《太陽能電池及其製備方法》是南京大學於2006年4月30日申請的發明專利，該專利的申請號為2006100400565，公布號為CN1845342，公布日為2006年10月11日，發明人是欒景飛、王艷錦、帖靖璽、張繼彪、鄭正、唐登勇、李培培、趙偉。
《太陽能電池及其製備方法》所述太陽能電池，在襯底上設有電極和太陽能電池薄膜，太陽能電池的上表面設有電極，所述薄膜型太陽能電池含有塊狀或條狀拼接的兩或三組分薄膜材料，其構成是InTaO4/InVO4、InNbO4/InVO4或InNbO4/InVO4/InTaO4；並在每種薄膜材料上摻雜鋁、鎵、磷或砷原子，摻雜量為1～15×10原子。該發明特點是，太陽能電池的光電轉換效率可以達到2.6％以上，成本明顯下降。且薄膜型太陽能電池含有塊狀或條狀拼接的兩或三組分薄膜材料可以充分接受更寬範圍的光譜，效率提高。
2014年11月6日，《太陽能電池及其製備方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：太陽能電池及其製備方法
- 公布號：CN1845342
- 公布日：2006年10月11日
- 申請號：2006100400565
- 申請日：2006年4月30日
- 申請人：南京大學
- 地址：江蘇省南京市漢口路22號
- 發明人：欒景飛、王艷錦、帖靖璽、張繼彪、鄭正、唐登勇、李培培、趙偉
- 分類號：H01L31/042（2006.01）、H01L31/18（2006.01）
- 代理機構：南京天翼專利代理有限責任公司
- 類別：發明專利
- 代理人：湯志武、王鵬翔
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著經濟的迅猛發展，煤炭、石油等不可再生資源日益減少，環境污染日益嚴重，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。於是，太陽能作為新能源成為人們的首要選擇。太陽能作為一種可再生能源，首先它不會改變地球的熱能平衡，也不會造成生態環境污染，另外，太陽能還有取之不盡、功率巨大、使用安全等優點，因此，太陽能的開發利用引起了人類的重視，而太陽能電池是開發利用太陽能最有效的方法之一，太陽能電池也就由此產生。
1954年，美國貝爾實驗室研製出第一塊半導體太陽能電池，開始了利用太陽能發電的新紀元。由於太陽能電池價格昂貴，因此其發展緩慢，當時主要用於航天科技工程。20世紀70年代，由於石油危機，使人們對於可再生能源的興趣越來越濃，太陽能電池也進入了快速發展的階段。截至2006年4月，太陽能電池市場以每年30％的速度遞增。
第一代太陽能電池基於矽晶片基礎之上，主要採用單晶體矽、多晶體矽等為材料，轉換效率為11％～15％，但原料成本太高，生產工藝複雜，而且材料本身不利於降低成本，這限制了它的民用化。為降低成本，基於薄膜技術的第二代太陽能電池登上了歷史舞台。薄膜太陽能電池材料主要有多晶矽、非晶矽、硫化鎘、碲化鎘以及銅銦硒等。薄膜太陽能電池在很大程度上解決了太陽能電池的成本問題，但是效率很低，2006年4月前商用薄膜太陽能電池的光電轉換效率只有6％～8％。第二代太陽能電池中，儘管硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶矽薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶矽電池低，並且也易於大規模生產，但由於鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此，並不是晶體矽太陽能電池最理想的替代品。銅銦硒作為太陽能電池的半導體材料，具有價格低廉、性能良好和製備工藝簡單等優點，唯一的問題是材料的來源，由於銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。
