CN101246914A - 薄膜太阳能电池的背反射层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池的背反射层。薄膜太阳能电池的背电极由一个透明导电氧化物(TCO)薄膜和一个格栅状的金属网膜构成，其后涂上具有高度光反射性的超白漆，使得大部分长波光在TCO与超白漆的界面被反射回太阳能电池的半导体吸收层。从而增强光捕获能力和光电转换效率。

Description

薄膜太阳能电池的背反射层
技术领域
本发明属于太阳能光伏器件领域，特别涉及到薄膜太阳能电池的光学设计。
背景技术
近年来，光伏电池和大面积光伏模块的发展引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出巨大的潜力。在260℃以下这样较低的温度下生产薄膜硅光伏器件的一个显著特点是，大面积沉积的与硅相关的半导体膜层和电接触膜层具有优良性能。同时，使用良好成熟的镀膜设备和程序，可以工业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划线成型工艺(laserpatterning)允许多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模块，减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。
对于光伏器件，特别是薄膜光伏器件来讲，使其性能优良的关键是优化半导体光电转换层对光能的吸收，并同时减少器件中的光损耗。在很薄的吸收层里能够最大限度的吸收光能，是高转换效率的必备条件。包括氢化非晶硅和纳米晶硅的氢化薄膜硅所构成的太阳能电池通常具有p-i-n结构，其中p层和n层是不活跃的“死层”，它们在非掺杂的i层(吸收层)中建立一个内置电场，从而使得光致载流子被有效的收集。其吸收层的厚度一般只有几百个微米，最多不超过大约2000微米。而且氢化硅薄膜的红光和红外光的吸收系数都比较低，所以有很大部分的阳光不能被有效的利用起来。通常基于氢化硅薄膜的p-i-n结构被夹在前后两个电极(电接触层)中，而形成完整的光伏元件。通常使用的前电极必须具有良好的透明度和导电性，它通常是由透明导电氧化物(TCO)构成，譬如厚度为600-900纳米的被掺杂的氧化锡或氧化锌薄膜。后电极通常由一个TCO和不透光的金属薄膜共同组成，其一个重要作用就是将未被吸收的光反射回p-i-n结构之中。已经尝试过各种各样的办法来改善对光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前电极，以增强光的散射。另外，也使用过反光率较高的背电极，使得未被吸收的光再一次被投回到电池中。对于非晶硅电池来讲吸收层i层也不能做得很厚，原因是该材料具有光质衰减的缺陷。所以卓越的光学设计对于像氢化硅这样的薄膜太阳能电池的转换效率起有决定性作用。
当前生产包含非晶硅，非晶硅锗合金和纳米晶硅的基于薄膜硅的光伏模块时，ZnO/Al(氧化锌/铝)是人们选择的标准材料。一个常见的p-i-n型光伏器件的层状结构包括玻璃基板；透明导电的前电极；基于薄膜的p-i-n结构，分别包括p层、i层和n层；透明导电氧化物(氧化锌)和金属薄膜(银或者铝)。实验室中制作的高效率氢化硅薄膜太阳能电池是以氧化锌和银(ZnO/Ag)作为背电极。然而，这种ZnO/Ag的配合会产生明显的分流(shunt)，分流又会致使能量转化率低，这个问题在大面积光伏模块的生产中尤其明显。随着时间的推移，银会失去本身的光泽，ZnO/Ag制成的背电极的反光能力就会降低。银自身的扩散能力很强，随着银渗透到硅层中，会逐渐产生分流，这影响了光伏模块的使用寿命。而且，限制银的用量有助于降低光伏模块的生产成本。
相比之下，ZnO/Al制作的薄膜光伏模块更长寿、更可靠，因为铝不易导致分流现象，这对于大面积模板的生产非常有利。但是和ZnO/Ag相比，铝的光反射能力差很多，所以限制了光电转换效率。因为光伏模块的成本很大程度上取决于它的能量转化效率(输出功率)，所以欠佳的背反射器严重限制了这种器件的商业吸引力。
