[发明专利]具有量子阱结构的硅基薄膜太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池和具有量子阱结构的薄膜太阳能电池及其制造方法，特别是具有量子阱结构的硅基薄膜太阳能电池结构及其制造方法。

背景技术

自从法国科学家AE.Becquerel在1839年发现光电转换现象以后，1883年第一个以半导体硒为基片的太阳能电池诞生。1946年Russell获得了第一个太阳能电池的专利(US.2,402,662)，其光电转换效率仅为1％。直到1954年，贝尔实验室的研究才发现了掺杂的硅基材料具有高的光电转换效率。这个研究为现代太阳能电池工业奠定了基础。在1958年，美国Haffman电力公司为美国的卫星装上了第一块太阳能电池板，其光电转换效率约为6％。从此，单晶硅及多晶硅基片的太阳能电池研究和生产有了快速的发展，2006年太阳能电池的产量已经达到2000兆瓦，单晶硅太阳能电池的光电转换效率达到24.7％，商业产品达到22.7％，多晶硅太阳能电池的光电转换效率达到20.3％，商业产品达到15.3％。

另一方面，1970年苏联的Zhores Alferov研制了第一个GaAs基的高效率Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池。由于制备Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料的关键技术MOCVD(金属有机化学气相沉积)直到1980年左右才被成功研发，美国的应用太阳能电池公司在1988年成功地应用该技术制备出光电转换效率为17％的GaAs基的Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池。其后，以GaAs为基片的Ⅲ-Ⅴ族材料的掺杂技术，多级串联太阳能电池的制备技术得到了广泛的研究和发展，其光电转换效率在1993年达到19％，2000年达到24％，2002年达到26％，2005年达到28％，2007年达到30％。2007年，美国两大Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池公司Emcore和SpectroLab生产了高效率Ⅲ-Ⅴ族太阳能商业产品，其光电转换率达38％，这两家公司占有全球Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池市场的95％，最近美国国家能源研究所宣布，他们成功地研发了其光电转换效率高达50％的多级串联的Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池。由于这类太阳能电池的基片昂贵，设备及工艺成本高，主要应用于航空、航天、国防和军工等领域。

国外的太阳能电池研究和生产，大致可以分为三个阶段，即有三代太阳能电池。

第一代太阳能电池，基本上是以单晶硅和多晶硅基单一组元的太阳能电池为代表。仅注重于提高光电转换效率和大规模生产，存在着高的能耗、劳动密集、对环境不友善和高成本等问题，其产生电的价格约为煤电的2～3倍；直至2014年，第一代太阳能电池的产量仍占全球太阳能电池总量的80-90％。

第二代太阳能电池为薄膜太阳能电池，是近几年来发展起来的新技术，它注重于降低生产过程中的能耗和工艺成本，专家们称其为绿色光伏产业。与单晶硅和多晶硅太阳能电池相比，其薄膜高纯硅的用量为其的1％，同时，低温(大约200℃左右)等离子增强型化学气相沉积沉积技术，电镀技术，印刷技术被广泛地研究并应用于薄膜太阳能电池的生产。由于采用低成本的玻璃、不锈钢薄片，高分子基片作为基板材料和低温工艺，大大降低了生产成本，并有利于大规模的生产。目前已成功研发的薄膜太阳能电池的材料为：CdTe，其光电转换效率为16.5％，而商业产品约为12％左右；CulnGaSe(CIGS)，其光电转换效率为19.5％，商业产品为12％左右；非晶硅及微晶硅，其光电转换效率为8.3～15％，商业产品为7～12％，近年来，由于液晶电视的薄膜晶体管的研发，非晶硅和微晶硅薄膜技术有了长足的发展，并已应用于硅基薄膜太阳能电池。围绕薄膜太阳能电池研究的热点是，开发高效、低成本、长寿命的光伏太阳能电池。它们应具有如下特征：低成本、高效率、长寿命、材料来源丰富、无毒，科学家们比较看好非晶硅薄膜太阳能电池。目前占最大份额的薄膜太阳能电池是非晶硅太阳能电池，通常为pin结构电池，窗口层为掺硼的P型非晶硅，接着沉积一层未掺杂的i层，再沉积一层掺磷的N型非晶硅，并镀电极。专家们预计，由于薄膜太阳能电池具有低的成本，高的效率，大规模生产的能力，在未来的10～15年，薄膜太阳能电池将成为全球太阳能电池的主流产品。