2006年4月前，各類薄膜太陽能電池的材料大多為單一組分，並且以吸收紫外光居多，但是太陽光中紫外光能量僅占4％，可見光能量占43％，薄膜型太陽能電池不能有效地利用太陽能。因此，開發能夠充分地利用太陽光中可見光的薄膜太陽能電池，從而提高光電轉換效率，是當前太陽能電池主要研究方向之一。採用可見光回響型的組分漸變薄膜材料製備太陽能電池，可拓展光譜回響範圍，能更加充分地利用太陽光中的可見光。
CN1230033公開了光電池（22）的批量製造方法，該方法包括以下步驟：（a）提供至少一個導電材料條帶（1），（b）在所說條帶（1）中連續地切割出具有所需光電池（22）形狀和尺寸的基片（2），（c）將切割出的基片（2）放回所說條帶（1）中，（d）在所說條帶（2）的一個表面上沉積構成至少一個n-i-p或p-i-n結的半導體材料（16），（e）在所說半導體材料（16）的頂面上沉積透明的導電材料層，（f）從所說條帶（1）中取出覆蓋有所說半導體材料（16）和所說上部。
申請號03158056.4的專利申請提供了一種作為Si太陽能電池的背面電極用來使用時，在維持作為Si太陽能電池的背面電極的功能的同時，燒結時的電極膜的燒結收縮小，並且能夠抑制Si晶片的翹曲的導電漿。《太陽能電池及其製備方法》的Si太陽能電池的背面電極形成用導電漿，含有Al粉末、玻璃熔塊、有機展色料、以及對該有機展色料難溶性或不溶性的粒子，其中該粒子是有機化合物粒子或碳粒子中的至少一種。
申請號02137582.8提供一種無鋁珠析出的矽太陽電池背場合金成分的配方比例，使在全自動背電極、背場、柵極生產中，既能不出現鋁珠，又能不減弱背反射作用，該合金成份根據電極基體材料的電阻率，選擇合適的銀漿與鋁漿（12-15）:（85-88）的比例，製備銀鋁漿。
如上所述，包括摻雜採用離子注入鋁（鎵）或磷（砷），化學摻雜如三氯氧磷擴散摻雜，三氧化二鎵高溫擴散等已經是商業化套用。
發明內容
專利目的
《太陽能電池及其製備方法》的目的是提出一種新型的可見光回響型組分漸變薄膜太陽能光電池及其製備方法。該發明的光電池薄膜材料組分為InTaO4/InVO4、InNbO4/InVO4，對應圖1左側中的1和2；薄膜組分還可以是InNbO4/InVO4/InTaO4，分別對應圖1中右側的1、2和3。
太陽能電池薄膜結構為組分拼接，在襯底上設有電極和太陽能電池薄膜、太陽能電池的上表面設有電極，所述薄膜型太陽能電池含有塊狀或條狀拼接的兩或三組分薄膜材料，其構成是InTaO4/InVO4、InNbO4/InVO4或InNbO4/InVO4/InTaO4，並在每種薄膜材料上摻雜鋁、鎵、磷或砷原子，摻雜量為1～15×10原子。該發明設有兩或三組分薄膜材料，是塊狀或條狀的，幾何尺寸為：每個組分的長條狀薄膜的寬度為1～15cm。兩或三組分薄膜材料是組分漸變薄膜，且為可見光回響型。
該組分漸變薄膜厚度尺寸是3～18微米。
太陽能電池的襯底材料選用石英、陶瓷、玻璃、YSZ單晶基片、Si基襯底或者聚合物等，襯底上可以生長ITO或其他電極材料。
