專利名稱:薄膜串接結(jié)硅太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及太陽能電池并且特別地涉及薄膜串接結(jié)硅太陽能電池。
背景技術(shù):
圖9示出本領(lǐng)域中已知的串接結(jié)硅薄膜太陽能電池?,F(xiàn)有技術(shù)中的此類薄膜太陽能電池50通常包括被連續(xù)地堆疊在襯底41上的第一或正面電極42、一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體薄膜p-i-n結(jié)(52 - 54,51,44 一 46,43)和第二或背面電極47。每個(gè)p-i_n結(jié)51、43或薄膜光電轉(zhuǎn)換單元包括被夾在P型層52、44與η型層Μ、46之間的i型層53、45 (ρ型=正摻雜,η型=負(fù)摻雜)。在本文中基本上本征的被理解為未摻雜或本質(zhì)上未表現(xiàn)出結(jié)果產(chǎn)生的摻雜。光電轉(zhuǎn)換主要在此i型層中發(fā)生;因此其也稱為吸收體層。TCO正面和背面電極或電極層接觸層42、47可以由氧化鋅、氧化錫、ITO等制成。通常在用于將尚未被吸收的光反射回至活性層的背面接觸之后施加反射體48;其可以是漫白反射體或金屬(Ag、Al)反射體。如果將具有a-Si i層53的頂部電池51與包括μ c-Si: H的i層45的底部電池43組合,則在下文中將串接結(jié)硅太陽能電池稱為非微晶疊層(Micromorph)電池。在朝向?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)(grid parity)的方法中,薄膜硅太陽能模塊提供了用于降低制造成本的顯著潛力。與晶體技術(shù)相比,基于非晶和微晶硅的技術(shù)的挑戰(zhàn)是模塊性能的改善。雖然現(xiàn)在基于非晶和微晶硅的當(dāng)前制造生產(chǎn)線正在操作中,但除成本降低之外主要關(guān)心的是對較高效率的需要。相當(dāng)多的努力已經(jīng)集中在改善的器件效率上。這里報(bào)導(dǎo)了關(guān)于使用工業(yè)PECVD KAI設(shè)備和LPCVD(低壓化學(xué)汽相沉積)ZnO作為TCO技術(shù)(可從Oerlikon Solar AG公司(Trilbbach,Switzerland)獲得的各制造系統(tǒng))的非晶p_i_n單結(jié)和非微晶疊層串接電池的狀態(tài)。由于光俘獲是改善性能的關(guān)鍵之一,所以已經(jīng)特別注意到適合于非晶或非微晶疊層串接太陽能電池的LPCVD ZnO的開發(fā)。另外,Oerlikon已經(jīng)開發(fā)了允許進(jìn)一步減少到吸收體中的光耦合的損失的內(nèi)部AR概念。
實(shí)用新型內(nèi)容根據(jù)本實(shí)用新型,提供了一種薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括襯底;正面電極; 頂部電池,其包括非晶硅i層;底部電池,其包括微晶硅i層;背面電極和背面反射體;其特征在于正面電極包括&10,并且所述ZnO的混濁度是12%,底部電池基本上是1. 3 μ m厚,以及在AMI. 5下,在IOOOh的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于11%。根據(jù)本實(shí)用新型,提供了一種薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括襯底;正面電極; 頂部電池,其包括非晶硅i層;底部電池,其包括微晶硅i層;背面電極和背面反射體;其特征在于正面電極包括&10,并且所述ZnO的混濁度是40%,底部電池基本上是0. 8 μ m厚,兩個(gè)i層的相加厚度為約1 μ m,在AMI. 5下,在IOOOh的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于10. 5%。