CN101236999A - 非晶硅薄膜光伏模块的分流缺陷的钝化方法 - Google Patents

Abstract

本发明为包含较薄的i层的p－i－n型大面积基于氢化非晶硅薄膜的光伏模块提供了一种抑制分流缺陷的方法。基于非晶硅合金的具有宽带隙、高电阻的薄膜被置于活跃光伏层和导电的背电极之间，对电流的渗漏起屏障的作用。这种透光性强的分流屏障材料，是一种虚拟薄膜或者说是“死层”，它不直接参与光电能量转换。分流钝化薄膜可以像非晶硅光伏器件大批量制造一样，在等离子体增强化学气相沉积设备中实现简单快速的生产。本发明尤其有助于提高光伏建筑一体化中应用的透视型或部分透明的薄膜硅光伏模块的性能、产品率和可靠性。

Description

非晶硅薄膜光伏模块的分流缺陷的钝化方法

技术领域

本发明属于光电器材领域，特别涉及到非晶硅薄膜太阳能电池技术。

背景技术

由于人们对清洁、安全、可持续并且可靠的能源需求的增加，光伏(PV)系统正在迅速扩大它在能源和产业技术开发方面的市场。氢化非晶硅(a-Si)薄膜，以及相关的具有各种光能带隙的非晶硅合金适合制作各种不同既定厚度的光吸收材料，已成为商业化生产光伏模块材料的一个相对成熟的分支。薄膜硅光电技术材料成本低、覆盖面积大、效益好，尤其是它很容易和像窗口、屋顶、墙面这样的建材相结合。由于其光学带隙相对宽，非晶硅特别适合制作光伏建筑一体化(光伏)产品，这种产品的光伏透明度是可以控制的，在一个p-i-n型的设置中，通过调节i层的厚度可以控制光伏透明度。在这里“i”是指掺杂的、积极的光吸体层(“本征”层)。BIPV不需要额外土地，适合城市和人口稠密的地区。同时光伏模块能够替换一些建筑构件，这样就可以部分抵消在建筑物墙面，屋顶和窗户上额外的光伏费用。光伏建筑一体化(building integrated photovoltaics，BIPV)还使人们方便地使用可独立于电网的电能。此外，半透明或部分透明建筑物光伏玻璃窗或“天窗”，有选择地让光色进入内部，从而增强了建筑物学吸引力。为便于讨论，我们将使用“透明光伏玻璃窗”来代指所有透光度大于1％的光伏建筑一体化窗户。

在制作BIPV模块时，玻璃是一种流行的选择，因为玻璃是窗户的主要材料，而且化学性质稳定，耐用，并且可以和非晶硅光伏设备加工程序和应用环境兼容。BIPV必须能够常时间经受各种气候条件的考验。因此，玻璃制的非晶硅BIPV产品因其具有发电器和建筑学模块的双重功效而备受瞩目。

在玻璃制非晶硅BIPV器件中，典型的结构包括一个玻璃基板，一个透明导电氧化物(TCO)薄膜制的前电极，多个不同类型的非晶硅薄膜(通常是p-i-n层)，一个透明导电氧化物(如氧化锌)薄膜层，通常还有另外一个金属膜作为后电极来收集和传输光电流。这些膜层又和另外一层玻璃组合，使所有的这些薄膜夹在两层玻璃片之间，从而具有抵抗各种天气自然力侵扰的优良性能。这种产品寿命长，防风雨。非晶硅半导体层的作用是把光转化成电流(电)。非晶硅半导体的物理性质决定了要发挥非晶硅太阳能电池的最佳效能，必须用p-i-n型结构，这里p，i，n分别指的是p型(正向掺杂)、i型(本征掺杂或非掺杂)和n型(负向掺杂)的半导体材料。硼和磷是制作p型和n型非晶硅及其合金时通常使用的掺杂元素。要制作光电器件，基于非晶硅的i层必须足够厚(大于50纳米)。换句话说，单纯的p-n或n-p型非晶硅材料制作的器件并不能像晶态半导体太阳能电池那样运作，因为基于非晶硅的p层和n层是“死”层。这和通常都是p-n型结构的晶体硅太阳能电池形成鲜明对照。这是因为在掺杂的基于非晶硅的薄膜中存在很多缺陷，包括非晶硅碳(a-SiC)和非晶体硅锗(a-SiGe)。只有p-i-n型结构的i层中的光致载流子(电子和空穴)可以被分离提取出来用作光电能量转换。所以，非晶硅合金i层对厚度的门槛限制相当低。低于这个厚度，太阳能电池效率将会非常低。这是由于器件存在物理缺陷，同时能够转换成电能的光的吸收也非常有限。i层的厚度很大程度上决定着能有多少光可以被吸收并转化成电能。

