專利名稱：薄膜光伏板和其光電轉(zhuǎn)換單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種薄膜光仗板和 其光電轉(zhuǎn)換單元。
背景技術(shù)：
隨著人們對清潔、安全、持續(xù)、可靠的能源需求的增加，光伏
(photovoltaic, PV)器件正在迅速擴(kuò)大其在能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)方面的 應(yīng)用。氫化非晶硅(a-Si)薄膜及其具有各種光能帶隙的非晶硅合金作為 光電轉(zhuǎn)換材料，已成為商業(yè)化生產(chǎn)光伏材料的一個相對成熟的分支?；?于氬化非晶硅的薄膜光仗材料的光學(xué)帶隙相對較寬，具有較好的光學(xué)透 明度，而且具有成本低、覆蓋面積大等特點(diǎn)，因此這種材料能夠與諸如 窗口、屋頂、建筑物外立面或墻面等建材相結(jié)合，特別適合制作光伏建 筑一體化(building integrated photovoltaics, BIPV)的建筑構(gòu)件(以下簡 稱BIPV薄膜光伏板)，使人們方便地使用可獨(dú)立于電網(wǎng)的電能。
在制作BIPV薄膜光伏板時，玻璃是一種流行的選擇。玻璃是現(xiàn)代都 市建筑物的窗戶、屋頂以及外立面或墻面的主要材料，而且其化學(xué)性質(zhì) 穩(wěn)定、耐用。BIPV薄膜光伏板必須能夠常時間經(jīng)受各種氣候條件的考驗， 因此，以玻璃為基板的BIPV薄膜光伏板產(chǎn)品因其具有發(fā)電和建筑材料的 雙重功效而備受矚目。典型的BIPV薄膜光仗板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括 一個玻璃基板IO， 一個透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜制的前電極20，包 含p-i-n型結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換單元100，其中，p層110和n層130在非摻 雜的本征i層120 (光吸收層)中建立一個內(nèi)置電場，從而使光致載流子 被有效的收集。 一個透明導(dǎo)電氣化物(如氣化鋅)背電極30，通常與另 外一個金屬膜(圖中未示出) 一起來收集和傳輸光電流。上述各層和另 外一層玻璃背板40組合，使所有薄膜夾在兩層玻璃片之間，從而具有抵 抗各種天氣自然力侵?jǐn)_的優(yōu)良性能。p-i-n型光電轉(zhuǎn)換單元100中只有i層120中產(chǎn)生的光致載流子(電 子和空穴)可以被分離提取出來用作光電能量轉(zhuǎn)換，i層120的厚度很大 程度上決定著能有多少光可以被吸收并轉(zhuǎn)化成電能。因此作為光吸收層 的非晶硅本征i層120必須具有足夠的厚度(大于50納米)，低于這個 厚度，太陽能電池效率將會非常低。但如果i層120過厚，BIPV薄膜光 仗板的透明度將下降，甚至于沒有多少可見光能夠通過，這便失去了作 為玻璃窗或天花板的功用，而且過厚的i層會隨著光照時間的增加出現(xiàn)嚴(yán) 重的光致衰退效應(yīng)(Staebler-Wronski effect)。因此作為透光型建筑材料 的BIPV薄膜光仗板的i層不能過厚，其厚度通常要求不超過350納米。 對于大批量生產(chǎn)p-i-n型非晶硅BIPV薄膜光仗板而言，較薄的i層恰好 能夠適應(yīng)這一需要。但是在沉積如此薄的非晶硅本征i層的過程中，薄膜 中會出現(xiàn)針孔和明顯的幾何缺陷，這使大面積(例如1平方米左右)BIPV 薄膜光伏模塊中的分流(shunt)和短路(泄漏電流)現(xiàn)象不可避免，嚴(yán) 重影響B(tài)IPV薄膜光伏板的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光電轉(zhuǎn)換單元和包含該光電轉(zhuǎn)換單元的 薄膜光仗板，能夠在保證薄膜光伏板透明度的前提下抑制分流和短路現(xiàn) 象，提高薄膜光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種薄膜光仗板，至少包括玻璃基板、透明導(dǎo) 電前電極、透明導(dǎo)電背電極和玻璃背板，在所述透明導(dǎo)電前電極和透明 導(dǎo)電背電極之間包括具有分流抑制層的光電轉(zhuǎn)換單元。