技術方案
太陽能電池的製備方法，採用離子注入法或化學擴散法對薄膜材料摻雜三價或五價原子；電極的製備採用真空鍍ITO或絲網印刷法印刷導電極，其特徵是製備光電池的薄膜材料所需的靶材是InTaO4、InVO4、InNbO4等化合物。上述太陽能電池組分漸變薄膜有兩種製備工藝，一是通過多靶磁控濺射和掩模技術製備：選擇不同的襯底材料，在氬氣和氧氣的混合氣體中，以純金屬In和Ta、In和Nb、In和V作為靶材進行磁控共濺射；二是採用脈衝雷射濺射沉積和掩模技術製備：以InVO4、InTaO4和InNbO4作為靶材，工作氣氛為氬氣，控制雷射濺射澱積時間，脈衝雷射功率密度為5～60兆焦耳/平方米，在襯底上沉積組分漸變單層薄膜。具體製備方法：首先將靶材、襯底和基片放在濺射腔里，在掩模上設有二至三個開閉的模孔，每種靶材材料濺射時一個模孔打開，其它的一至二個模孔被遮蓋。製備三組分薄膜材料時，InVO4在InNbO4和InTaO4的中間。
該發明中太陽能電池所用的靶材InTaO4、InVO4、InNbO4的製備是以In2O3和M2O5（M＝V、Ta、Nb）為原材料，經充分混合後，放入三氧化二鋁坩堝內，在空氣中常壓下在電爐中燒結，化合物靶材採用固相合成的方法製備，在800～1200℃下燒結12～24小時，經粉碎、造粒、壓製成型，再在1100℃下燒結24小時。
由於上述薄膜材料為組分漸變型，不同的組分單相具有不同的能頻寬度，因此可以更加充分地利用太陽光中的可見光。
改善效果
《太陽能電池及其製備方法》特點是：新型的可見光回響型組分漸變薄膜太陽能光電池及其製備方法。太陽能電池所用組分漸變薄膜有三種，三種薄膜組成分別為InTaO4/InVO4、InVO4/InNbO4、InNbO4/InVO4/InTaO4，利用上述薄膜製備的光電池光電轉化效率分別為2.13％、2.24％和2.61％，而由單組分薄膜InTaO4、InNbO4和InVO4製備的光電池的光電轉化效率分別為1.09％、1.14％和1.62％，可以看出由組分漸變薄膜製備的光電池的光電轉化效率大於由單組分薄膜製備的光電池的光電轉化效率，因此能夠更加有效地利用太陽能。
附圖說明
圖1是組分漸變薄膜示意圖（左側為二組分示意圖，右側為三組分示意圖）。
圖2是該發明所用的自製新型掩模。
權利要求
1、《太陽能電池及其製備方法》採用離子注入法或化學擴散法對薄膜材料摻雜三價或五價原子；電極的製備採用真空鍍ITO或絲網印刷法印刷導電極，其特徵是製備光電池的薄膜材料所需的靶材是InTaO4、InVO4、InNbO4等化合物，採用脈衝雷射濺射鍍膜，控制雷射濺射澱積時間，脈衝雷射功率密度為5～60兆焦耳/平方米，將靶材、襯底和基片放在濺射腔里，採用設有三個可開閉模孔的掩模，第一種組分靶材材料濺射時一個模孔的掩模打開，其它二個模孔被遮蓋，進行第一種組分的濺射，待操作完成後將第二個模孔打開，其他模孔封閉，進行第二種組分靶材材料的濺射，第二種組分靶材材料濺射完成後，將第三個模孔打開，其他模孔封閉，進行第三種組分靶材材料濺射，製得組分漸變薄膜。
2、根據權利要求1所述的太陽能電池的製備方法，其特徵是薄膜材料為三組分時，InVO4在InNbO4和InTaO4的中間。
實施方式
該發明製備可見光回響型組分漸變薄膜的方法為：選擇不同的襯底材料，採用多靶磁控濺射和掩模技術，在氬氣和氧氣的混合氣體中，以純金屬In和Ta、In和Nb、In和V作為靶材在襯底材料上進行磁控共濺射，製得所需兩或三組分漸變薄膜。
