在輪廓方面不同於圓形形狀的通道的結構。在存在多個通道的情況下，除上述變型之外也能夠實現的可替選實施方式提出至少一個通道傾斜地穿過光敏基底延伸，且優選與正面和背面成45° < a <85°的角度延伸。對於這類實施方式特別有利的是，與不具有通道的太陽能電池相比，光敏表面積基本上保持相等，原因在於通道的壁自身也具有光敏基極層以及在其上生長的發射極層。通過傾斜延伸的通道，因而不可避免地射入的光線，例如垂直於太陽能電池的正面射入的光也進入通道中且到達太陽能電池的位於通道中的光敏層上。實際上，在這裡串聯電阻由於伸展的通道布置而比前述實施方式中略微更高，但是，這可以通過下述方式得到補償，即通道的表面自身也至少部分地用於產生電能，且由此避免了光損失。可以通過下述方式產生前述的傾斜延伸的通道a)在太陽能電池的基底中設置傾斜延伸的通孔，為該通孔的表面均勻設置基極層和發射極層。以前述方法實現與圓形形狀不同的關於輪廓的結構。在此，由此產生的通道傾斜地延伸通過該基底。b)在基底中設置垂直於表面延伸的通孔。在通孔通道的方向上，以下述方式不對稱地在通孔的表面設置基極層和發射極層即，生長這些基極層和發射極層，使得在通道方向上在該通孔的一側例如增加層厚，而在另一側減小層厚。因此，如此得到的通道優選在通道方向上具有相同的橫截面積，但該通道延伸通過光敏層，該光敏層有利地以斜度的變化曲線傾斜通過該基底而施加。在圖4中例如示出一種實施方式。可以類似提出，基極層和發射極層至少在通道的一側朝向該通道成斜面(參看圖4)。該特別有利的實施方式也使得能夠進一步提高光入射且由此最佳利用太陽能電池的總光敏表面。在此，薄膜太陽能電池的接觸完全實施在背面上。在此，在一實施方式中可以提出，太陽能電池的背面不具有光敏層，即基極層和發射極層。在此，通過將發射極接觸部從底側引入通道中直至一定長度，可實現發射極的接觸。在此，也可從背面實現基極接觸。作為一種可替選方式，也可以將所述至少一個光敏基極層以及至少一個發射極層沉積在背面的一部分上，其中，所述層在此與沉積在通道中的相應層整體連接。換而言之， 這表示，所述基極層和發射極層超出通道延伸到背面上，於是在太陽能電池背面上實現這些基極層、發射極層與相應接觸部的接觸。進一步有利的是，在至少一個發射極接觸部和/或至少一個基極接觸部與基底之間引入至少一個絕緣層。通過該實施方式提出，延伸通過通孔的光敏基極層或發射極層有效地與太陽能電池的電對極(Gegenpol)(即基底和與基底連接的接觸區)分隔。在此，優選地，發射極之間的絕緣層為n型，且基底或基之間的絕緣層為p型。
薄膜太陽能電池單元的另一優選實施方式提出，至少一個鈍化層被置於薄膜太陽能電池的正面上，該鈍化層優選被構建成抗反射的，由電介質材料構成，且特別優選由選自Si02、SiC、SiN及其多個層的電介質材料構成，以及構建成由其構成的多層。可用於薄膜太陽 能電池的優選的基底材料在此選自導電材料，特別是摻雜的矽，或者塗上由導電材料形成的塗層的電絕緣體。可以用於光敏基極層的優選材料在此為半導體。優選的半導體可以選自下述組中的任一個IV族半導體、III/V族半導體、II/VI族半導體，特別是Si、GaAs和CdTe。根據本發明，類似提供用於製造前述薄膜太陽能電池的方法，其中至少實施下述方法步驟a)在非光敏基底中設置至少一個通孔，b)至少在正面的一部分上和通孔的表面上沉積至少一個光敏基極層以及至少一個發射極層，且在通孔中形成通道，以及c)在基底的背面上和/或在通道中形成相互電絕緣的至少一個發射極接觸區和至少一個基接觸區，其中，通道被構造成使得至少一個通道的輪廓的周長與由該通道的輪廓所包圍的面積的比例大於具有相同面積的圓的周長與面積的比例。在此，以在前文中已經詳細說明的方法步驟實現通道的結構。在基底中引入通孔的有利的方法可能性在此為雷射穿孔法或雷射銑削法，然而，同樣也可以使用機械方法，例如利用晶片鋸。根據本發明方法的前述步驟a)和/或b)，可以分別進一步在背面上沉積絕緣層用於兩個接觸區的相互絕緣和/或在正面上沉積鈍化層。
