专利名称：用碎硅片制备的太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳电池，特别是用碎硅片制备的太阳电池及其制备方法。
技术背景在本说明书中，将太阳电池接收光的一面称为上表面或上面，与之相对的面称为下表面 或背面。由上表面引出的电极称为上电极，由下表面引出的电极称成为下电极或背电极。传统的晶体硅太阳电池包括单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池，这种太阳电池采用掺有 硼的单晶或多晶硅片制成，其电阻率在0.1欧姆厘米到30欧姆厘米之间，在电池的上表面扩 散磷形成PN结。为了降低电池表面的反射，在上表面蒸发一层或多层减反射膜，在电池的 上表面有栅状的引出电极，在下表面有背电极引出。晶体硅太阳电池的单片厚度一般为0.3毫米作用，按照太阳电池制备工艺要求，片厚在 0.2毫米以下即可满足要求，现在采用的线切割技术可以切到0.2毫米或更薄，但硅片越薄就 越容易破碎。硅材料本身的特性是硬而脆，在太阳电池生产过程中总会有一些碎片，对于一 个比较好的生产线，碎片的比例大约是5%。对于破碎的硅片理论上可以重新熔化拉单晶或 者铸锭。但在这一过程中，很容易混入一些杂质，使硅的品质下降。另一方面，重新熔化拉 单晶或者铸锭的硅还要重新切片，这一过程大约要损失50%的硅材料。因此，用碎硅片作为 原料硅再次利用时，不仅要消耗大量的能源，还要损失一半的硅材料。近年来，人们不断对新型太阳电池进行探索。在唐厚舜等发表的文章"硅珠的形成及太 阳电池(组件"(太阳能学报，第18巻，第1期，1997年1月，31页至34页)中介绍了一种 用硅球制备的太阳电池。将P型硅颗粒加热熔化后，利用熔融硅的表面张力形成硅球，用扩 散的方法在表面扩散磷形成N型的表面，在球内形成PN结。在铝箔表面打孔，使硅球半卧 在孔内，将一部分球表面的N层腐蚀掉，露出球内的P型材料。将球的P型部分连接起来构 成太阳电池的一极，将N型部分连接起来构成太阳电池的另一极。这一方法用硅球代替了晶 体硅片，省去了熔铸(或拉单晶)和切片的过程。但硅球本身的制备较为困难，因而很难进 一步降低制造成本。在中国专利CN1031157A中介绍了一种PN结是颗粒状的太阳电池。由于硅颗粒的大小和 形状不规则，在技术上难度比较大。发明内容本发明的目的是提供一种用碎硅片制作的太阳电池及其制备方法。一种用碎硅片或废集成电路芯片制作的太阳电池及其制备方法。硅片为P型单晶或多晶， 硅片的厚度在0.1mm至0.3mm，电阻率在0.1 Qcm至30 Qcm，在硅片的一面扩散N型杂质， 形成PN结，在另一面扩散高浓度的P型杂质，形成P—P+型高低结，使每一个硅片成为基本 的电池单元。将许多电池单元铺成一个平面，每一个电池单元的PN结方向排列一致，用绝
缘树脂将这些电池单元粘接成大的平面，够成大的电池基片。将覆盖在硅片表面的树脂层剥 离，露出洁净的硅表面。在硅片的P型面沉积金属层，构成电池的下电极。在硅片的N型面 沉积透明导电层，构成太阳电池的上表面电极。在透明导电层上面沉积栅状金属引出极。在 透明导电层和栅状金属引出极上面沉积一层减反射层。所述的绝缘树脂的软化温度在15(TC以上，同时与硅、铝等金属有很好的粘接力，并具有 良好的耐候性。绝缘树脂为热塑型树脂膜，如热塑型PET膜、PEN膜，或其它耐候性好的热 塑型膜。树脂的厚度为0.1111111至0.3111111之间。所述的绝缘树脂材料充满硅片之间的缝隙，将碎小的硅片粘接成大面积的电池基片。粘 接后，硅片表面覆盖的树脂厚度在O.Olmrn至O.lmm之间。