太陽能電池矽薄膜製備方法及實現該方法的裝置的製作方法
2023-07-25 07:18:51
專利名稱：太陽能電池矽薄膜製備方法及實現該方法的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能電池矽薄膜製備方法及實現該方法的裝置。
背景技術：
太陽能電池是利用光電材料吸收光能後發生光電子轉換反應，從而為我們提供電能。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產生任何的環境汙染。在太陽能的有效利用當中，大陽能光電利用是近些年來發展最快，最具活力的研究領域，而太陽能電池是其中最受矚目的研究項目之矽是理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以矽材料為主的主要原因。薄膜矽太陽能電池主要有單晶矽、非晶矽和多晶矽薄膜太陽能電池。其中單晶矽太陽能電池轉換效率最高，一般可達到15%左右，最高的僅對％。但是受單晶矽材料價格及繁瑣的電池工藝影響，只是單晶矽成本價格居高不下。從製作成本上來講，多晶矽太陽能電池比單晶矽太陽能電池要便宜一些，材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低。但是多晶矽太陽能電池光電轉換效率比較低，其光電轉換效率約12%左右。非晶矽光電池一般採用高頻輝光放電方法使矽烷氣體分解沉積而成，易於大面積化，成本較低，小面積轉換效率達到14. 6 %，大面積大量生產轉換效率為8-10%。傳統的多晶矽電池薄膜製備方法有化學氣相沉積法(包括低壓化學氣相沉積 (LPCVD)和等離子增強化學氣相沉積(PECVD))、液相外延法(LPPE)和濺射沉積法等。製備多晶矽薄膜的工藝流程一般是首先，利用LPCVD等方法在襯底上沉熾一層較薄的非晶矽層，再將這層非晶矽層退火，得到較大的晶粒；然後再通過再結晶技術(固相結晶法和中區熔再結晶法)在這層籽晶上沉積厚的多晶矽薄膜。可見，傳統的製備方法工藝環節多而複雜，生產效率低，由於製備過程中使用了有毒的化學藥品，汙染大。
發明內容
本發明要解決的一個技術問題是提供一種工藝環節少、耗電少、汙染小、操作人員勞動強度低、並且生產效率高的太陽能電池矽薄膜製備方法。為了解決上述技術問題，本發明的太陽能電池矽薄膜製備方法，其特徵在於通過水平傳動裝置帶動太陽能電池基板作勻速直線運動，使給粉裝置送出的矽粉均勻覆於基板上；在基板移動過程中，利用高能線雷射光束照射基板，使覆於基板表面的矽粉在經過高能線雷射光束照射區域時熔融，移出光束區後通過再結晶過程，在基板表面形成矽薄膜。本發明採用高能線雷射光束照射矽粉，使矽粉瞬間熔融，當矽粉移出光束區後在自然條件下再結晶得到矽薄膜。與傳統的製造方法相比，工藝環節簡單，汙染小，減小了能耗，降低了勞動強度。高能線雷射光束的長度根據所需矽薄膜的尺寸確定，高能線雷射光束功率、基板的移動速度、給粉裝置的送粉量可通過實驗確定。所述高能線雷射光束由功率為1000 2000瓦，波長為1064nm的雷射器經光束整形、準直和聚焦得到。所述矽粉的粒度為3μπι ΙΟμπι。本發明中，所述給粉裝置的送分量為40 50克/分鐘，基板移動速度為480 600毫米/分鐘，製成寬50毫米的塗層；雷射器功率為1000 2000瓦，波長為1064nm，高能線雷射光束線寬為0. 6 0. 8毫米，長度與矽粉塗層的寬度相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 5 0. 8毫米，獲得的矽粉加熱溫度為 1400 1800度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 3 0. 