根據(jù)本實(shí)用新型,提供了一種薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括襯底;正面電極; 頂部電池,其包括非晶硅i層;底部電池,其包括微晶硅i層;背面電極和背面反射體;布置在頂部電池與底部電池之間的表現(xiàn)出1. 68的折射率的中間反射體;其特征在于正面電極包括&ι0,并且所述SiO的混濁度是12%,底部電池基本上是1. 6 μ m厚,頂部電池基本上是160nm厚,以及在AMI. 5下,在IOOOh的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于11%。實(shí)驗(yàn)。為了改善針對太陽能器件質(zhì)量的非晶硅和尤其是微晶硅的沉積速率,平板顯示器型反應(yīng)器(通過Oerlikon Solar AG在市場上可買到的類型KAI)適合于以40. 68 MHz的較高激勵頻率運(yùn)行。對于本文所述的實(shí)驗(yàn)而言,在KAI-M (520X410 mm2)反應(yīng)器中獲得結(jié)
^ ο為了改善光俘獲,正在聚焦于用于最優(yōu)化a-Si:H單結(jié)、分別地非微晶疊層串接太陽能電池的LPCVD正面ZnO接觸層的調(diào)諧。因此,已經(jīng)開發(fā)了不同類型的正面TC0(生成態(tài) (as-grown) A型和B型,在600nm處超過40%的混濁度(Haze))并針對非常高效光散射進(jìn)行調(diào)整。另外,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部AR (減反射)概念允許到器件中的進(jìn)一步增強(qiáng)的光耦合。最近,已經(jīng)開發(fā)了與作為正面TCO的商用SnA相組合的基于PECVD工藝的中間反射體概念。然而,這導(dǎo)致微晶線硅底部電池中的顯著的光學(xué)損耗。因此,已經(jīng)在LPCVD ZnO 上的非微晶疊層串接中實(shí)現(xiàn)了中間反射體,從而改善每個(gè)界面并將此類正面TCO的增強(qiáng)型光學(xué)光管理的優(yōu)點(diǎn)考慮在內(nèi)。與白反射體相組合的ZnO背面接觸顯示出優(yōu)良的光俘獲性質(zhì)并已經(jīng)被系統(tǒng)地應(yīng)用于這里介紹的所有電池中。測試電池被激光劃線成明確限定的Icm2的區(qū)域。通過激光劃線來將微型模塊圖案化成單片串聯(lián)連接。為了評估穩(wěn)定化性能,在1太陽照度下在50°C下對串接電池進(jìn)行光浸漬達(dá)到1000 小時(shí)。在從雙源太陽模擬器遞送的AM 1.5照度下表征器件。用Perkin-Elmer lambda 950 光譜儀來分析透射的光譜數(shù)據(jù)。
圖1 (A) = Schott Borofloat 33玻璃襯底上的A型LPCVD ZnO的總和漫射透射。圖1 (B)具有約12%的混濁度的生成態(tài)SiO的放大表面。圖2 用于a_Si:H單結(jié)太陽能電池的10.09士 0.3 %的穩(wěn)定化記錄效率的NREL I(V)圖。圖3 針對記錄電池#3497的從NREL的相對QE和在NREL處測量的AMI. 5下的短路電流密度導(dǎo)出的絕對外量子效率。圖4 由伊斯普拉(Ispra)中的JRC的ESTI實(shí)驗(yàn)室獲得的、A型LPCVD-ΖηΟ上的最好的p-i-n a-Si:H (光浸漬的)10X10 cm2微型模塊的AMI. 5 I-V特性。本征a_Si:H吸收體具有僅180nm的厚度。圖5 在初始和光浸漬狀態(tài)下的A型ZnO上逐漸形成的非微晶疊層串接電池AMI. 5 特性。圖6 :A型&B型正面SiO上的非微晶疊層串接電池的QE。圖7:具有僅0.8μπι的μ c-Si: H層厚度的B型正面ZnO上的初始和光浸漬狀態(tài)下的非微晶疊層串接電池。圖8 使用A型ZnO作為正面TCO的具有結(jié)合的中間反射體的初始和完全光浸漬狀態(tài)下的非微晶疊層串接電池。圖9 非微晶疊層串接結(jié)太陽能電池的現(xiàn)有技術(shù)配置。
