專利名稱：增加薄膜太陽能電池光吸收的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏器材領(lǐng)域，特別涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技術(shù)。
技術(shù)背景最近幾年，光伏電池和大面積光伏模塊的發(fā)展引起了世人的廣泛關(guān)注。尤其是氫化非晶 硅和納米晶硅，它們隨著光伏器件在商業(yè)和住宅設(shè)施中的廣泛應(yīng)用，顯示出巨大的潛力。在 260°C以下這樣較低的溫度下生產(chǎn)薄膜硅光伏器件一個顯著特點是，大面積沉積的與硅相關(guān) 的半導(dǎo)體膜層和電接觸膜層具有優(yōu)良性能。同時，使用良好成熟的鍍膜設(shè)備和程序，可以工 業(yè)化地制成低成本的模板。施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光劃線成型工藝(laser patterning)允許多個太陽能電池元件在薄膜沉積過程中直接形成集成式的大面積光伏模塊， 減少了加工步驟也改善了產(chǎn)品的可靠性。對于光伏器件，特別是薄膜光伏器件來講，使其性能優(yōu)良的關(guān)鍵是優(yōu)化半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換 層對光能的吸收，并同時減少器件中的光損耗。在很薄的吸收層里能夠最大限度的吸收光能， 是高轉(zhuǎn)換效率的必備條件。氫化薄膜硅所構(gòu)成的太陽能電池通常具有p-i-n結(jié)構(gòu)，其中p層和 n層是不活躍的"死層"，它們在非摻雜的i層中建立一個內(nèi)置電場，從而使得光致載流子被 有效的收集。其吸收層的厚度一般只有幾百個微米，最多不超過大約2000微米。而且氫化硅 薄膜的紅光和紅外光的吸收系數(shù)都比較低，所以有很大部分的陽光不能被有效的利用起來。 基于氫化硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)被夾在前后兩個電極(電接觸層)中，而形成完整的光伏元件。 通常使用的前電極必須具有良好的透明度和導(dǎo)電性，它通常是由透明導(dǎo)電氧化物(TCO)構(gòu) 成，譬如厚度為600-900納米的被摻雜的氧化錫或氧化鋅薄膜。后電極通常由一個TCO和金 屬薄膜共同組成，其一個重要作用就是將未被吸收的光反射回p-i-n結(jié)構(gòu)之中。已經(jīng)嘗試過各 種各樣的辦法來改善對光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前電極。另外，也使用過反光率 很高的背電極，使得未被吸收的光再一次被投回到電池中。對于非晶硅電池來講吸收層i層 也不能做得很厚，原因是該材料具有光質(zhì)衰減的缺陷。所以卓越的光學(xué)設(shè)計對于像氫化硅這 樣的薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率起有決定性作用。通常所使用的前電極TCO，譬如氧化錫，在其厚度不超過1000納米時很難被做得具有 高度的表面紋理結(jié)構(gòu)或粗糙度，也就是說，它對光的散射能力往往不令人滿意。具有粗糙表 面的TCO經(jīng)常具有較差的導(dǎo)電性能和較高的光損耗，這個缺陷限制了薄膜光伏器件光電效率進一歩的提高。曾經(jīng)有各種嘗試，使得TCO的表面結(jié)構(gòu)(texture)變得更明顯，譬如對沉積 好的TCO薄膜進行化學(xué)或機械處理，使其表面變得更粗糙，但這種做法所得到的粗糙性沒有 很好的控制性和重復(fù)性，從而經(jīng)常導(dǎo)致薄膜光伏器件的缺陷。另外一種做法就是將TCO厚度 增大，使得其表面粗糙性隨厚度增加，但是增厚的TCO導(dǎo)致其對入射光的吸收增加，同時也 延長了光伏器件的制作周期。所以，有必要尋求一種使厚度適中的TCO具有較高的、可控的 表面結(jié)構(gòu)的方法。而這種利于光散射的表面結(jié)構(gòu)最好是由基板本身提供，而不依賴于TCO薄 膜的形成過程。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請人擬訂了本發(fā)明的首要目的提高基于氫化硅的薄膜太陽能光伏器 件的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的進一步目的是，改善薄膜太陽能電池的制作工藝，從而增強該器件的光學(xué)特性， 特別是對長波光的響應(yīng)。為了達到上述目的，本發(fā)明采用一種增加薄膜太陽能電池光吸收的方法。首先在玻璃基 板上沉積直徑低于1微米的玻璃珠粒，使其表面具有適當(dāng)?shù)奈⒚壮叽绲钠鸱Y(jié)構(gòu)，然后沉積 透明前電極TCO，使其獲得具有明顯光散射效應(yīng)的表面結(jié)構(gòu)或顆粒狀態(tài)(粗糙性)。然后在 這個TCO之上，形成基于氫化硅薄膜的p-i-n型光伏單元和反光背電極。這些隨后沉積的半 導(dǎo)體和背電極薄膜在極大程度上保持了 TCO的粗糙表面結(jié)構(gòu)。所以入射的太陽光在進入p-i-n 光伏單元之前在玻璃與TCO及TCO與氫化硅薄膜的兩個界面上，受到散射。