今天市场上绝大多数光伏模块(包括非晶硅光伏产品)都是非透明的，因为其构成材料中包括了不透明的基板或电极或半导体，比如金属材料制成的电接触层。同时，为了达到最高输出功率，非晶硅光伏模块的i层通常太厚以至于没有多少可见光能够通过，尤其是在多结的太阳能电池中。这种多结光伏电池由两个或三个p-i-n光伏单元叠加而成，用来避免i层较厚的单结电池的光致衰退问题(Stabler-Wronski Effect)。

一般来说，让玻璃封装的非晶硅BIPV模块部分透明有两种方法。传统的方法是，用激光技术(激光移除法)选择性地去除非透明的非晶硅光伏板中的硅薄膜与背接触层，来得到部分透明的光伏模块。透明度取决于不再产生电力的“开口面积”的大小。这种毁除式的方法有下面几个缺点：激光划线缓慢而昂贵；看起来格式不统一；透明度随光电活跃区域的降低(模块功能的损失)而逐渐变大。当用激光来获得点状透光区域时，激光一次处理非晶硅薄膜的一个点，会对模块产生巨大损伤，这会导致严重的能量流失。

我们已经采取了另外一种方式来生产部分透明的BIPV，那就是让其中所有的薄膜都具有一定的透明度，从而不用移除已沉积的薄膜就可以到达一个透明体。值得注意的是，光伏活跃非晶硅i层被做得更薄，背面用透明的氧化锌取代了不透明的金属铝。这种光伏窗口成本较低、外观更均匀(有膜区和无膜区之间没有强烈的反差)、更美观，并且比起激光处理的部分透明的模块输出功率更高。这样就没必要为了透光的目的而消除选定区域非晶硅薄膜。和那些通过薄膜移除制成的“部分透明”模块相比，这种模块才是真正的“部分透明”。允许一些光经过所有薄膜材料的光伏模块被称为“透视型”光伏模块。只有含较薄的非晶硅i层的单结太阳能电池才可被用于制作真正的部分透明“透视型”BIPV模块。

大批量生产含有较薄的非晶硅p-i-n薄膜层和透明接触层的透视型(部分透明)的非晶硅光伏模块还存在一些关键性的挑战。这些技术问题必须得到解决，以确保非晶硅i型薄膜层的BIPV玻璃窗的良好性能和高产量。首要的技术障碍是非晶硅i层薄膜(厚度不超过350纳米)的分流或短路。尤其是对于需要更薄的非晶硅薄膜(例如i层小于200纳米)的更为透明视窗来说，在经过非晶硅薄膜中针孔和薄膜上明显的几何缺陷时，分流和短路(泄漏电路)基本上是不可避免的。可以看出，在下面引述的背景技术中，即便是那些有较厚的非晶硅i层薄膜的非晶硅光伏器件来说，分流也是一个普遍的问题。实际上，即使对非透明的基于氢化硅薄膜的光电产品来说，非晶硅i层薄膜的分流问题也仍然是实际生产和商业应用这种器件的最大障碍之一。

人们已提出若干解决基于非晶硅的光伏设备中经过半导体薄膜的分流(shunt)亦即局部“短路”问题。美国专利4598306(1986)描述了将光伏设备中半导体(这个例子中是非晶硅薄膜)和一个电极之间放置连续的透明阻挡层的技术。这个导电性弱的阻挡层(一个通过某种方式沉积的薄膜)可大幅阻止损毁或分流区域的渗漏电流。建议使用的材料基本上是宽带隙的金属或硅的氧化物、氮化物、碳化物，因为它们的透明度非常高。这一构想的具体实施是由同一发明者指出的，美国专利4532372中描述道：“这一阻垒层是由基于氟化镁的材料制成的”。“阻垒”这个概念，后来在美国专利中有进一步描述。专利号第5268039，描述了分流抑制光伏器件，该器件包含一层导电性弱的材料膜层，该膜层置于太阳能电池前电极和背电极之间。美国专利号4633034描述了另一个技术，该技术特别有利于具有电网格局(collectiongrid)的电极。根据这一技术，使用低于电极网导电性的电流限制度的材料，可以减轻分流。一般来说，上述方法被认为是被动或“非毁除性”修复分流(渗漏电流)的方法。本发明代表用补救方法解决电极层之间大面积薄膜中的缺陷问题的一大进步。

