[发明专利]太阳能电池以及用于生产太阳能电池的设备和方法

说明书

本申请是申请日为2007年2月23日，申请号为200780006361.5，发明名称为“太阳能电池以及用于生产太阳能电池的设备和方法”的发明专利申请的分案申请。 

技术领域

本发明大体上涉及太阳能电池、太阳能电池中的材料层、太阳能电池的生产方法、以及用于生产太阳能电池的制造设备（arrangement）。更具体地，本发明涉及独立权利要求的前序部分中所披露的内容。 

背景技术

太阳能电池提供了一种产生能量的生态方法，因此，其处于快速发展阶段。太阳能电池通常由光伏电池制成。光伏电池具有至少一个其中吸收光的光子的半导体层。光的吸收使电子或空穴传送到更高的传导能量水平，并且这种能量能够被用作电流。 

为将形成的电流传导出太阳能电池，在半导体层的两侧必须有导电层。位于太阳能电池辐射表面处的导电层必须允许光进入半导体层。通常将太阳能电池分为串联连接或并联连接的多个小电池。在这种情况下，可对多个导电层以及半导体层进行设计以提供所需电路。 

太阳能电池的辐射表面进一步被一层或多层所涂敷以为太阳能电池提供抗反射表面并保护太阳能电池不受环境中的机械、化学以及物理应力。这种表面可以是耐辐射玻璃或塑料制品。例如，玻璃层可包括由溅射、纳米热气雾表面技术（nHALO）以及通过ALD技术制成的自净TiO₂涂层。可将最外层的保护层整合在太阳能电池中或可将它们与电层（electrical layer）隔离。 

在提交本专利申请时，有两种用于生产太阳能电池的主要技术。在第一种技术中，使用硅或一些其他半导体材料作为衬底，并在衬底上设置另一些层。到目前为止，这种技术是最常用的。然而，硅衬底的生产以及用本制造技术形成另一些层的费用很高。而且，大的太阳能电池的重量变得很大，并且大的太阳能电池对机械应变相对敏感。这些缺点阻碍了太阳能电池的使用增加。 

用于生产太阳能电池的另一种技术是基于使用一些其他衬底并产生半导体层和其他层作为衬底上的薄膜。该衬底可以是例如玻璃或塑料。在衬底被制成可透过的情况下，可以将衬底用作太阳能电池的辐射表面。以这种技术制成的太阳能电池具有较轻的重量并且对机械应力不那样敏感。然而，其在达到足够的效率方面存在问题：通常仅有少于10%的光能能够被转化为电能。产生这种情况的一个原因在于产生的多个层的非同质性（non-homogeneity）。因此辐射层的可透过的度不足。此外，半导体层的非同质性会导致能量的损失。 

导致效率低的一个问题在于这样一个事实：半导体层的接合处（junction）具有特定的电势阈值，并且光子的能量仅能转化为相应于势能阈值的能量值。太阳光具有宽的波长光谱，并且因此光子具有宽的能量范围。如果光子的能量低于半导体的接合处的阈值电势，则光子不能被转化为电能。另一方向，如果光子的能量高于半 导体接合处的阈值电势，则光子根据势电阈值被转化为能量，但超过阈值的光子的能量被转化为热。 

可通过提供多个连续、可透过的半导体层来解决将宽光谱的射线转化为电能的问题，其中，每对半导体层提供用于将光转化为电的接合处。距辐射表面最近的半导体接合处具有最高的阈值电势，并且当射线进入下一接合处时，该阈值电势下降。通过这种方法可以在具有接近光子能量的阈值电势的结合处将光子转化为电流，并且这种方法具有较高的效率。然而，制造多个连续、可透过的半导体层是很困难的。如果层的表面不够光滑，则光会在每一连接层处被反射，从而降低了效率。此外，由于例如层中的短路点以及电场的不均匀分布，半导体层的非均质性也会导致电能的损失。 

另外，生产太阳能电池的辐射表面处的保护层也是困难且昂贵的。该工艺慢且需要与制造太阳能电池的电子部件分开进行。在不同的工艺和/或组装阶段中操作该部件会产生污染的风险，并因此进一步损失最终产品的效率。 

由于需要生产大表面的多个层，所以当生产大的太阳能电池时，上述所有问题均变得更加困难。已知技术适用于生产小尺寸的电池（例如，面积最多为几平方厘米），但是在将已知技术应用于生产具有大表面的层的太阳能电池时，表面的质量和材料的非均质性将变得更差。 

本申请人对在太阳能电池的生产过程中使用激光冷烧蚀的可能性进行了研究。近年来，激光技术的相当大的发展为生产基于半导体纤维的非常高效的激光系统提供了手段，从而支持了所谓的冷烧蚀方法的发展。冷烧蚀基于形成短宽度（诸如皮秒范围）的高能量激光脉冲，并将该脉冲指向靶材料的表面。因此，从激光束击中 靶处的区域，等离子体流（plasma plume）被烧蚀。冷烧蚀的应用包括例如涂敷和机械加工。