4[0024]圖10 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的串接結(jié)硅薄膜太陽能電池的示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)果在LPCVD反應(yīng)器系統(tǒng)中已經(jīng)開發(fā)了 UnO)正面接觸層42,得到如圖1 (A)和圖1 (B)所示的改善的光學(xué)透射特性。此ZnO膜代表A型材料,而不同的B型ZnO被以不同的方式處理以實(shí)現(xiàn) 40%的非常高的混濁度。圖1 (A)示出khott Borofloat 33玻璃襯底上的A型LPCVD ZnO的總和漫射透射。圖1 (B)示出放大的生成態(tài)&ιο。A型SiO的混濁度約為U%。在先前的研究中,已經(jīng)尤其針對SnOjP LPCVD ZnO認(rèn)真地探究了本征a_Si :H吸收體層(圖9,細(xì)部53)的厚度對初始和穩(wěn)定化效率的影響。而對于市場上買到的SnA而言, TCO的性質(zhì)是固定的并由供應(yīng)商確定,本文所使用的LPCVD過程允許關(guān)于正面TCO(圖9,細(xì)部42)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)特征的進(jìn)一步改善。因此,調(diào)諧PECVD電池沉積和正面TCO兩者為在相當(dāng)薄的本征吸收體下得到高效非晶電池打開了新窗口。因此,我們在多次運(yùn)行(rim)中和在兩個(gè)不同類型的TCO上實(shí)現(xiàn)了超過10%屏障(barrier)的穩(wěn)定化電池效率。為了檢驗(yàn)我們自己的測量結(jié)果,我們還在光浸漬之后立即將電池送到NREL。在表1中給出了我們的電池表征與NREL的電池表征之間的比較。
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mm /MRELcom.iMM885.667.8510. ι讓 J 表1示出由納沙泰爾州的Oerlikon太陽能實(shí)驗(yàn)室(Oerlikon Solar-Lab Neuchatel)制備并測量且由NREL獨(dú)立地表征的電池的概觀。表1示出了由本發(fā)明人制備并測量且由NREL獨(dú)立地表征的電池的概觀。在R&D
單室KAI-M PECVD系統(tǒng)中沉積具有LPCVD-ZnO正面和背面接觸的所有電池,并對其進(jìn)行光
浸漬(IOOOh, 一個(gè)太陽光強(qiáng)度,50°C且在Voc條件下)。而電池#33 和#;3470具有商用AR
涂層,在#3497和#3473上施加內(nèi)部AR(減反射層)。在兩個(gè)測量之間的是由于運(yùn)輸而導(dǎo)致的約9天的時(shí)間間隙。在圖2中進(jìn)一步詳述了由NREL測量的記錄電池#3497 (a_Si:H單結(jié))。圖2示出在下述條件下的Oerlikon Solar-lab Neuchatel (瑞士)的硅電池的X25 IV系統(tǒng)PV 性能特性組器件ID是;3497,器件溫度是24. 8士0. 5°C,測量時(shí)間是2009年7月7日10 24,器件面積是1. 047cm2,光譜是ASTM G173全局,輻照度是1000. OW/m2,其中Voc=O. 8767V, Imax=15. 149mA, Isc=18. 098mA, Vmax=O. 6973V, Jsc=17. 284mA/cm2, Pmax=IO. 564mff,填充因數(shù) =66. 58%,效率=10. 09%,并且是在NREL處的測試之前在Neuchatel處被光浸漬的Si電池 (1000小時(shí),1太陽照度,50°C)。已經(jīng)確認(rèn)了 10. 09士0.3 %的非常高的穩(wěn)定化效率。這是非晶硅單結(jié)電池第一次達(dá)到超過10%屏障的穩(wěn)定化效率。與先前的記錄(由納沙泰爾州的 IMT獲得的η = 9.47 士 0.3 %)相比,可以獲得絕對值0. 6%的顯著改善。此電池的i層厚度是250nm。所使用的襯底是Imm Wkhott Borofloat 33玻璃,在其上面沉積了具有高混濁度因數(shù)的LPCVD-ZnO (B型加0)。