另一类减少分流的办法是，积极钝化的方法，即半导体薄膜(在这个例子中是非晶硅i层)或相邻金属材料从选定区域(损毁区)被更改或移除(剔除)，而不是被导电性差的薄膜掩盖。美国专利4451970教人们探测(寻找)缺陷区域和消除这种毁损区的方法，该方法靠移除缺陷区域周围电极层或在这些区域沉积一个绝缘膜来阻止分流路径。在上述专利和美国专利4464832中，一种方法是在分流区选择性地清除导电薄膜。主要依靠在盐、碱或电解质中浸泡太阳能电池，和运用电偏压来蚀刻太阳能电池分流部分。在美国专利4729970中，使用一种化学转化催化剂将缺陷区域的电极(导电)转化成绝缘膜材料从而解决分流问题。上述程序实用而且有效，但也很精细，成本高，需要精密昂贵的仪器和大量的劳动，因为在我们所讨论的这种光伏模块中，可能每平方米薄膜涂层上有数以万计的微小缺陷。这些严重限制了大面积光伏模块的产量。

又一发明，美国专利4471036描述了通过电化学氧化选定单体以在开口(漏电)处沉积绝缘聚合体，从而消除针孔或多孔开口(当它和电极一起沉积时会形成短路)的方法。一个相似的过程在美国专利5277786中提出，其中用半导体层缺陷部分通过电解处理的方式修复。在电解溶液中含有一种物质，该物质能够钝化绝缘层损坏部分。在美国专利6132585中使用电镀树脂(绝缘层)有选择性地掩盖光伏器件的缺陷部分。这些湿处理的方法费时费力并且有特殊的设备要求。同时，并不能保证绝缘膜不会沉积在半导体薄膜的非缺陷区域。

美国专利6716324披露了一种靠避免导电膜层在缺陷区域沉积，从而抑制半导体缺陷区的分流的方法。这种方法很值得商榷，因为薄膜上微小的缺陷(可能集中或随意分散在大的连续的板或片上)不可能有选择性地对溅射镀膜中施加的偏电压产生反应。只有相对较大的缺陷才有可能被发现并通过这种方式中和。同时，发现这些缺陷，并在薄膜溅射过程中对缺陷有所反应需要非常先进的硬件和软件设备。这不是本发明提出的解决问题的实际的方法。

大多数先前提出解决方法都存在缺陷，或者技术上不健全，或者增加光伏模块的制造成本不切实际，或者是成品不够美观。所有这些都为分流问题提出了一些补救措施，但其中没有哪个针对性地解决了真正透明的，不靠薄膜移除的BIPV窗户所需的特薄的非晶硅i层薄膜的问题。这些先前的发明并没有针对透明度可以通过非晶硅i层来调节的非晶硅BIPV模块。非晶硅i层的必要厚度是一个棘手的问题，必须定制设计解决方案。以前的解决方法都是行不通的。比如说，在非晶硅分流区(缺陷区)使用高电阻聚合物薄膜选择性电解沉积的方法，就不能应用于非晶硅i层非常薄(如“200”纳米)的情况，因为这种绝缘膜的沉积不能被控制在针孔或其它有缺陷的区域。相反，因为非晶硅薄膜的不可忽略的导电性，绝缘膜可能会附着在整个的非晶硅薄膜上，从而削弱光伏器件的性能。因此，分流抑制的BIPV模块不会产生高输出功率，因为它收集光电流的效率比较低。

此外，同样重要的是，先前发明中没有一个描述用简单的紧紧结合非晶硅i层沉积来防止分流的方法，而在制作非晶硅光伏模块时，不诉诸额外设备或处理板。先前提出的解决办法都太繁琐，和传统非晶硅光伏模块的制造流程不兼容。事实上，先前的发明没有哪个依靠简单重复使用各种基于简单易制的膜层来解决p-i-n结构漏电的问题。尤其是‘假’i层(dummyi-layer)，它可被制成宽带隙，绝缘的膜层，从而减少或钝化由于任一实际i层过薄而导致的缺陷问题。