可選的，所述光電轉(zhuǎn)換單元為p-i-n-"i"-n型結(jié)構(gòu)，依次包括非晶硅p 層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，作為分流抑制層的虛擬i層，和 第二非晶娃n層。
可選的，所述光電轉(zhuǎn)換單元依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、 第一非晶硅n層，分流抑制層和第二非晶硅n層。所述分流抑制層為復(fù)數(shù)個虛擬i層和復(fù)數(shù)個n型寬帶隙非晶硅合金層間隔層疊在一起的疊層結(jié)構(gòu)。
所述虛擬i層的材料包括非摻雜或微摻雜的寬帶隙非晶硅合金。
可選的，所述非晶硅合金包括非晶硅碳、非晶硅氧、非晶硅氮、氟化非晶硅、非晶硅碳?xì)夂辖鹬械囊环N。
可選的，所述非晶硅合金的暗電阻率包括105歐^爭*厘米~101()歐姆-厘米的范圍，厚度包括10 200納米的范圍。
本發(fā)明還提供了一種光電轉(zhuǎn)換單元，所述光電轉(zhuǎn)換單元為p-i-n-"i"-n型結(jié)構(gòu)，依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，作為分流抑制層的虛擬i層，和第二非晶硅n層。
所述虛擬i層的材料包括非摻雜或微摻雜的寬帶隙非晶硅合金。
本發(fā)明還提供了另一種光電轉(zhuǎn)換單元，所述光電轉(zhuǎn)換單元依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，分流抑制層和第二非晶硅n層。
所述分流抑制層為復(fù)數(shù)個虛擬i層和復(fù)數(shù)個n型寬帶隙非晶硅合金層間隔層疊在一起的疊層結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的薄膜光伏板在非晶硅p-i-n型結(jié)構(gòu)和透明導(dǎo)電氧化物背電極之間增加分流抑制層，其作用是阻止非晶硅p i-n型結(jié)構(gòu)中非晶硅光吸收層i層的針孔和覆蓋不均勻等缺陷所產(chǎn)生的泄漏電流。本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換單元在原有p-i-n型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了帶隙較寬的非晶硅合金材料構(gòu)成的"虛擬i層"和n型寬帶隙非晶硅合金材料層，構(gòu)成p-i-n-"i"-n型結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換單元。其中，"虛擬i層"具有良好的透光性和足夠大的電阻率，其作為分流抑制層，和透光和導(dǎo)電能力均很強(qiáng)的n型寬帶隙非晶硅合金材料層疊加在一起，不但能夠抑制非常薄的非晶硅本征吸收層i層中產(chǎn)生的泄漏電流，而且不會影響薄膜光伏板的整體透明度和光電轉(zhuǎn)換性能。本發(fā)明的擁有分流抑制層的薄膜光伏板的分流缺陷較少，輸出功率大，產(chǎn)品良率高，有更高的可靠性，允許足夠的光透過所有的膜層，適合于光伏玻璃窗和天窗等光仗建筑一體化的應(yīng)用。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。在附圖中，為清楚起見，放大了層的厚度。
圖1為現(xiàn)有的BIPV薄膜光伏板的結(jié)構(gòu)示意圖2為根據(jù)本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換單元第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖3為根據(jù)本發(fā)明薄膜光伏板第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖4為根據(jù)本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換單元第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖5為根據(jù)本發(fā)明薄膜光伏板第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
所述示圖是說明性的，而非限制性的，在此不能過度限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此