在此電池上還施加了我們的內(nèi)部AR。這些電池的絕對外部QE特性是非常高的。圖3表示從NREL測量結(jié)果推導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。即使在光浸漬狀態(tài)下,電池也達(dá)到90% QE和400nm的短波長下的80%。最終可以獲得此結(jié)果是由于形成電池的所有相關(guān)層和界面的最優(yōu)化。特別地,除高質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)的帶隙i 層(沉積在單室KAI反應(yīng)器中)之外,LPCVD-ZnO的優(yōu)良的光學(xué)和光散射性質(zhì)是用于提高的性能的主要關(guān)鍵元素之一。10. 09%穩(wěn)定化電池是非晶硅技術(shù)的顯著的新成果,然而,在僅ISOnm的i層厚度下實(shí)現(xiàn)10. 06%的電池甚至更驚人。因此,A型ZnO上的10. 06%非常接近于本工業(yè)化大規(guī)模工藝,然而,顯著地減小了電池器件厚度,這允許進(jìn)一步降低制造成本。為了大規(guī)模地進(jìn)行測試,已經(jīng)在對單片串聯(lián)連接應(yīng)用激光圖案化的IOX IOcm2微型模塊中實(shí)現(xiàn)SiO-A上的 #3473 & #3470類型的電池。同樣地,對微型模塊進(jìn)行完全的光浸漬并隨后送到伊斯普拉的 JRC的ESTI以進(jìn)行獨(dú)立表征。圖4反映經(jīng)驗(yàn)證的9. 20士0. 19%的(穩(wěn)定化)模塊孔徑效率。 記錄微型模塊的ESTI特性在給定測量誤差內(nèi)優(yōu)良地符合將典型的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化損失考慮在內(nèi)的相同類型的器件(#3473 & #3470)的NREL測量結(jié)果。事實(shí)上,薄膜模塊效率由于激光圖案化中的面積損耗(在這種情況下至少3%)和由于正面TCO而引起的串聯(lián)電阻損耗而被顯著地降低。圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的串接結(jié)硅薄膜太陽能電池50的示意圖,該太陽能電池50包括沿著撞擊的光的方向描述的襯底41,和正面電極42、頂部電池51、底部電池 43、背面電極47以及背面反射體48。所述頂部電池51包括ρ摻雜Si層(p a-Si:H / ρ μ c-Si:H) 52 ;i 層 a-Si:H 53;n 摻雜的 Si 層(n a_Si:H / n μ c-Si:H) 54。所述底部電池 43 包括 ρ 摻雜 Si 層(ρ μ c-Si:H)44 ;i 層 μ c-Si:H 45,n 摻雜 Si 層(n a_Si:H / n μc-Si:H) 46。實(shí)施例1 :A型ZnO襯底上的非微晶疊層串接電池已經(jīng)相對于針對最高穩(wěn)定化效率的可能性(potential)以各種范圍的頂部&底部電池厚度配置制備了非微晶疊層串接電池。此外,已經(jīng)制備了各種配置的非微晶疊層串接電池,包括a. m.內(nèi)部AR。在圖5中,給出了當(dāng)前最高穩(wěn)定化測試電池效率以及其初始特性。 當(dāng)?shù)撞侩姵貎H為1. 3 μ m厚時(shí),由于非常高效的光俘獲,電池達(dá)到了遠(yuǎn)在1 之上的初始效率,具有12. 6 mA/cm2的相當(dāng)高的短路電流密度。相對劣化為約11%,并且符合非晶硅頂部電池的外推劣化速率。圖5示出在應(yīng)用a. m. AR概念的初始和光浸漬狀態(tài)(1000h,1太陽照度(sun),50°C)下的A型ZoO上逐漸形成的非微晶疊層串接電池的AMI. 5特性。μ c_Si:H 底部電池具有僅1.3 μ m的厚度。實(shí)施例2 :B型ZnO襯底上的非微晶疊層串接電池。通過具有類似頂部和相同底部電池厚度的非微晶疊層串接電池的量子效率(QE), 將B型SiO的增強(qiáng)的混濁度的效果與圖6中的A型ZnO相比較。