为了便于理解本发明，图1显示了被两个玻璃板封装的标准单结p-i-n型的可做成透视型的太阳能电池的横切面。这种太阳能电池包括：平板玻璃基板20，透明的前电极30(TCO)，非晶硅合金p层40，非晶硅i层50(本征非晶硅)，基于非晶硅的n层80，透明背电极90，粘膜剂100(封装介质)，和玻璃盖板110。图1中显示一个选择性的基于非晶硅的分流抑制层70，置于非晶硅i层50和非晶硅n层80之间。没有这个宽带隙的、基于非晶硅的、分流抑制层70，这个器件将会是一个简单的，传统的p-i-n型太阳能电池。为了使整个器件具有透明度而适合于光伏建筑一体化玻璃窗的应用，p-i-n层(p层40，i层50和n层80)都必须相当的薄，总厚度不能超过400纳米，更好是小于300纳米，最好是小于200纳米。这就意味着非晶硅i层50的厚度小于360纳米，最好是小于170纳米。在i层如此薄的太阳能电池中短路或分流缺陷是不可避免的，尤其是在大面积区域(近1平方米大小)。把宽带隙、高电阻的分流抑制层70加在非晶硅i层50之上，可以减少分流或短路。这是因为它增加了i层的厚度，从而增大了组合i层阻止电流渗漏的能力。如果分流抑制层70是由像非晶硅碳这样的带隙宽于1.9电子伏的宽带隙的非晶硅合金制成，那么即使是相当厚(大于150纳米)的薄膜也可以被加在太阳能电池中，同时，在传输可见光时不会造成进一步的损耗。然而，在实际情况中，这种克服分流的方法因以下两个原因行不通：一是因为像非晶硅碳这样的宽带隙的非晶硅合金稳定性非常差，它会使太阳能电池的效率在光照下迅速衰退。二是因为宽带隙非晶硅合金i层电子性能低，会严重影响光伏器件的输出功率。而掺杂型的非晶硅碳或其它合金也不适合单独地做分流抑制层。因此，如图1所示的在标准i层50上附加分流抑制层70的做法，不能有效或长期地解决薄膜非晶硅i层50所引起的分流问题。

为了实现基于非晶硅的半透明BIPV模块，必须发明一种低成本、易实施、快速、有效、稳健且可靠的技术，来大幅度地减少非晶硅光伏模块大面积缺损的问题。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的目的：生产一种低缺陷的透视型的非晶硅薄膜光电器件，能够应用于像光伏玻璃窗和天窗等这样的光伏建筑一体化结构中。

本发明的进一步目的是，生产非晶硅光伏器件，这种器件中有活跃的非掺杂氢化非晶硅薄层(i层)，有适当的透光度，分流缺陷小，输出功率良好，高产，运行可靠等特点。

本发明第三个目的是，防止或减轻非晶硅活跃i层和p-i-n型太阳能电池和其他大型模块的薄膜非晶硅光电子设备中电流分流问题，通过引进电阻率较大的宽带隙的非晶硅合金薄膜来阻止短路。

为了达到上述发明目的，本发明提出了一个控制含有较薄i层的基于非晶硅的p-i-n型薄膜光伏模块中的半导体分流缺陷的方法。我们使用一个分流抑制屏障结构，涉及带隙较宽的非晶硅合金材料构成的“虚拟i层”，包括薄膜氢化非晶硅碳(a-SiC)，或一系列光电能量转换不活跃(non-active)的虚拟i层。这种薄膜有良好的透光性，电阻系数足够大。这个分流钝化薄层，被插入在活跃的非晶硅p-i-n结构和透明导电氧化物后接触层(背电极)之间。它的作用是阻止前置p-i-n光伏结构中非晶硅i层活跃区缺陷处的电流渗漏。本发明的最简单形式是p-i-n-″i″-n型器件结构，尤其适合取代传统的i层较薄，容易产生分流缺陷的被夹在两个点接触层之间的p-i-n型器件。在p-i-n-″i″-n结构中，″i″层置于两个n层之间，它是一模拟层(‘假’i层)，用来钝化第一个(置于p层之后的)i层的短路缺陷。第一个i层是真正具有光伏活跃性的光电转换单元。