描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
下文中提及的非晶硅是指該物質(zhì)的氬化材料，即氬化非晶硅。
圖2為根據(jù)本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換單元第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換單元第一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換單元200包括硼摻雜的非晶硅p層110，非摻雜的本征非晶硅i層120和磷摻雜的非晶硅n層
7130，在n層130表面還包括虛擬(dummy) i層140，和另一個非晶硅n層150。上述各層構(gòu)成p-i-n-"i"-n型結(jié)構(gòu)。虛擬i層140作為分流抑制層，其中并不發(fā)生任何光電效應(yīng)，其主要作用是提供與薄膜層面垂直方向的電阻，以阻礙在非晶硅i層120中任何形式的缺陷導(dǎo)致的分流。根據(jù)本發(fā)明，虛擬i層140的暗電阻率(darkresistivity,未光照時的電阻率，以下所稱電阻率均指暗電阻率)包括105歐姆'厘米 101()歐姆'厘米的范圍，厚度包括10 200納米的范圍，優(yōu)選為80 100納米，其材料包括寬帶隙的有較高電阻率的材料，例如非摻雜或微摻雜的非晶硅合金，包括非晶硅碳，非晶硅氣，非晶硅氮和氟化非晶硅、非晶硅碳?xì)夂辖鸬?，非晶硅合金單?碳、氧、氮、氟)的作用是拓寬光能帶隙，并增大基于非晶硅薄膜的電阻率。虛擬i層140可采用與基于非晶硅的p層110、 i層120和n層130相同的沉積方法生產(chǎn)，例如，令包括硅烷(SiHU)、氬氣(H。和甲烷(CH4)的混合氣體流入一個PECVD系統(tǒng)，通過輝光放電過程就可以生成非晶硅碳虛擬i層140薄膜。虛擬i層140的厚度由諸如等離子體激發(fā)條件、甲烷和硅烷氣體的比例等參數(shù)決定，厚度和能帶隙兩個因素決定虛擬i層140的透光度。虛擬i層140的電阻率是由能帶隙大小和摻雜度(包括無意識性摻雜和雜質(zhì))來決定的。由于虛擬i層140只要很低的光吸收度和適度的絕緣性就可以顯著阻止i層120的缺陷造成的電流滲漏，因此并不需要很嚴(yán)格的工藝條件來沉積虛擬i層140。非晶硅n層150的材料包括n型摻雜的寬帶隙非晶硅合金，以提供良好的透明度和與透明背電極良好的電接觸。
圖3為根據(jù)本發(fā)明薄膜光伏板第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本發(fā)明薄膜光仗板的第一實(shí)施例為雙面透光型，最外層分別為玻璃基板10和玻璃背板40，光電轉(zhuǎn)換單元200設(shè)置在透明導(dǎo)電前電極20和透明導(dǎo)電背電極30之間。玻璃基板10和玻璃背板40將透明導(dǎo)電前電極20、光電轉(zhuǎn)換單元200和透明導(dǎo)電背電極30夾在中間形成光伏模板。其中，光電轉(zhuǎn)換單元200包括非晶硅p層110、本征非晶硅i層120和非晶硅n層130，以及作為分流抑制層的虛擬i層140和另 一層非晶硅n層150。在光電轉(zhuǎn)換單元200中僅本征非晶硅i層120起著將光轉(zhuǎn)化成電能的作用。
通過在n層130和n層150之間加入一個虛擬i層140，換句話說，將虛擬i層140設(shè)置在兩個n型的基于非晶硅的薄膜(n層130和n層150)之間，以形成n-i-n這樣的序列。其在光伏板的透明導(dǎo)電前電極20和透明導(dǎo)電背電極30之間起電阻的作用。諸如針孔，合成微粒，超薄薄膜覆蓋或者明顯的隆起等缺陷在非晶硅i層120中是很常見的，尤其是在因透光度而要求非晶硅i層120較薄的情況下。虛擬i層140的存在相當(dāng)于增加了非晶硅i層120的厚度，可以抑制非晶硅i層120的短路和分流缺陷，從而解決在商業(yè)生產(chǎn)條件下大面積非晶硅i層120嚴(yán)重的分流和短路問題。虛擬i層140可以根據(jù)薄膜的帶隙要求進(jìn)行摻雜以達(dá)到必要的電阻率，例如利用磷或鎵等物質(zhì)進(jìn)行輕微量的摻雜，借助適度摻雜或充分摻雜來改變其電阻，從而使分流鈍化薄膜光伏板達(dá)到整體上的最佳性能。也就是說，只要包括虛擬i層140和n層150的i-n雙層結(jié)構(gòu)不過度限制非晶硅i層120生成的光電流的正常流動，本發(fā)明的包括p-i-n-"i"-n型光電轉(zhuǎn)換單元的薄膜光伏板由于能夠抑制分流就具有比p-i-n型薄膜光伏板更高和更穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能。