具體實施例方式下面根據附圖更加詳細地說明本發明，但並非要將本發明限於本文所述的實施方式。圖I是示出外延穿孔卷繞式太陽能電池的一部分的示意性截面圖，該太陽能電池包括非光伏基底I，該基底具有多個從正面至背面垂直延伸的通孔。在基底上，在整個正面上外延地生長光敏基極層3。該基極層3被完全塗覆有發射極層4。基底I的塗層，即外延生長的基極層3和發射極層4，也生長在基底I的該通孔的表面上，即通孔的整個表面同樣被基極層3和發射極層4塗覆，由此形成通道2。就此而言，外延發射極層4形成通道2的表面。如需要，基底I背面的一部分也可以配備有基極層3或發射極層4。現在，太陽能電池的背面具有兩個接觸部，一個接觸部5接觸發射極(發射極接觸區)，這些接觸部為n-接觸部。優選地，這些接觸部由鋁形成。另一接觸部6 (p-接觸部)與非光敏基底I連接，且表示基底接觸區6。由現有技術已知，通道2的底面(根據
圖1，其為從上方、即從光入射方向上可以看到的面)形成為圓形，這導致這類太陽能電池具有上述缺點。根據本發明，該底面現在被設計成使得通孔的輪廓具有不同於圓形的形狀，且由此就穿孔的面積而言具有增大的穿孔輪廓。由此實現這類太陽能電池的更低的串聯電阻。根據EP 2 071 632，圖2示出之前關於圖I的實施方式進行描述的通道2的圓形周緣，該周緣在太陽能電池的正面上。在此，箭頭表示在太陽能電池的表面上聚集的流向通道2的電流，所述電流在緊挨著該通道處很強，使得導致電流擁擠效應。圖3描述了根據本發明使用的通道2的優選幾何形狀，這些幾何形狀被用於代替圖2中所示通道的輪廓。特別地，在此可以使用橢圓形(a)、凹形(b)、凸形(C)、具有圓角的矩形(d)和矩形(e)的通道輪廓，其中根據圖3中的(a)和圖3中的(b)所示實施方式是最特別優選的。在圖4中示出在中間生產步驟中外延穿孔卷繞式太陽能電池的光學顯微圖像，其中，圖4a示出總視圖，且圖4b示出部分區域的放大圖，據其可更加詳細地說明傾斜溝道延伸的優選設計。在此，所圖示的太陽能電池的角度對應於圖I中所示的角度。同樣也部分地使用圖I中的參考標記。示出在中間生產步驟中的外延穿孔卷繞式太陽能電池，其中，通道2傾斜地延伸穿過基底I。可以明顯看到，基底I的穿孔與表面成90°地延伸。由於基極層3以及發射極層4的傾斜或不對稱的延伸生長，得到相應傾斜延伸的通道2，儘管基底的穿孔垂直於表面延伸。此外，在通道2的邊緣(其在圖中被示為右邊)，該太陽能電池具有經裁剪的部分，由此進一步增加進入通道中的光入射，因此，在通道2的壁中，同樣可以 在基極層和發射極層中產生光敏過程，使得可以在通道2自身中產生電流。由此，可以基本完全補償對於正面接觸太陽能電池已知的陰影損失。
權利要求
1.一種薄膜太陽能電池，具有用於光入射的正面，以及背面，該薄膜太陽能電池包括 a)具有連接所述正面與所述背面的至少一個通孔的非光敏基底(1)， b)至少一個光敏基極層(3)以及至少一個發射極層(4)，該光敏基極層和發射極層至少沉積在所述正面的一部分或全部上以及在所述至少一個通孔的一部分或全部表面上，由此在通孔中形成通道(2)， c)相互電絕緣地設置於所述背面上的至少一個發射極接觸部(5)以及至少一個基極接觸部(6), 其特徵在於，所述至少一個通道(2)的輪廓的周長與由該通道(2)的輪廓所包圍的面積的比例大於具有相同面積的圓的周長與面積的比例。
2.根據前一權利要求所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，所述至少一個通道(2)具有橢圓形、矩形、凹形、凸形周緣或帶有圓角的矩形周緣和/或其組合。