太阳电池制备方法包括下述步骤将碎硅片制备好的电池单元粘接成大的电池片，用数码相机对硅片的分布进行拍照，将照片送入计算机进行图像处理，分辨出硅片区域和硅片的 缝隙区域。然后控制激光刻蚀机对硅片上覆盖的树脂层进行刻蚀，保留硅片缝隙处的胶体完好。并在硅片的边缘保留0.1mm至0.3inm的树脂层，将中心部位覆盖的树脂全部剥离，露出 清洁的硅表面。所述的金属层为一种金属材料构成的单层结构，或由多种金属材料构成的多层结构。金 属层材料为铝，镍，银，钛等金属，厚度在0.3um至3um之间。所述的透明导电层为氧化锌，氧化锡，ITO或其它透明导电材料，厚度在0.3um至3ii m之间。所述的栅状金属引出极由铝、镍、银、金或它们的合金构成。 所述的减反射层材料为氟化镁。现将本发明详细描述如下-碎硅片本身的品质是非常好的单晶或多晶硅。只是形状和大小不规则。碎硅片的尺寸在 几平方毫米至几平方厘米之间。本发明采用P型单晶或多晶硅片，硅片的厚度在0.3mm左右， 电阻率在0.1ficm至30Qcm，按照现有的单晶硅或多晶硅太阳电池的生产工艺，在硅片的一 面扩散N型杂质，形成PN结，在另一面扩散高浓度的P型杂质，形成P—P+型高低结，使 每一个硅片成为基本的电池单元。本发明的关键是将碎硅片制成的电池单元粘接成大面积的电池基片。粘接时，先将电池 单元均匀地铺在平面上，每一个电池单元的PN结的方向要一致，选用耐候性好的结构胶涂 覆在电池基片的上面，在上下两面各垫一层不与胶粘接的衬垫，然后施加一定的压力，并保 持到胶体固化。在压力作用下，胶体被挤入硅片的每一个缝隙，将碎的硅片粘接成大的平面。 胶体是绝缘体。在粘接过程中，胶也会粘在硅片的表面，因此形成一层绝缘层。为了在硅片 的上下表面制备电极，必须将绝缘的胶层去掉，露出清洁的硅表面。本发明采用激光刻蚀的方法去除硅表面粘结的绝缘胶。硅的熔点为1400'C以上，胶体的 软化温度一般在300'C以下。在强激光的照射下，胶体很容易气化或离化分解。在激光刻蚀 过程中，对硅片中心部位的胶进行剥离，保留硅片缝隙处的胶体，同时在硅片边缘也保留一
定宽度的胶层，以便保持硅片之间的粘接强度。为了做到这一点，首先用数码相机对硅片的 分布进行拍照，将照片送入计算机进行图像处理，分辨出硅片区域和硅片的缝隙区域。然后 控制激光刻蚀机对硅片的中心部位进行刻蚀，同时保留硅片缝隙处的胶体完好。接下来在硅片的上表面沉积透明导电层作上电极，为了增加透明导电层收集电子的能力， 在透明导电层上再真空蒸镀一层栅形收集极做为上电极的引出极。为了提高光的吸收率，可 在表面蒸发一层减反射材料，如氟化镁等。在硅片的下表面沉积金属层作下电极。本发明直接用碎硅片制作太阳电池，保持了硅片本事的高品质，制造过程能耗低，材料 利用率高，适于自动化批量生产，可大幅度降低太阳电池的制造成本。
图l是电池单元结构图。图2是用树脂将电池单元粘成大的电池片。图3是将覆盖在硅片上的树脂剥离。图4是完整的用碎硅片制成的太阳电池。
具体实施方式
如图所示，01代表P型硅片；02代表硅片上表面扩散的N层并形成PN结；03代表硅片 下表面扩散的P+层并形成背场；04代表将电池单元粘结成大的电池片的树脂；05代表硅片 表面树脂被剥离露出硅片区域；06代表上表面透明导电层；07代表上表面栅形收集极；08 代表代表上表面减反射层；09代表背电极。实施例1:用太阳电池生产过程中切片后破碎的硅片制作太阳电池。硅片的电阻率为5欧姆厘米P 型多晶硅，厚度为0.3mm，大小在0.5咖2~30112之间，经过清洗后，将硅片均匀铺在石英托 盘上，放进扩散炉中进行磷扩散。