該發明製備可見光回響型組分漸變薄膜的另一方法包括以下步驟：1）採用固相合成的方法製備InTaO4、InVO4、InNbO4等靶材，製備條件為800～1200℃下燒結12～24小時，經粉碎、造粒、壓製成型，再在1100℃下燒結24小時；2）採用脈衝雷射濺射沉積和掩模技術，以InVO4、InTaO4和InNbO4作為靶材，工作氣氛為氬氣，在襯底上沉積組分漸變單層薄膜。
該發明先在襯底上鍍ITO導電極，以及摻雜工藝，均採用2006年4月前已有矽太陽能電池的方法，絲網印刷時合金成份根據電極基體材料的電阻率，選擇合適的銀漿與鋁漿（12-15）:（85-88）的比例，製備銀鋁漿。此處不多描述。
包括摻雜採用離子注入鋁（鎵）或磷（砷），三氯氧磷擴散摻雜，三氧化二鎵高溫擴散等化學摻雜亦採用2006年4月前已有技術。
組分漸變薄膜的製備
1、以化學計量比稱量高純的試劑In2O3和M2O5（M＝V、Ta、Nb），經充分混合後，放入三氧化二鋁坩堝內，在空氣中常壓下在電爐中燒結，採用固相合成的方法製備；在800～1200℃下燒結12～24小時，經粉碎、造粒、壓製成型，再在1100℃下燒結24小時，製得所需的化合物靶材InTaO4、InVO4、InNbO4。
2、採用多靶磁控濺射技術製備組分漸變單層薄膜
該工藝和下面的工藝中所採用的掩模均為自製新型掩模，如圖2所示。所有的模孔集中在一片掩模上，各模孔之間無縫隙緊密相連，使用時，首先將第一模孔打開，其他模孔封閉，進行第一種組分的濺射，待操作完成後將下一個模孔打開，其他模孔封閉，進行第二種組分的濺射，依此類推，這樣可以保證不同組分單相之間有較好的結合性。
2.1、InTaO4/InVO4薄膜的製備
1）首先將靶材、襯底和基片放在濺射腔里，襯底放在基片的中央；
2）採用自製掩模，掩模放置在襯底上，掩模將襯底完全覆蓋，打開模孔1同時關閉模孔2和3；
3）用螺絲和壓片將掩模壓在襯底上；把基片放在托盤上，關閉濺射腔；抽真空至1.0～2.0×10帕；
4）加入氬氣，氣壓為0.5帕；
5）起輝，然後通入氧氣，控制氬氣和氧氣流量比為4:1，或1:2，或3:2，濺射純金屬靶材In和Ta，濺射功率為20～40瓦，從而控制靶材濺射速率；
6）開始鍍膜，控制鍍膜時間，製得InTaO4薄膜；
7）打開倉門，關閉模孔1和3同時打開模孔2，以純金屬In和V為靶材重複上述操作，製得InVO4薄膜；
8）通過上述工藝製得組分漸變薄膜InTaO4/InVO4。
2.2、InNbO4/InVO4薄膜的製備
1）首先將靶材、襯底和基片放在濺射腔里，襯底放在基片的中央；
2）採用自製掩模，掩模放置在襯底上，掩模將襯底完全覆蓋，打開模孔1同時關閉模孔2和3；
3）用螺絲和壓片將掩模壓在襯底上；把基片放在托盤上，關閉濺射腔；抽真空至1.0～2.0×10帕；
4）加入氬氣，氣壓為0.5帕；
5）起輝，然後通入氧氣，控制氬氣和氧氣流量比為4:1，或1:2，或3:2，濺射純金屬靶材In和Nb，濺射功率為20～40瓦，從而控制靶材濺射速率；
6）開始鍍膜，控制鍍膜時間，製得InNbO4薄膜；
7）打開倉門，關閉模孔1和3同時打開模孔2，以純金屬In和V為靶材重複上述操作，製得InVO4薄膜；
8）通過上述工藝製得組分漸變薄膜InNbO4/InVO4。
2.3、InNbO4/InVO4/InTaO4薄膜的製備
1）首先將靶材、襯底和基片放在濺射腔里，襯底放在基片的中央；