3.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，所述基底(I)的正面和背面相互平行，且所述至少一個通道(2)垂直於正面和背面延伸，和/或與正面和背面成45°≤ a ≤85°的角度延伸。
4.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，基極層和發射極層(4)至少在通道(2)的一側上朝向所述通孔(2)形成斜面。
5.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，所述至少一個光敏基極層(3)以及所述至少一個發射極層(4)沉積在所述背面的一部分上，且所述基極層和發射極層與沉積在至少一個通道(2)中的相應的層整體連接。
6.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，在所述至少一個發射極接觸部(5)和/或所述至少一個基極接觸部(6)與基底(I)之間置入至少一個絕緣層。
7.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，在薄膜太陽能電池正面上施加至少一個鈍化層，該鈍化層優選具有抗反射構造，且由電介質材料形成，且特別優選由選自由Si02、SiC、SiN及其多個層構成的組的電介質材料形成。
8.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，所述基底(I)由以下a)或b)形成 a)導電材料，特別是摻雜的矽，或者 b)具有由導電材料形成的塗層的電絕緣體。
9.根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池，其特徵在於，至少一個光敏基極層(3)由半導體構成，優選由選自由IV族半導體、III/V族半導體、II/VI族半導體特別是Si、GaAs和CdTe構成的組的半導體形成。
10.一種用於製造根據前述權利要求中任一項所述的薄膜太陽能電池的方法，包括 a)在非光敏基底(I)中形成至少一個通孔引， b)至少在正面的一部分以及通孔的表面上沉積至少一個光敏基極層(3)以及至少一個發射極層(4)，且在所述通孔中形成通道(2)，以及 c)在基底(I)的背面上和/或在通道(2)中形成相互電絕緣的至少一個發射極接觸區(5)和至少一個基接觸區(6)， 其特徵在於，所述通道(2)被構造成使得所述至少一個通道的輪廓的周長與由該通道的輪廓所包圍的面積的比例大於具有相同面積的圓的周長與面積的比例。
11.根據前一權利要求所述的方法，其特徵在於，藉助於雷射或以機械方式在基底(I)中形成通道(2)。
12.根據前兩項權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟a)和/或步驟b)後，在基底(I)的背面上沉積至少一個絕緣層。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟a)、b)和/或c)後，在正面上沉積鈍化層。
全文摘要
本發明涉及薄膜太陽能電池，特別涉及外延穿孔卷繞式(EpiWT)太陽能電池，該太陽能電池具有至少一個通孔，其中，所述至少一個通孔的輪廓的周長與由該通孔的輪廓所包圍的面積的比例大於具有相同面積的圓的周長與面積的比例。
文檔編號H01L31/068GK102714253SQ201080056381
公開日2012年10月3日 申請日期2010年11月25日 優先權日2009年12月11日
發明者埃米莉·米切爾, 尼爾斯·布林克曼, 史蒂芬·雷伯 申請人:弗勞恩霍弗應用技術研究院