而未被光伏元 件吸收的長波光，在背電極的兩個界面上也受到兩次散射性的反射，以較大的角度回到光電 轉(zhuǎn)換區(qū)域。所以依照本發(fā)明制造的薄膜光伏器件具有良好的光學(xué)設(shè)計，它對于捕獲弱吸收光 和提高光電轉(zhuǎn)換效率十分有效。在玻璃襯底鍍上透明前電極之前，就使它擁有起伏的表面，這樣使得下面鍍上的透明導(dǎo) 電層會更容易具有更高的起伏性，使其對光的折射能力大大增強。用這種方法來得到更高的 光折射力，比在高溫下鍍金屬氧化膜的辦法要更可行，而且它對金屬氧化膜的厚度要求也大 大減小。我們的實驗已經(jīng)證實這個概念的可行性。本發(fā)明同樣適用于由單一 p-i-n光伏單元構(gòu)成的單結(jié)光伏器件，和由多個p-i-n光伏單元 疊加而成的多結(jié)光伏器件。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一歩說明。 圖1顯示了使得透明前電極具有粗糙表面的過程。圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明制造的薄膜太陽能電池的層狀結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的第一步是將平展的玻璃板l清洗干凈，然后使用溶膠滯體沉積法 (sol-gel)將玻璃球鍍到玻璃基板的表層。具體做法是將玻璃板浸入含有玻璃珠粒和粘連劑 的溶膠滯體，并不斷的攪拌溶膠滯體或是不斷移動基板本身，從而使玻璃珠粒均勻的粘附到 玻璃基板外表，然后將玻璃基板從溶膠滯體中取出，在不高于50(TC的溫度下，進行熱處理 使粘連劑固化，使玻璃珠粒牢固的附著在玻璃基板上，形成一個具有起伏結(jié)構(gòu)的膜層ll。在 此之后在表層11上沉積透明前電極2 (TCO)，譬如氧化錫或氧化鋅，使它的表面27具有類 似于玻璃表層11或程度更高的表面粗糙性。其表面結(jié)構(gòu)的平均起伏度應(yīng)當(dāng)是在30-80納米之 間，最好是接近50納米。在這之后所形成的薄膜光伏器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)包括 一個玻璃基板1，它具 有非鏡面的表層ll; 一個透明前電極2; —個或多個由基于氫化硅的薄膜構(gòu)成的p-i-n型光伏 單元8;第二透明導(dǎo)電氧化物7和一個或多個金屬薄膜45。由于前電極2具有良好的表面結(jié) 構(gòu)，其后生長的氫化硅薄膜8及其后的透明導(dǎo)電氧化物7，大體上保持了這種表面結(jié)構(gòu)。也 就是說，入射光在進入p-i-n光伏單元之前，在玻璃基板與透明前電極的界面17和前電極與 薄膜硅的界面27，兩次受到較大的散射，使光以較大的角度進入半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換區(qū)域8。未 被p-i-n光伏單元吸收的長波光也在薄膜硅與第二透明導(dǎo)電氧化物的界面87和第二透明導(dǎo)電 氧化物與金屬膜的界面77兩次受到大角度的散射性反射。從而使大部分的弱吸收光以超過全 部內(nèi)反射的臨界角度的方向再次進入p-i-n光伏單元。從而極大的提高了它們被吸收的機率。 所以，本發(fā)明所描述的光散射增加效應(yīng)，隨著基板玻璃表面粗糙性的增加而更加明顯，因為 它提高了后面所有膜層界面的光散射效應(yīng)。
權(quán)利要求
1. 一個p-i-n型光伏器件，它的結(jié)構(gòu)依次包括一個玻璃基板；一個透明前電極；一個或多個由基于氫化硅的薄膜構(gòu)成的p-i-n型光伏單元；一個具有光反射性能的背電極，它可以包括一個透明導(dǎo)電氧化物和一個或多個金屬薄膜。其特征在于玻璃基板上鍍有一層直徑介于0.5-1微米之間的玻璃珠粒，使其一個表面具有起伏結(jié)構(gòu)，然后在玻璃珠粒表層之上沉積透明前電極，包括氧化錫和氧化鋅，使該透明前電極也擁有類似或更為明顯的起伏結(jié)構(gòu)，從而增加太陽光在光伏器件中的散射和對弱吸收光的捕獲能力，同時提高光電轉(zhuǎn)換效率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述透明前電極是用磁控濺 射方法形成的厚度不超過800納米的氧化鋅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述的具有光反射性能的背電極由一個透明導(dǎo)電氧化物和一個非導(dǎo)電的超白反射物構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增加薄膜太陽能電池光吸收的方法。首先在玻璃基板上沉積直徑低于1微米的玻璃珠粒，使其表面具有適當(dāng)?shù)奈⒚壮叽绲钠鸱Y(jié)構(gòu)，然后沉積透明前電極使其具有相似的有明顯光散射效應(yīng)的表面結(jié)構(gòu)。在此種透明前電極上形成的薄膜光伏器件具有更高的光吸收能力和轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/075GK101246917SQ200710004969
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司