所用的扩散方法与制备多晶硅太阳电池的方法相同。在硅 片的上表面形成PN结。扩散后用抗酸腐蚀的胶，如主要成分为沥青的黑胶，将扩散好的N面覆盖，然后放入硅 腐蚀液中进行腐蚀。将扩散到硅片边缘的N层以及扩散到P面的N型层腐蚀掉，露出硅片内 部的P型硅。腐蚀后，将覆盖在N型表面的胶去掉。在P型面用真空蒸发的方法沉积一层铝， 厚度大约3um。然后放入扩散炉中烧结，炉温为80(TC左右，时间为20分钟。烧结后，在P 型面形成了铝参杂的P+层，这一层通常称作铝背场。这样硅片就被制成电池单元。在一个铝板上铺上一层聚酰亚胺薄膜，然后铺一层热塑型PEN聚酯膜，膜厚为0. 2ram左 右，将制备好的电池单元平铺在上面。所有电池单元的N面朝上，P面朝下。在电池单元上 覆盖一层聚酰亚胺薄膜。最上面用铝板压紧，并施加约0.1kg/cn 的压力，然后加热到290 °C，使PEN聚酯膜融化。在压力的作用下，融化的PEN聚酯会渗入硅片的缝隙。当温度降低 后，PEN聚酯固化，将电池单元粘接成大的电池片。 经过上述处理，在硅片的N面没有树脂，保持清洁的表面，可以直接沉积透明导电层。 用溅射的方法在硅片的N面沉积掺铝氧化锌作为透明导电层。为了增加透明导电层收集电子 的能力，在掺铝氧化锌透明导电层上再真空蒸镀一层铝作为上电极。蒸铝时用模板将收集制 成栅状。最后蒸发一层氟化镁减反射层。在硅片P面覆盖着一层PEN聚酯，厚度大约50um。 PEN聚酯材料是透明的，硅片为深灰 色，二者有明显不同。用数码相机拍摄硅片分布的照片，送入计算机中进行图像处理，标示 出硅片区域和硅片缝隙区域。根据计算机图像处理的结果控制激光刻蚀机，将硅片中心部位 的PEN聚酯膜剥离，保留硅片缝隙处和硅片边缘处的PEN聚酯材料。经过剥离后露出硅片的 表面，用真空蒸发的方法沉积一层金属铝做为背电极。实施例2用集成电路的边角料制作太阳电池。硅片的电阻率为5欧姆厘米的P型单晶硅，厚度为 0.3mm,大小在0.5 3cn^之间，经过清洗后，将硅片均匀铺在石英托盘上，放进扩散炉中进 行磷扩散。所用的扩散方法与制备多晶硅太阳电池的方法相同。在硅片的上表面形成PN结。扩散后用抗酸腐蚀的胶，如主要成分为沥青的黑胶，将扩散好的N面覆盖，然后放入硅 腐蚀液中进行腐蚀。将扩散到硅片边缘的N层以及扩散到P面的N型层腐蚀掉，露出硅片内 部的P型硅。腐蚀后，将覆盖在N型表面的胶去掉。在P型面用真空蒸发的方法沉积一层铝， 厚度大约3um。然后放入扩散炉中烧结，炉温为800'C左右，时间为20分钟。烧结后，在P 型面形成了铝参杂的P+层，这一层通常称作铝背场。这样硅片就被制成基本的电池单元。在一个铝板上铺上一层聚丙稀薄膜，在聚丙稀薄膜上涂覆环氧树脂，环氧树脂厚为0.2咖 左右，将制备好的电池单元平铺在上面。所有电池单元的N面朝上，P面朝下。在硅片上面 再覆盖一层丙稀薄膜。用铝板压紧，并施加约0.1kg/cm2的压力，在压力的作用下，环氧树 脂会渗入硅片的缝隙。经过24小时固化后，电池单元粘接成大的电池片。丙稀薄膜不与环氧 树脂粘接，起到隔离膜的作用。经过上述处理，在硅片的N面没有树脂，保持清洁的表面，可以直接沉积透明导电层。 用溅射的方法在硅片的N面沉积掺铝氧化锌作为透明导电层。为了增加透明导电层收集电子 的能力，在掺铝氧化锌透明导电层上再真空蒸镀一层铝作为上电极。蒸铝时用模板将收集制 成栅状。最后蒸发一层氟化镁减反射层。在硅片P面覆盖着一层环氧树脂，厚度大约50ym。环氧树脂材料是透明的，硅片为深 灰色，二者有明显不同。用数码相机拍摄硅片分布的照片，送入计算机中进行图像处理，标 示出硅片区域和硅片缝隙区域。根据计算机图像处理的结果控制激光刻蚀机，将硅片中心部 位的环氧树脂剥离，保留硅片缝隙处和硅片边缘处的环氧树脂材料。经过剥离后露出硅片的 表面，用真空蒸发的方法沉积一层金属铝做为背电