2）採用自製掩模，掩模放置在襯底上，掩模將襯底完全覆蓋，打開模孔1同時關閉模孔2和3；
3）用螺絲和壓片將掩模壓在襯底上；把基片放在托盤上，關閉濺射腔；抽真空至1.0～2.0×10帕；
4）加入氬氣，氣壓為0.5帕；
5）起輝，然後通入氧氣，控制氬氣和氧氣流量比為4:1，或1:2，或3:2，濺射純金屬靶材In和Nb，濺射功率為20～40瓦，從而控制靶材濺射速率；
6）開始鍍膜，控制鍍膜時間，製得InNbO4薄膜；
7）打開倉門，關閉模孔1和3同時打開模孔2，以純金屬In和V為靶材重複上述操作，製得InVO4薄膜；
8）打開倉門，關閉模孔1和2同時打開模孔3，以純金屬In和Ta為靶材重複上述操作，製得InTaO4薄膜；
9）通過上述工藝製得組分漸變薄膜InNbO4/InVO4/InTaO4。
3、採用脈衝雷射濺射沉積技術製備組分漸變單層薄膜
3.1、InTaO4/InVO4薄膜的製備
1）首先將靶材和襯底放在真空腔里，將靶材InTaO4放在靶台上，襯底放在襯底台上，掩模放置在襯底上，掩模將襯底完全覆蓋，打開模孔1同時關閉模孔2和3；
2）用螺絲和壓片將掩模壓在襯底上，襯底台由電阻絲採用溫控程式控制加熱；
3）將真空腔抽真空至10～10帕，然後加熱襯底到500～750℃；
4）通入氧氣，氧氣壓力控制在5～20帕；
5）採用脈衝雷射濺射鍍膜，控制雷射濺射澱積時間，脈衝雷射功率密度為5～60兆焦耳/平方米，製得InTaO4薄膜；
6）打開倉門，關閉模孔1和3同時打開模孔2，以InVO4為靶材重複上述操作，製得InVO4薄膜；
7）通過上述工藝製得組分漸變薄膜InTaO4/InVO4。
3.2、InNbO4/InVO4薄膜的製備
1）首先將靶材和襯底放在真空腔里，將靶材InNbO4放在靶台上，襯底放在襯底台上，掩模放置在襯底上，掩模將襯底完全覆蓋，打開模孔1同時關閉模孔2和3；
2）用螺絲和壓片將掩模壓在襯底上，襯底台由電阻絲採用溫控程式控制加熱；
3）將真空腔抽真空至10～10帕，然後加熱襯底到500～750℃；
4）通入氧氣，氧氣壓力控制在5～20帕；
5）採用脈衝雷射濺射鍍膜，控制雷射濺射澱積時間，脈衝雷射功率密度為5～60兆焦耳/平方米，製得InNbO4薄膜；
6）打開倉門，關閉模孔1和3同時打開模孔2，以InVO4為靶材重複上述操作，製得InVO4薄膜；
7）通過上述工藝製得組分漸變薄膜InNbO4/InVO4。
3.3、InNbO4/InVO4/InTaO4薄膜的製備
1）首先將靶材和襯底放在真空腔里，將靶材InNbO4放在靶台上，襯底放在襯底台上，掩模放置在襯底上，掩模將襯底完全覆蓋，打開模孔1同時關閉模孔2和3；
2）用螺絲和壓片將掩模壓在襯底上，襯底台由電阻絲採用溫控程式控制加熱；
3）將真空腔抽真空至10～10帕，然後加熱襯底到500～750℃；
4）通入氧氣，氧氣壓力控制在5～20帕；
5）採用脈衝雷射濺射鍍膜，控制雷射濺射澱積時間，脈衝雷射功率密度為5～60兆焦耳/平方米，製得InNbO4薄膜；
6）打開倉門，關閉模孔1和3同時打開模孔2，以InVO4為靶材重複上述操作，製得InVO4薄膜；
7）打開倉門，關閉模孔1和2同時打開模孔3，以InTaO4為靶材重複上述操作，製得InTaO4薄膜；
8）通過上述工藝製得組分漸變薄膜InNbO4/InVO4/InTaO4。
榮譽表彰
2014年11月6日，《太陽能電池及其製備方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