B型SiO的增強(qiáng)的光俘獲能力導(dǎo)致底部電池電流的顯著增強(qiáng)。圖6示出A型&B型正面ZnO上的非微晶疊層串接電池的QE。底部電池具有1.2μπι的厚度,頂部電池具有相似的厚度。實(shí)施例3 已經(jīng)在SiO B正面TCO上制備了非微晶疊層串接電池。由于μ c-Si:H底部電池的非常高效的光俘獲,可以顯著地減小微晶硅本征吸收體層厚度。在圖7中,在初始和光浸漬狀態(tài)下示出了具有僅0.8 ym的微晶底部電池的串接電池的AMI. 5 I-V特性。當(dāng)總的硅吸收體層頂部&底部電池僅為約1 μ m厚時(shí),10. 6 % 的穩(wěn)定化效率是顯著的成果。關(guān)于制造成本,此非常薄但是高效的器件代表了非常令人感興趣的選擇。圖7示出具有僅0.8 μπι的μ c-Si :H層厚度的B型正面ZnO上的初始和光浸漬狀態(tài)下的非微晶疊層串接電池的所述結(jié)果。所實(shí)現(xiàn)的相對劣化是8. 3%。實(shí)施例4 非微晶疊層串接中的中間反射體已經(jīng)在KAIM反應(yīng)器中開發(fā)了基于硅的中間反射體以增強(qiáng)非晶硅頂部電池中的光俘獲。對于現(xiàn)有技術(shù)中的這些層而言,可以制備下至1.68的折射率。此類中間反射體已在非微晶疊層串接電池中實(shí)現(xiàn),并相對于其光譜反射性質(zhì)針對作為正面TCO窗口的LPCVD ZnO和SnO2進(jìn)行了研究。該比較直接指示SnA正面接觸的情況下的更明確的損耗,而對于LPCVD ZnO而言,中間反射體的實(shí)現(xiàn)看起來幾乎不影響光學(xué)損耗。在SiO的情況下激發(fā)高電流電位和降低的損耗機(jī)制以進(jìn)一步改善結(jié)合有中間層的器件。圖8捕獲到目前為止的11. 3%效率的最高穩(wěn)定化測試電池器件。此電池被沉積在A型正面ZnO上并具有與僅 1. 6 μ m的底部電池組合的160nm的頂部電池厚度。應(yīng)注意的是A型正面ZnO是基于簡單的LPCVD工藝,因?yàn)槠湓诠I(yè)上已被應(yīng)用于批量生產(chǎn)。因此,目前,用中間反射體并在1.6 μ m的相當(dāng)?shù)偷牡撞侩姵睾穸认聦?shí)現(xiàn)最高穩(wěn)定化非微晶疊層串接電池,所述相當(dāng)?shù)偷牡撞侩姵睾穸缺萐nA要獲得相同短路電流水平所需的薄得多。圖8示出具有使用A型ZnO作為正面TCO的結(jié)合的中間反射體的初始和完全光浸漬狀態(tài)下的非微晶疊層串接電池。頂部電池具有ieOnm的厚度,而底部電池具有1. 6 μ m的厚度。該電池承載有我們的內(nèi)部開發(fā)的AR。請注意,相對劣化僅為8%。結(jié)論。與沉積在單室KAI PECVD反應(yīng)器中的高質(zhì)量的硅層相組合的內(nèi)部開發(fā)的LPCVD — ZnO膜的優(yōu)良性質(zhì)被證明在實(shí)現(xiàn)高效率水平方面是非常重要的。具有高透射、高導(dǎo)電性、優(yōu)良光散射能力和表面形態(tài)的ZnO層允許生長高質(zhì)量的a-Si:H太陽能電池器件??梢垣@得并由NREL獨(dú)立地確認(rèn)Icm2上的10. 09士0. 3%的記錄穩(wěn)定化電池效率。已經(jīng)通過激光圖案化使用單片串聯(lián)連接將180 nm的a-Si:H p-i-n電池工藝轉(zhuǎn)移至10X10 cm2的微型模塊。 伊斯普拉中的JRC的ESTI實(shí)驗(yàn)室處的關(guān)于光浸漬微型模塊的測量結(jié)果確認(rèn)了 9. 20士0. 19 %的模塊孔徑面積效率。此高穩(wěn)定化模塊效率與NREL電池效率測量結(jié)果相關(guān),因?yàn)槟K效率由于劃線和串聯(lián)電阻損耗而降低。在相當(dāng)薄的yc-Si:H底部電池厚度下,已經(jīng)成功地在內(nèi)部SiO上使非微晶疊層串接電池最優(yōu)化。在標(biāo)準(zhǔn)生成態(tài)A型SiO上,已經(jīng)用僅1. 