5毫米；矽薄膜中單晶矽佔10 20%、多晶矽佔30 50%、非晶矽佔30 60%，光電轉換效率可達12 18%。本發明要解決的另一個技術問題是提供一種太陽能電池矽薄膜製備裝置。為了解決上述技術問題，本發明的太陽能電池矽薄膜製備裝置包括基板，水平傳動裝置，給粉裝置，高能線雷射光源；所述的基板固定於水平傳動裝置上，給粉裝置和高能線雷射光源位於基板的上方；水平傳動裝置帶動太陽能電池基板作勻速直線運動，使給粉裝置送出的矽粉均勻覆於基板上；在基板移動過程中，利用高能線雷射光源發出的線雷射光束照射基板，使覆於基板表面的矽粉在經過高能線雷射光束照射區域時熔融，移出光束區後通過再結晶過程，在基板表面形成矽薄膜。所述給粉裝置包括恆壓裝置、粉盒及插板；所述粉盒的上部通過氣管接恆壓裝置， 粉盒的下部開有長條形給粉孔，給粉孔處安裝可沿垂直於給粉孔長度方向移動的插板。所述恆壓裝置採用帶有壓力閥的氣泵。所述給粉裝置的送粉量可以通過插板進行粗調，通過壓力閥進行微調。所述高能線雷射光源由雷射器、光束整形系統、準直系統和聚焦系統組成；雷射器發出的雷射光束經光束整形系統、準直系統和聚焦系統後變換為高能線雷射光束。線雷射光束能量集中、分布均勻，且功率可控。通過調節水平傳動裝置的傳送速度、給粉裝置的送分量可方便控制矽粉塗層的厚度。通過調節雷射器的功率可調節矽粉的加熱溫度，通過調節水平傳動裝置的傳送速度可調節矽粉的加熱時間，從而得到單晶矽、多晶矽、非晶矽比例不同的矽薄膜。本發明的有益效果1.與傳統的太陽能電池矽薄膜製造方法相比，工藝環節簡單，汙染小，從而減小了能耗和降低了勞動強度。2.通過調節給粉裝置的送粉量可方便的調節生成的矽薄膜厚度；調節雷射光源的功率及傳送速率即可對矽的熔融和再結晶的速度進行控制，從而對生成矽薄膜的晶態進行控制。3.與製作工藝最簡單的非晶矽電池相比較，可以簡化制背電極和高溫加熱兩道工序，其中高溫加熱是高耗能工藝。本發明節能效果明顯。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖1為本發明的本發明的太陽能電池矽薄膜製備裝置結構示意圖。圖2為矽粉塗層的俯視圖。
圖3為給粉裝置結構示意圖。圖4為高能線雷射光源結構框圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的太陽能電池矽薄膜製備裝置包括如圖1所示，本發明的太陽能電池矽薄膜製備裝置包括基板2，水平傳動裝置1，給粉裝置4，高能線雷射光源5 ；所述水平傳動裝置1採用高精度移動平臺；所述的基板2固定於高精度移動平臺上，給粉裝置4和高能線雷射光源5位於基板2的上方；水平傳動裝置1帶動太陽能電池基板2作勻速直線運動，使給粉裝置4送出的矽粉3 (粒度為3 μ m 10 μ m)均勻覆於基板2上；在基板2移動過程中，利用高能線雷射光源5發出的線雷射光束照射基板2，使覆於基板2表面的矽粉 3在經過高能線雷射光束照射區域時熔融，移出光束區後通過再結晶過程，在基板2表面形成矽薄膜6。如圖3所示，所述給粉裝置4包括恆壓裝置45、粉盒41及插板43 ；所述粉盒41的上部通過氣管44接恆壓裝置45，粉盒41的下部開有長條形給粉孔42，給粉孔42處安裝可沿垂直於給粉孔42長度方向移動的插板43。所述恆壓裝置45採用帶有壓力閥的氣泵。所述給粉裝置4的送粉量可以通過插板43的移動進行粗調，通過壓力閥進行微調。如圖4所示，所述高能線雷射光源5由雷射器51、光束整形系統52、準直系統53 和聚焦系統討組成；雷射器51發出的雷射光束經光束整形系統52、準直系統53和聚焦系統M後變換為高能雷射線光束。線雷射光束能量集中、分布均勻，且功率可控。通過調節高精度移動平臺的傳送速度、給粉裝置4的送分量可方便控制矽粉3塗層的厚度。