权利要求
1、一种用碎硅片或集成电路边角料制作的太阳电池及其制备方法。硅片为P型单晶或多晶，硅片的厚度在0.1mm至0.3mm，电阻率在0.1Ωcm至30Ωcm，在硅片的一面扩散N型杂质，形成PN结，在另一面扩散高浓度的P型杂质，形成P-P+型高低结，使每一个硅片成为基本的电池单元。其特征在于将许多电池单元铺成一个平面，每一个电池单元的PN结方向排列一致，用绝缘树脂将这些电池单元粘接成大的平面，够成大的电池基片。将覆盖在硅片表面的树脂层剥离，露出洁净的硅片表面。在硅片的P型面沉积金属层，构成电池的下电极。在硅片的N型面沉积透明导电层，构成太阳电池的上表面电极。在透明导电层上面沉积栅状金属引出极。在透明导电层和栅状金属引出极上面沉积一层减反射层。
2、 按照权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所述的绝缘树脂的软化温度在15CTC 以上，同时与硅、铝等金属有很好的粘接力，并具有良好的耐候性。
3、 按照权利要求2所述的绝缘树脂，其特征在于绝缘树脂为热塑型树脂膜
4、 按照权利要求2所述的绝缘树脂，其特征在于绝缘树脂为热塑型PET膜、PEN膜， 或其它耐候性好的热塑型膜。
5、 按照权利要求3所述的热塑型树脂膜，其特征在于树脂膜的厚度为0.03mm至0.3mm 之间。
6、 按照权利要求l所述的太阳电池制备方法，其特征在于它包括下述步骤将碎硅片制 备好的电池单元粘接成大的电池片，用数码相机对硅片的分布进行拍照，将照片送入计算机 进行图像处理，分辨出硅片区域和硅片的缝隙区域。然后控制激光刻蚀机对硅片的中心部位 进行刻蚀，同时保留硅片缝隙处的胶体完好。
7、 按照权利要求6所述的太阳电池制备方法，其特征在于在硅片的边缘保留0.1mm至 0.3mm的树脂层，将中心部位覆盖的树脂全部剥离，露出清洁的硅表面。
8、 按照权利要求l所述的太阳电池，其特征在于所述的金属层为一种金属材料构成的 单层结构，或由多种金属材料构成的多层结构。
9、 按照权利要求l所述的太阳电池，其特征在于所述的透明导电层为氧化锌，氧化锡， ITO或其它透明导电材料。
10、 按照权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所述的栅状金属引出极由铝、镍、银、金或它们的合金构成。
11、 按照权利要求l所述的太阳电池，其特征在于所述的减反射层材料为氟化镁。
全文摘要
本发明涉及一种用碎硅片或集成电路边角料制作的太阳电池及其制备方法。首先将硅片扩散PN结和P-P<sup>+</sup>背场，制成基本的电池单元。再将许多电池单元铺成一个平面，每一个电池单元的PN结方向排列一致，用绝缘树脂将这些电池单元粘接成大的平面，够成大的电池基片。用数码相机对硅片的分布进行拍摄，根据拍摄的图像，控制激光刻蚀机将覆盖在硅片表面的树脂层剥离，露出洁净的硅片表面。在硅片的P型面沉积金属层，构成电池的下电极。在硅片的N型面沉积透明导电层，构成太阳电池的上表面电极。在透明导电层上面沉积栅状金属引出极。在透明导电层和栅状金属引出极上面沉积一层减反射层。
文档编号H01L31/18GK101132027SQ20071006120
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者刘维一 申请人:南开大学