專利名稱：增加透明導(dǎo)電氧化物光散射能力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)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(gè)顯著特點(diǎn)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(shí)，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(gè)太陽(yáng)能電池元件在薄膜沉積過(guò)程中直接形成集成式的大面積光伏模塊。對(duì)于光伏器件，特別是薄膜光伏器件來(lái)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(duì)光能的吸收，并同時(shí)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(yáng)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?cè)诜菗诫s的i層中建立一個(gè)內(nèi)置電場(chǎng)，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(gè)微米，最多不超過(guò)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(yáng)光不能被有效的利用起來(lái)。 基于氫化硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)被夾在前后兩個(gè)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(gè)TCO和金 屬薄膜共同組成，其一個(gè)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(guò)各 種各樣的辦法來(lái)改善對(duì)光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前電極，另外，也使用過(guò)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(duì)于非晶硅電池來(lái)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(jì)對(duì)于像氫化硅這 樣的薄膜太陽(yáng)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(guò)1000納米時(shí)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(shuō)，它對(duì)光的散射能力往往不令人滿意。這個(gè)缺陷限 制了薄膜光伏器件光電效率進(jìn)一步的提高。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(duì)沉積好的TCO薄膜進(jìn)行化學(xué)或機(jī)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(méi)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(duì) 入射光的吸收增加，同時(shí)也延長(zhǎng)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。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請(qǐng)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(yáng)能光伏器 件的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是，改善基于氫化硅的薄膜太陽(yáng)能光伏器件的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng) 其對(duì)弱吸收光的捕獲能力。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用一種增加透明導(dǎo)電氧化物光散射能力的方法。首先將平 展的玻璃基板進(jìn)行處理，使其表面獲得適當(dāng)?shù)淖詈檬俏⒚壮叽绲拇植诮Y(jié)構(gòu)，而后在這個(gè)粗糙表面上沉積作為薄膜太陽(yáng)能電池前電極的TCO，使其具有與玻璃表面相似的或更突出的表面 粗糙結(jié)構(gòu)。然后在這個(gè)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(yáng)光在進(jìn)入p-i-n光伏單元之前在玻璃與TCO及TCO與氫化硅薄膜材料的兩個(gè)界面上，受 到散射。而未被光伏元件吸收的長(zhǎng)波光，在背電極的兩個(gè)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(jì)， 它對(duì)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導(dǎo)電膜之前，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(huì)更容易具有更高的起伏性，使其對(duì)光的折射能力大大增強(qiáng)。用這種方法來(lái)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(duì)金屬氧化膜的厚度要求也大 大減小。我們的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)這個(gè)概念的可行性，比方說(shuō)在生長(zhǎng)氧化鋅或者氧化錫之前，我 們將玻璃襯底用化學(xué)腐蝕的辦法，將其粗糙化，這樣使得原來(lái)很平坦的金屬氧化膜也變得有 很明顯的霧狀特性，也就是它們對(duì)光的折射性得到了大大的提高。由于金屬氧化物薄膜的厚 度可以減少，在所制造的電池中它們對(duì)光的吸收也隨之降低，從而增加電池的光電能。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(gè)p+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(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一歩說(shuō)明。 圖1描述了將玻璃基板粗糙化，從而導(dǎo)致粗糙化TCO的歩驟。圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明制造的薄膜太陽(yáng)能電池的層狀結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)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，然后對(duì)其至少一個(gè)表面進(jìn) 行粗糙化處理，使其獲得具有起伏特性的或最好是紋理性的表面結(jié)構(gòu)17。在此之后在17上 沉積透明導(dǎo)電氧化物2 (TCO)，譬如氧化錫，使它的表面27具有類似于玻璃表面17或程度 更高的表面粗糙性。玻璃襯底的粗糙化可以由多種方式得到，包括高溫下氣體的腐蝕，或者 室溫下用腐蝕液體的加工處理，也可以用機(jī)械摩擦的辦法或利用細(xì)砂束噴擊的方法，使玻璃 表面變得具有起伏性。還有一種辦法是將直徑接近于0. 5微米的小玻璃球牢固的附著在玻璃 基板上。控制性較好的方法是在550°C左右，用含有HF的氣體對(duì)移動(dòng)中的玻璃基板進(jìn)行處 理，這樣可以獲得較均勻的且不是非常尖銳的表面結(jié)構(gòu)，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(gè)玻璃基板1; 一個(gè) 透明導(dǎo)電前接觸層2; —個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(zhǎng)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(shuō)，入射光在 進(jìn)入p-i-n光伏單元之前，在玻璃基板與前電極的界面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(jìn)入半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。未被p-i-n光伏單元吸收的長(zhǎng) 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(guò)全部?jī)?nèi)反射的臨界角度的方 向再次進(jìn)入p-i-n光伏單元。從而極大的提高了它們被吸收的機(jī)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?yàn)樗岣吡撕竺嫠心咏?面的光散射效應(yīng)。
權(quán)利要求
1. 一個(gè)p-i-n型光伏器件，它的結(jié)構(gòu)依次包括一個(gè)玻璃基板；一個(gè)透明導(dǎo)電前接觸層；一個(gè)或多個(gè)由基于氫化硅的薄膜構(gòu)成的p-i-n型光伏單元；一個(gè)具有光反射性能的背電極，它可以包括第二透明導(dǎo)電氧化物和一個(gè)或多個(gè)金屬薄膜。其特征在于玻璃基板被機(jī)械或化學(xué)的方法處理，使其一個(gè)表面具有粗糙結(jié)構(gòu)，然后在該表面上沉積透明導(dǎo)電前接觸層，該接觸層擁有類似的粗糙結(jié)構(gòu)，使其光散射能力大為改善，提高所述光伏器件對(duì)弱吸收光的捕獲能力，及其光電轉(zhuǎn)換效率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述透明導(dǎo)電前接觸層的表 面粗糙度大于所述玻璃基板被處理表面的粗糙度，且導(dǎo)致對(duì)直接入射光的散射效率不小于15%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述的對(duì)玻璃基板的處理方 法包括在溫度不小于500°C的狀態(tài)下，用腐蝕性氣體對(duì)玻璃進(jìn)行蝕刻的手段。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種增加透明導(dǎo)電氧化物光散射能力的方法。首先將平展的玻璃基板進(jìn)行處理，使其表面具有適當(dāng)?shù)奈⒚壮叽绲拇植诮Y(jié)構(gòu)，使其后所沉積的透明導(dǎo)電氧化物具有相似的表面結(jié)構(gòu)，在此種透明導(dǎo)電氧化物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(hào)H01L31/075GK101246921SQ20071000497
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京行者多媒體科技有限公司