圖4為根據(jù)本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換單元第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使光伏建筑一體化玻璃窗透明度更高，薄膜光伏板的非晶硅i層需要被盡量做得更薄，但這樣會導(dǎo)致更嚴(yán)重的分流。因此，基于非晶硅的分流抑制層，即虛擬i層140必須盡量做厚來增強(qiáng)它的分流阻止能力。但是，對于一個既定的電阻率來說，如果虛擬i層140過厚，p-i-n-"i"-n型光電轉(zhuǎn)換單元將會因虛擬i層140中的阻抗性損耗而損害其能量轉(zhuǎn)換效率。為了解決這個問題，根據(jù)本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換單元第二實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換單元300用一系列更薄的"i"-n雙層結(jié)構(gòu)取代單層較厚的虛擬i層140。如圖4所示，將虛擬i層140分解為若干層更薄的高電阻寬帶隙非晶硅合金薄膜虛擬子i層141，這些虛擬子i層141之間插入n型寬帶隙非晶硅合金薄膜142，形成"i"-n-"i"-n-"i"-n…型分流抑制層。其中，虛擬子i層141比與其相鄰的n型的寬帶隙非晶硅合金薄膜142具有高出至少一個量級的電阻，可更有效地抑制分流。虛擬子i層141優(yōu)選由磷摻雜度很輕微的非晶硅氣或非晶硅氮組成，因為這些材料具有良好的透光度及絕緣性。為了使分流抑制效應(yīng)最大化，同時使光學(xué)損耗最小化，n型的寬帶隙非晶硅合金薄膜子層142做得越薄越好。
圖5為根據(jù)本發(fā)明薄膜光伏板第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，本發(fā)明薄膜光伏板的第二實(shí)施例為雙面透光型，包括最外層的玻璃基板10和玻璃背板40，光電轉(zhuǎn)換單元300設(shè)置在透明導(dǎo)電前電極20和透明導(dǎo)電背電極30之間，玻璃基板10和玻璃背板40將透明導(dǎo)電前電極20和光電轉(zhuǎn)換單元300以及透明導(dǎo)電背電極30夾在中間形成光伏模板。其中，光電轉(zhuǎn)換單元300包括非晶硅p層110、本征非晶硅i層120和非晶硅n層130，以及包括若干虛擬子i層141和之間具有n型寬帶隙非晶硅合金薄膜142的"i"-n-"i"-n-"i"-n...型分流抑制層，和另一層非晶硅n層150。虛擬子i層141和n型寬帶隙非晶硅合金薄膜142的薄膜參數(shù)可以根據(jù)透光型薄膜光伏板的需求來決定。例如在一個實(shí)施例中，當(dāng)i層120的厚度被定為IOO納米時，虛擬子i層141可由帶隙為2.0eV的非晶硅氧(a-SiO)合金構(gòu)成，厚度為IO納米，其中磷的含量為0.02%。而n型寬帶隙非晶硅合金薄膜142可由帶隙為L85eV的非晶硅氣(a-SiO)合金構(gòu)成，其中含有0.5%的磷，厚度為1.5納米，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于虛擬子i層141，以減小光的吸收。在一個實(shí)施例中，虛擬子i層141和n型寬帶隙非晶硅合金薄膜142的疊層可重復(fù)12次，形成一個總厚度為138納米的分流抑制層，而且這個分流抑制疊層結(jié)構(gòu)的厚度大于i層120，但其光吸收要低得多，有效地保證了薄膜光伏板的透光性。