3 μ m厚度的微晶底部電池獲得了 11.0%的穩(wěn)定化效率。使用僅僅0.8 μ m厚度的底部電池,已經(jīng)在高級正面ZnO襯底上實(shí)現(xiàn)了 10. 6 %的穩(wěn)定化效率。 與降低的光譜反射損耗所示的商用SnO2相比,在非微晶疊層串接中應(yīng)用中間反射體對于作為正面接觸的LPCVD ZnO而言顯示出更有利的光俘獲特性?;诖藘?yōu)點(diǎn),在LPCVD ZnO上已經(jīng)獲得具有結(jié)合了中間反射體的11. 3%穩(wěn)定化效率的非微晶疊層串接電池。由此, 底部電池具有僅1. 6 μ m的厚度。
權(quán)利要求1.薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括 襯底(41);正面電極(42);頂部電池(51),其包括非晶硅i層; 底部電池(43),其包括微晶硅i層; 背面電極(47)和背面反射體(48); 其特征在于正面電極包括&ι0,并且所述SiO的混濁度是12%, 底部電池(43)基本上是1.3μπι厚,以及在AMI. 5下,在IOOOh的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于11%。
2.薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括 襯底(41);正面電極(42);頂部電池(51),其包括非晶硅i層; 底部電池(43),其包括微晶硅i層; 背面電極(47)和背面反射體(48); 其特征在于正面電極包括&ι0,并且所述SiO的混濁度是40%, 底部電池(43)基本上是0. 8 μ m厚, 兩個(gè)i層(53、45)的相加厚度為約1 μ m, 在AMI. 5下,在IOOOh的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于10. 5%。
3.薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括 襯底(41);正面電極(42);頂部電池(51),其包括非晶硅i層; 底部電池(43),其包括微晶硅i層; 背面電極(47)和背面反射體(48);布置在頂部電池(51)與底部電池(43)之間的表現(xiàn)出1. 68的折射率的中間反射體; 其特征在于正面電極包括&ι0,并且所述SiO的混濁度是12%, 底部電池(43)基本上是1.6μπι厚, 頂部電池(51)基本上是160nm厚,以及在AMI. 5下,在IOOOh的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于11%。
專利摘要本實(shí)用新型涉及薄膜串接結(jié)硅太陽能電池。薄膜串接結(jié)硅太陽能電池,包括襯底(41);正面電極(42);頂部電池(51),其包括非晶硅i層;底部電池(43),其包括微晶硅i層;背面電極(47)和背面反射體(48);其特征在于正面電極包括ZnO,并且所述ZnO的混濁度是12%,底部電池(43)基本上是1.3μm厚,以及在AM1.5下,在1000h的光浸漬之后穩(wěn)定化效率高于11%。已經(jīng)與減反射概念相結(jié)合地在僅僅1.3μm的底部電池厚度下的生成態(tài)LPCVDZnO正面TCO上實(shí)現(xiàn)了具有11.0%的穩(wěn)定化效率的非微晶疊層串接電池。應(yīng)用高級LPCVDZnO正面TCO,在僅0.8μm的底部電池厚度下,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10.6%的穩(wěn)定化串接電池。
文檔編號H01L31/0224GK202307919SQ20112009559
公開日2012年7月4日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月5日
發(fā)明者D.博雷洛, E.瓦拉特-紹瓦因, J.拜拉特, J.施泰因豪澤, J.赫策爾, J.邁爾, J-B.奧爾漢, L.卡斯滕斯, S.貝納格利, U.克羅爾, Y.德杰里達(dá)尼 申請人:歐瑞康太陽能股份公司(特呂巴赫)