分流抑制的模拟层可以包括多个非晶硅合金薄膜，这种薄膜电阻系数大，透光能力强，同导电能力更强的n型基于非晶硅的薄膜叠加连接。钝化(屏障)材料的有效成分是宽带隙的a-SiX薄膜，其中X代表碳，氧，氮和/或氟。这种薄膜比相同厚度，非掺杂型的非晶硅有明显高的电阻率和透明度。这种电阻大，相对透明(宽带隙)的薄膜也可以是微掺杂的n型薄膜。这种钝化薄膜的吸光能力差，因而可从光伏活跃区的非晶硅i层薄膜的亲属材料中挑选。

本发明让太阳能电池中基于非晶硅的薄膜的总厚度增加，就像一个很厚的不易有分流问题的器件，同时并没有增加p层和第一个n层之间的光伏活跃i层的厚度。一个具体的使模拟层相对厚而又不影响活跃p-i-n光伏单元效率的做法，是让多个附加的虚拟层或“假”i层被用在具有宽带隙的n-i-n-i...-n的结构中。比起单一的虚拟层，这种将多个虚拟层叠加在一起的结构可以更有效地减少光伏活跃区非晶硅真正i层的分流效应。

和传统器件相比，这种拥有分流抑制屏障的光伏模块的分流缺陷较少，输出功率大，产品率高，有更高的可靠性。上述非晶硅光伏模块允许足够的光透过所有的膜层，适合像光伏玻璃窗和天窗这样的光伏建筑一体化应用。光伏模块的透光度不是依靠对非晶硅薄膜或电极的选择性移除而获得，而是光伏器件所有的单个薄膜都有适当的透明度。值得注意的是，本发明允许p-i-n型大面积光伏模块使用非常薄的非晶硅本征层(i层)，比如小于150纳米，同时不会因为电流短路和电极间非晶硅i层覆盖不足而生成性能缺陷或能量损耗。

本发明光伏模块的一个特点是它的双面感光性。因为它的背面是透明的，n层又比较薄，因此模块背面触光时，也可以发生光电行为。分流预防的发明可应用于这种双面BIPV模块中，以增强它的输出功率、可靠性和生产产量。双面非晶硅光伏模块可用于户外独立设备应用和弱光室内使用，这样的情况下，模块的两面都处于感光环境中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是一个p-i-n型非晶硅太阳能电池的切面图。

图2是一个具有分流钝化特性的透视型非晶硅光伏模板的层状结构。

图3是显示具有多个分流钝化单元的透视型非晶硅光伏模板的层状结构。

具体实施方式

实施例一：

本发明涉及一种简单、低成本且高效的消除分流缺陷的方法，适用于含有较薄的非晶硅活跃性吸收转化层的透视型光伏模块。

当前发明的一个实施，由图2作了说明。图2是一个玻璃封装的非晶硅太阳能电池的横切面视图，这种太阳能电池基于图1所示的p-i-n结构，但被修正了。器件结构唯一的变化是，在非晶硅i层和宽带隙基于非晶硅的分流抑制层70中间，增加了一个基于非晶硅的第一n层60。在这种p-i-n-“i”-n结构中(图2中的40-50-60-70-80)，分流抑制“i”层70和第二n层80形成了起分流屏障的作用的双层抑制结构，阻碍在非晶硅i层50中任何形式的缺陷导致的分流。分流钝化结构中起作用的部分是高带隙的有较高电阻率的分流抑制层70，而第二n层80的作用只是提供与透明背电极90(背接触层)足够良好的电接触。这种p-i-n-“i”-n型设备结构中，两个磷掺杂的基于非晶硅的n层60和80之间，夹着透明绝缘的或者微掺杂的非晶硅合金分流抑制“i”层70。此p-i-n-“i”-n型器件结构是本发明的核心。

当像氧化锌这样的透明导电氧化物作为透明背电极90的材料，并且所有的基于非晶硅的膜层(p层40，i层50，第一n层60，分流抑制层70和第二n层80)都至少有某些透光性的时候，我们就可以得到部分透明的透视型太阳能电池。这种部分透光的太阳能电池也是双面光感的，正面和背面玻璃都可以感光。半透明光伏建筑一体化和/或双面光伏建筑一体化可以通过大面积统一地沉积所有的膜层得到。双面光伏模块就是无论正面还是背面玻璃触光都能发电的光伏模块，它是相对于只是单面触光发电的传统的光伏模块而言的。