所以，很有必要寻求一种反射性接近或超过ZnO/Ag，而稳定性又不亚于ZnO/Al的高反射背电极。
发明内容
基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：提高基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器件的转换效率。
本发明的另一个目的是，改善薄膜太阳能电池的背电极光学特性，特别是对长波光的响应。
为了达到上述目的，本发明描述了一种可以使薄膜太阳能电池的背电极反光性大大增强的办法。一种适用于氢化硅薄膜太阳能电池的背反射层是用于光学镜面的反光涂层材料，譬如BaSO4，它们具有极高的从紫外光到红外光的反射率(通常超过98％)，而且非常稳定，这对于长期在户外使用的光伏器件是一个很重要的考虑。为了将这种高反射超亮背反射层结合到薄膜光伏器件中，传统的均匀覆盖在电池背面的金属膜(譬如银或铝)必须被选择性的排除掉，或完全被透明导电材料取代。我们这里讨论的是第一种做法，也就是将全面覆盖的金属膜改换成覆盖率不超过30％金属网膜。因此第二TCO的大部分表面不被背电极金属所覆盖。将反射涂料施加在背电极的TCO薄膜上，而这个反光性很好的涂料取代了通常电池中所使用的大部分的金属薄膜。所以在这种太阳能电池背面施加的背反射层可以将大部分穿过第二TCO的未被吸收的长波光反射回光电转换区域。这种反射过程的效率要明显高于银背电极的反射性，因为金属薄膜的反射不可避免的导致光吸收损耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图显示了一个依据本发明构成的薄膜太阳能电池的层状结构。
具体实施方式
如附图所示，一个p-i-n型光伏器件，它的结构沿光的入射方向依次包括：一个玻璃基板1；一个透明前电极2，包括譬如是氧化锡的透明导电氧化物(TCO)；一个或多个由基于氢化硅薄膜构成的p-i-n型光伏单元8(多个p-i-n型光伏单元叠加而成的器件被称做多结太阳能电池)；一个第二TCO膜层22；一个格珊状的金属网膜75，包括银和铝；一个超白反射涂层84。格珊状的金属网膜75可以用数种方法获得，包括使用掩蔽膜进行的磁控溅射，丝网印刷和喷墨打印。还有一种办法就是均匀镀完金属膜后用蚀刻的方法，将金属膜选择性的从第二TCO表面排除。金属网膜75的网孔不能太大，以保证第二TCO薄膜的任何一点的电流都可以不受阻碍的被金属网膜75所收集。在此之后一个超白反射涂层84被施加在光伏器件的背面，它与第二TCO22的所有暴露表面27形成紧密的连接，在界面27的光反射率超过95％，它远远高于任何金属膜的反射率。
本发明采用的高度反射背电极结合了TCO/金属背电极的良好导电性和TCO/反射涂层的高度光反射性，从而达到了一个极佳的导电、反射综合效果。

Claims (3)

1. 一个p-i-n型光伏器件，它的结构沿光的入射方向依次包括：一个玻璃基板；一个透明前电极，包括譬如是氧化锡的透明导电氧化物(TCO)；一个或多个由基于氢化硅薄膜构成的p-i-n型光伏单元；一个第二TCO膜层；一个格珊状的金属网膜，包括银和铝；一个超白反射涂层。其特征在于：超白反射涂层与第二TCO膜层的接触面积远远大于金属网膜与第二TCO膜层的接触面积。超白反射涂层对波长不超过1200纳米的光的反射率不小于98％，且该反射涂层是一个稳定的绝缘体。
2. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于：所述格珊状的金属网膜对第二TCO膜层的覆盖率不超过25％。
3. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于：所述的超白反射涂层由譬如BaSo4的制作超亮光学反射镜面的材料构成。
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