通過調節雷射器51的功率可調節矽粉的加熱溫度，通過調節高精度移動平臺的傳送速度可調節矽粉的加熱時間，從而得到單晶矽、多晶矽、非晶矽比例不同的矽薄膜6。實施例1給粉裝置4的送分量為50克/分鐘，基板2移動速度為480毫米/分鐘，如圖2 所示，製成的塗層寬度L1等於50mm;雷射器51的功率為1000瓦，波長為1064nm，線雷射光束的線寬L2為0. 6mm、線雷射光束的長度與矽粉塗層的寬度L2相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 8mm,獲得的矽粉加熱溫度為1500度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 5mm ；矽薄膜中單晶矽佔20%、多晶矽佔50%、非晶矽佔30%，光電轉換效率可達18%。實施例2給粉裝置4的送分量為50克/分鐘，基板2移動速度為600毫米/分鐘，如圖2 所示，製成的塗層寬度L1等於50mm的；雷射器51的功率為1000瓦，波長為1064nm，線雷射光束的線寬L2為0. 6mm、線雷射光束的長度與矽粉塗層的寬度L2相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 5mm,獲得的矽粉加熱溫度為1450度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 3 ；矽薄膜中單晶矽佔10%、多晶矽佔30%、非晶矽佔60%，光電轉換效率可達12%。實施例3
給粉裝置4的送分量為50克/分鐘，基板2移動速度為550毫米/分鐘，如圖2 所示，製成的塗層寬度L1等於50mm的；雷射器51的功率為1000瓦，波長為1064nm，線雷射光束的線寬L2為0. 6mm、線雷射光束的長度與矽粉塗層的寬度L2相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 8mm,獲得的矽粉加熱溫度為1480度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 5mm ；矽薄膜中單晶矽佔12%、多晶矽佔30%、非晶矽佔58%，光電轉換效率可達13%。實施例4給粉裝置4的送分量為40克/分鐘，基板2移動速度為500毫米/分鐘，如圖2 所示，製成的塗層寬度L1等於50mm的；雷射器51的功率為2000瓦，波長為1064nm，線雷射光束的線寬L2為0. 8mm、線雷射光束的長度與矽粉塗層的寬度L2相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 7mm,獲得的矽粉加熱溫度為1800度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 4mm ；矽薄膜中單晶矽佔15%、多晶矽佔30%、非晶矽佔55%，光電轉換效率可達15%。實施例5給粉裝置4的送分量為50克/分鐘，基板2移動速度為550毫米/分鐘，如圖2 所示，製成的塗層寬度L1等於50mm的；雷射器51的功率為2000瓦，波長為1064nm，線雷射光束的線寬L2為0. 8mm、線雷射光束的長度與矽粉塗層的寬度L2相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 8mm,獲得的矽粉加熱溫度為1720度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 5mm ；矽薄膜中單晶矽佔13 %、多晶矽佔27 %、非晶矽佔60 %，光電轉換效率可達13 %。實施例6給粉裝置4的送分量為50克/分鐘，基板2移動速度為600毫米/分鐘，如圖2 所示，製成的塗層寬度L1等於50mm的；雷射器51的功率為2000瓦，波長為1064nm，線雷射光束的線寬L2為0. 8mm、線雷射光束的長度與矽粉塗層的寬度L2相同。在上述工藝條件下得到的矽粉厚度約0. 7mm,獲得的矽粉加熱溫度為1650度。矽粉熔融後再結晶得到的矽薄膜為單晶矽、多晶矽和非晶矽的混合體，其厚度為0. 4mm ；矽薄膜中單晶矽佔12 %、多晶矽佔觀％、非晶矽佔60 %，光電轉換效率可達13 %。