注意图1和图2中器件的运作区别。图2中基于非晶硅的分流抑制层70是一个“虚拟”的膜层，并不发生任何光电效应。然而它提供与薄膜层面垂直方向的电阻。这样，n-“i”-n结构中的基于非晶硅的分流抑制层70的低电子质量和差的稳定性不会影响p-i-n(p层40，i层50，n层60)光伏单元的性能。换句话说，对光电能量转换而言，分流抑制层70的电子质量无关紧要。根据本发明，基于非晶硅的光伏器件中的分流抑制层70是一个基于非晶硅的宽能带隙合金薄膜，它必须同时满足下列三个要求：1)它可以用同一种方法沉积，最好是和前述p-i-n型非晶硅薄膜(分别由p层40，i层50，n层60代表)在同一个非晶硅沉积设备中沉积；2)膜层70对可见光是相对透明的，若作为一个单独的膜层衡量，其红光的透光度大于10％。因此必须对薄膜的厚度和光能带隙进行合适的选择；3)分流抑制层70的电阻必须大得足以阻止非晶硅i层50缺损区域(短路)的渗漏电流。此外，分流抑制层70的性能必须很稳定。电阻率应该和非掺杂非晶硅薄膜相近或稍小，在10^-9欧姆.厘米(10^-9Ohm.cm)附近。非掺杂型或微掺杂型宽能带隙非晶硅合金薄膜，像非晶硅碳，非晶硅氧，非晶硅氮和氟化非晶硅等都可以满足上述要求。上述非晶硅合金单元(碳、氧、氮、氟)的作用是拓宽能带隙，增大基于非晶硅薄膜的电阻系数。所有合金薄膜都可以像简单太阳能电池中基于非晶硅的p、i、n膜层那样用同一种方法生产。例如，通过在硅烷(SiH₄)和氢气(H₂)混合物中添加甲烷(CH₄)，让它们流入一个PECVD系统，就可以生成非晶硅碳薄膜。薄膜的厚度由诸如等离子体条件、甲烷和硅烷气体的比例等变量决定。薄膜厚度和能带隙两个因素决定这种薄膜的透光度。薄膜的电阻系数是由能带隙大小和掺杂度(包括无意识性掺杂和杂质)来决定的。因为分流抑制层70只要很低的光吸收度和适度的绝缘性就可以显著阻止i层50缺陷区的电流渗漏，所以即使存在较高密度的电子缺陷，它也能够按照我们的要求工作。这样，宽带隙的非晶硅合金，以及他们的合金，如非晶硅碳氧合金(a-SiCO)，无论是非掺杂或是微掺杂，都非常适合作基于非晶硅的分流抑制层70的材料。在生产过程中，正如前面所述的那样，有分流抑制特性的器件都可以用传统p-i-n型模块的生产方式及设备制造，只不过加了两个额外的基于非晶硅的薄膜70和80。生产过程中生产量只稍有下降，生产设备附加成本非常小。

图2中的分流抑制层70和n层80并不参与光能到电能的转化，它们在这种情况下是“死层”。只有第一个i层50，夹在p层40和第一个基于非晶硅的第一n层60之间，直接起着把光转化成电能的作用。这种传统的太阳能电池中不存在的独特结构是本发明中分流钝化机构中最基本的部分。通过在第一n层60和第二n层80之间加入一个分流抑制层70，可以为非晶硅i层50提供抑制短路和分流缺陷的能力，从而解决在商业生产环境下，大面积非晶硅i层严重的分流和短路问题。分流抑制层70在光伏电池的两个电极(透明前电极30和透明背电极90)之间起电阻的作用。像针孔，合成微粒，超薄薄膜覆盖，或者明显的隆起等缺陷，都是很平常的，尤其常见于因透光度要求非晶硅i层50较薄的部分透明非晶硅太阳能电池中。适度厚的虚拟绝缘膜层分流抑制层70的存在，等于增大了i层50的厚度，达到如图1所示的效果，它阻挡了电流的渗漏渠道。不然这些分流缺陷会发生在前电极和背电极之间，严重损坏太阳能电池的性能。另外一种分析图2中器件结构的方式是把原来图1中的p-i-n型太阳能分成两部分，把i层分开成两个(50和70)，中间加一个n层(60)，这样一来，只有第一个i层50是活跃的，第二个i层70是“死层”，因为它两面都没有p层存在。如果它有足够宽的带隙允许足够的光透过光伏建筑一体化设备，“死层”分流抑制层70可以做成厚一点的材料。在图2中，分流抑制层70被有目的地夹在两个n型的基于非晶硅的薄膜(n层60和80)之间，以形成n-i-n这样的序列。如前所述，分流抑制层70不一定是非掺杂型的(i层)。为了适合设备运作，可以根据它的带隙进行掺杂以达到必要的电阻率。换句话说，分流抑制层70既不能太绝缘，也不能比相同厚度的非掺杂型非晶硅薄膜更具导电性。如果分流抑制层70的材料是带隙非常宽(大于2.0电子伏)的非晶硅合金，即便使用高掺杂度(比如说把磷烷和硅烷气体比大于1％的混合物掺杂在原料气体中用于等离子沉积过程)也不会生成导电薄膜。通常情况下，带隙越宽，非晶硅合金薄膜的可掺杂性越低。因此，在我们的描述中，为了方便，分流抑制层70有时候被称为“非掺杂”的非晶硅或i层。实际上，分流抑制层70可以根据需要，而和磷或镓等物质进行轻微掺杂，适度掺杂或充分掺杂来改变其电阻，从而使分流钝化光伏模块达到整体上的最佳性能。