在其他實(shí)施例中，每個虛擬子i層141或每個n型寬帶隙非晶硅合金薄膜142的厚度并不需要完全相同，它們可以有不同的光能帶隙、摻雜度、電阻率和厚度。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。例如，盡管在附圖中所示的各層皆是平整的且厚度幾乎相等，但這僅僅是為了方便和清楚地說明本發(fā)明的原理。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種薄膜光伏板，至少包括玻璃基板、透明導(dǎo)電前電極、透明導(dǎo)電背電極和玻璃背板，其特征在于在所述透明導(dǎo)電前電極和透明導(dǎo)電背電極之間包括具有分流抑制層的光電轉(zhuǎn)換單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜光伏板，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換 單元為p-i-n-"i"-n型結(jié)構(gòu)，依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一 非晶硅n層，作為分流抑制層的虛擬i層，和第二非晶硅n層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜光伏板，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換 單元依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，分流抑制 層和第二非晶硅n層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜光仗板，其特征在于所述分流抑制 層為復(fù)數(shù)個虛擬i層和復(fù)數(shù)個n型寬帶隙非晶硅合金層間隔層疊在一起的 疊層結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的薄膜光伏板，其特征在于所述虛擬 i層的材料包括非摻雜或微摻雜的寬帶隙非晶硅合金。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜光仗板，其特征在于所述非晶硅合 金包括非晶硅碳、非晶硅氧、非晶硅氮、氟化非晶硅、非晶硅碳氧合金 中的一種。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜光伏板，其特征在于所述非晶硅合 金的暗電阻率包括105歐姆'厘米 101()歐姆'厘米的范圍，厚度包括10~200 納米的范圍。
8、 一種光電轉(zhuǎn)換單元，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換單元為p-i-n-"i"-n 型結(jié)構(gòu)，依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，作為 分流抑制層的虛擬i層，和第二非晶硅n層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電轉(zhuǎn)換單元，其特征在于所述虛擬i 層的材料包括非摻雜或微摻雜的寬帶隙非晶硅合金。
10、 一種光電轉(zhuǎn)換單元，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換單元依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，分流抑制層和第二非晶 硅n層。
11、根據(jù)權(quán)利要求IO所述的光電轉(zhuǎn)換單元，其特征在于所述分流 抑制層為復(fù)數(shù)個虛擬i層和復(fù)數(shù)個n型寬帶隙非晶硅合金層間隔層疊在一 起的疊層結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜光伏板，至少包括玻璃基板、透明導(dǎo)電前電極、透明導(dǎo)電背電極和玻璃背板，在所述透明導(dǎo)電前電極和透明導(dǎo)電背電極之間包括具有分流抑制層的光電轉(zhuǎn)換單元。本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換單元依次包括非晶硅p層、本征非晶硅i層、第一非晶硅n層，分流抑制層和第二非晶硅n層。本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換單元和包含該光電轉(zhuǎn)換單元的薄膜光伏板能夠在保證薄膜光伏板透明度的前提下抑制分流和短路現(xiàn)象，提高薄膜光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/042GK101640224SQ20081013456
公開日2010年2月3日 申請日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月28日
發(fā)明者楊與勝, 林朝暉 申請人:福建鈞石能源有限公司