權利要求
1.一種太陽能電池矽薄膜製備方法，其特徵在於通過水平傳動裝置帶動太陽能電池基板作勻速直線運動，使給粉裝置送出的矽粉均勻覆於基板上；在基板移動過程中，利用高能線雷射光束照射基板，使覆於基板表面的矽粉在經過高能線雷射光束照射區域時熔融， 移出光束區後通過再結晶過程，在基板表面形成矽薄膜。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池矽薄膜製備方法，其特徵在於所述高能線雷射光束由功率為1000 2000瓦，波長為1064nm的雷射器經光束整形、準直和聚焦得到。
3.根據權利要求2所述的太陽能電池矽薄膜製備方法，其特徵在於所述給粉裝置的送分量為40 50克/分鐘，基板移動速度為480 600毫米/分鐘，矽粉塗層寬50毫米；雷射器功率為1000 2000瓦，波長為1064nm，高能線雷射光束線寬為0. 6 0. 8毫米，長度與矽粉塗層的寬度相同。
4.根據權利要求3所述的太陽能電池矽薄膜製備方法，其特徵在於給粉裝置的送分量為50克/分鐘，基板移動速度為480毫米/分鐘，矽粉塗層寬50毫米；雷射器功率為1000 瓦，波長為1064nm，高能線雷射光束線寬為0. 6mm，長度與矽粉塗層的寬度相同。
5.根據權利要求3所述的太陽能電池矽薄膜製備方法，其特徵在於給粉裝置的送分量為40克/分鐘，基板移動速度為500毫米/分鐘，矽粉塗層寬50毫米；雷射器功率為2000 瓦，波長為1064nm，高能線雷射光束線寬為0. 8mm，長度與矽粉塗層的寬度相同。
6.一種太陽能電池矽薄膜製備裝置，其特徵在於包括基板O)，水平傳動裝置(1)，給粉裝置G)，高能線雷射光源(5)；所述的基板O)固定於水平傳動裝置(1)上，給粉裝置 (4)和高能線雷射光源( 位於基板O)的上方；基板( 在水平傳動裝置(1)的帶動下作直線移動，使給粉裝置(4)送出的矽粉均勻覆於基板(2)上；高能線雷射光源(5)發出的線雷射光束照射到基板(2)上，使覆於基板(2)表面的矽粉在經過高能線雷射光束照射區域時熔融。
7.根據權利要求6所述的太陽能電池矽薄膜製備裝置，其特徵在於所述給粉裝置(4) 包括恆壓裝置(45)、粉盒及插板；所述粉盒Gl)的上部通過氣管G4)接恆壓裝置(45)，粉盒的下部開有長條形給粉孔(42)，給粉孔02)處安裝可沿垂直於給粉孔長度方向移動的插板G3)。
8.根據權利要求7所述的太陽能電池矽薄膜製備裝置，其特徵在於所述恆壓裝置05) 採用帶有壓力閥的氣泵。
全文摘要
本發明涉及一種太陽能電池矽薄膜製備方法及實現該方法的裝置，該方法及裝置通過高精度移動平臺帶動太陽能電池基板作勻速直線運動，使給粉裝置送出的超細矽粉均勻覆於基板上；在基板移動過程中，利用高能線雷射光束照射基板，使覆於基板表面的矽粉在經過高能線雷射光束照射區域時熔融，移出光束區後通過再結晶過程，在基板表面形成矽薄膜。本發明採用高能線雷射光束照射矽粉，使矽粉瞬間熔融，當矽粉移出光束區後在自然條件下再結晶得到矽薄膜。與傳統的製造方法相比，工藝環節簡單，汙染小，減小了能耗，降低了勞動強度。
文檔編號H01L31/18GK102270704SQ20111021636
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者王希軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所