只要最后一个i-n双层膜(分流抑制层70和第二n层80)不严重限制第一个非晶硅i层50生成的光电流的正常流动，图2中所示的整体的p-i-n-“i”-n型太阳能电池，就和传统的p-i-n型太阳能电池的转化效率相同。经实验证实，如果基于非晶硅的分流抑制层70是由厚度很小(小于100纳米)的非掺杂型非晶硅，或者非晶硅碳制成，增加的“i”-n膜层(分流抑制层70和第二n层80)一点也不会影响大面积玻璃衬底的非晶硅p-i-n型光伏模块的能量转化效率。然而，如果分流抑制层70绝缘性非常好(取决于它的带隙，掺杂度和厚度)，和基本的p-i-n型器件相比(不考虑分流缺陷)，p-i-n-“i”-n型太阳能电池光电转化能力会有所损失。在分流钝化结构的效能和增加系列电阻之间必须有一个很好的平衡。

实施例二：

实际上，为了使光伏建筑一体化玻璃窗透明度更高，非晶硅i层50需要被尽量做得更薄，但这样会导致更严重的分流。因此，基于非晶硅的分流抑制层70必须尽量做厚来增强它的分流阻止能力。但是，对于一个既定的电阻率来说，如果分流抑制层“i”层70过厚，图2中的p-i-n-“i”-n型器件将会因“i”层70中的阻抗性损耗而失去它的能量转化效率。为了解决这个问题，我们可以修正“i”-n(分流抑制层70和第二n层80)的分流抑制结构，用一系列更薄的“i”-n双层膜取代单个膜层较厚的分流抑制层70。这种概念在图3中作了说明。在这个例子里，起分流钝化作用的分流抑制层70由诸多叠加在一起的子单元组成。除了分流抑制层70的具体构成外，图3和图2所示的器件相同。

图3是一个玻璃封装的p-i-n-Y-n型太阳能电池的横切片视图，这里Y代表一系列的叠加在一起的“i”-n双层，即“i”-n-“i”-n-“i”-n...(图3中的71-72-71-72-71-72...)。图2中的分流抑制层70被一系列更薄的、高电阻的宽带隙非晶硅合金薄膜71(“i”)在图3中替代。它们比与其相邻的n型的宽带隙非晶硅合金薄膜72具有高出至少一个量级的电阻。这种含有多个宽带隙的非晶硅合金“死层”的结构，可更有效地用于分流抑制。子层71最好由磷掺杂度很轻微的非晶硅氧或非晶硅氮制成，因为这些材料可有良好的透光度及绝缘性。为了使分流抑制效应最大化，同时使光学损耗最小化，n型的宽带隙非晶硅合金薄膜子层72做得越薄越好。

图3中的起分流抑制作用的叠层结构(71-72-71-72-71-72...)效益取决于宽带隙非晶硅合金薄膜71所有膜层的总厚度和它们的电阻系数。实际上，图3是图2所述概念的一个推广。图3的结构比图2更复杂，但是图3中所有的高电阻的宽带隙非晶硅合金薄膜71的叠加厚度可以远远超过图2中分流抑制层70的厚度。这样的非晶硅太阳能电池就有了更强的分流钝化能力，同时也不会明显降低太阳能电池的转换效率。这一结果的物理原因是，当足够薄的近绝缘的宽带隙非晶硅合金薄膜71被夹在适度导电的n型的宽带隙非晶硅合金薄膜72之间时，光电流可以稳定地流经绝缘膜而不会产生大的阻抗性损耗。而同时，分流渠道被多个绝缘膜有效地阻止了。因此，图3是图2的改进，它减少了基本p-i-n型光伏器件(包括p层40，i层50和第一n层60)中分流限制膜在能量转化效率上的负面影响。

子层71和子层72的薄膜参数，可以根据透光型的光伏器件需求来决定。比如说当i层50的厚度被定为100纳米时，子层71可由带隙为2.0eV的非晶硅氧(a-SiO)合金构成，其中含有0.02％的磷，厚度为10纳米。而子层72可由带隙为1.85eV的非晶硅氧(a-SiO)合金构成，其中含有0.5％的磷，厚度为1.5纳米，远远小于子层71，以减小光的吸收。子层71和子层72的叠层被重复12次，形成一个总厚度为138纳米的分流抑制膜(70)，而且这个分流抑制叠层结构比i层50还要厚，但其光吸收要低得多，有效地保证该光伏器件的透光性。

图3中的多个子层71(和多个子层72)并不需要相同，它们可以有不同的光能带隙，掺杂度，电阻率和厚度。实际上，每一个子层都可能不同。这里我们只描述了一个总体概念，而不是具体的实施细则。实际上，依据本发明的原则，可以用多种方法达到相似的目的。

Claims (9)

1. 一个透视型光伏模块，该模块含有基于非晶硅薄膜的p-i-n型光伏活跃结构，其透视性来自所有薄膜材料的部分透明性，而非由将半导体及电极移除。其特征在于：该透视型光伏模块具有分流钝化机制，可以用来增强输出功率及其可靠性。所述的透视型光伏模块包括以下几个部分：

a)一个透明基板，该基板起支持和保护的作用，在所述的部分透明光伏模块的薄膜沉积过程中起载体的作用；

b)一个前电接触层，由透明导电氧化物(TCO)制成，置于所述的透明基板之上；

c)一个p层，该p层由硼掺杂的，宽带隙的非晶硅合金制成，包括非晶硅碳，非晶硅氧合金，该p层置于所述的前电接触层之上；

d)一个本征i层，该本征i层由非掺杂的氢化硅或其合金薄膜制成，包括非晶硅和纳米晶硅(纳米硅)，i层厚度不大于350纳米，该本征i层置于所述的p层之上；

e)一个第一n层，由磷掺杂的氢化硅薄膜或其合金组成，包括非晶硅，非晶硅氧合金，非晶硅碳合金，和纳米晶硅或其合金。该第一n层沉积于所述的本征i层之上；

f)一个分流钝化层，该分流钝化层置于所述第一n层之上，其特征在于：用来增强垂直于所述本征i层方向的电阻。所述分流钝化层由光能带隙不小于非晶硅光能带隙的非晶硅合金制成，其导电性弱于所述第一n层，所述分流钝化层并不直接参与所述部分透明光伏模块的能量转化过程；

g)一个第二n层，为一个低电阻的电接触层，该电接触层由磷掺杂的n型非晶硅制成，厚度不大于12纳米，置于所述分流钝化层之上；

h)一个透明背电极，包括一个透明导电氧化物薄膜，其厚度不小于300纳米，置于所述第二n层之上；

i)一个粘合层，该粘合层有封闭排斥水分的能力，透光度不小于80％，置于所述透明背电极之上；

j)一个保护性盖片，该盖片是透明的，被牢固地粘贴在所述粘合层之上。

2. 根据权利要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的分流钝化层厚度不小于60纳米，且其光能带隙不小于1.85电子伏。

3. 根据权利要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的分流钝化层是包括多个子层叠合的结构，每个所述子层都有不小于所述第一n层的光能带隙和电阻系数，且至少有一半所述的子层的光能带隙大于1.85电子伏。

4. 根据权利要求3所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的分流钝化层的多个子层包括多个非掺杂的或轻度掺杂的宽带隙非晶硅合金子层，和多个磷掺杂的宽带隙非晶硅合金子层，交替叠加而形成一个总体分流钝化层。

5. 根据权利要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的透明基板是一片平板玻璃。

6. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的前电接触层是由氟掺杂的氧化锡(SnO₂)薄膜或铝掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜制成，或是由所述的薄膜结合而成。

7. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的透明背电极包括一个铝掺杂的氧化锌薄膜。

8. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的粘合层包含乙烯基醋酸盐(EVA)。

9. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：所述的保护盖片包含一个玻璃板。

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