CN101246915A - 薄膜太阳能电池的光漫射层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池的光漫射层。用辉光放电方法形成的极透明且具有极高漫射性的氮化硫薄膜可被置于薄膜太阳能电池的受光面，也可被置于薄膜太阳能电池透明背电极和背反射层之间，从而显著增大光子进入光电转换层的角度，增强光陷阱效应，从而提高光电转换效率。

Description

薄膜太阳能电池的光漫射层

技术领域

本发明属于太阳能光伏器材领域，特别涉及到薄膜太阳能电池的制造技术。

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。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。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，也使用过反光率很高的背电极，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。

通常所使用的前电极TCO，譬如氧化锡，在其厚度不超过1000纳米时很难被做得具有高度的表面纹理结构或粗糙度，也就是说，它对光的散射能力往往不令人满意。具有粗糙表面的TCO经常具有较差的导电性能和较高的光损耗，这个缺陷限制了薄膜光伏器件光电效率进一步的提高。曾经有各种尝试，使得TCO的表面结构(texture)变得更明显，譬如对沉积好的TCO薄膜进行化学或机械处理，使其表面变得更粗糙，但这种做法所得到的粗糙性没有很好的控制性和重复性，从而经常导致薄膜光伏器件的缺陷。另外一种做法就是将TCO厚度增大，使得其表面粗糙性随厚度增加，但是增厚的TCO导致其对入射光的吸收增加，同时也延长了光伏器件的制作周期。

通常的薄膜太阳能电池的反射性背电极也具有相对平滑的界面，使得相当一部分的被反射的长波光以低于全部内反射的角度回到光电转换区域，从而不能达到较高的光“陷阱”效应(light trapping)。

所以，很有必要寻求一种透光性和光散射/漫射性能极佳的材料来改善入射光进入太阳能电池或在背电极区域反射时的角度，从而提高对弱吸收光的捕获能力，即光电转换效率。

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光学特性，特别是对长波光的响应。

本发明的进一步目的是，提供一个光漫射率极高的、高度透光的光漫射薄膜。

为了达到上述目的，本发明提供一种适用于薄膜太阳能电池的光漫射层。这个漫射层由一种透光性和漫射性极高的氮-硫聚合物[NS]_x(以下称为氮化硫)制成，方法包括PECVD(等离子体增强化学气相沉积法，俗称辉光放电)。比方说使用含有氨(NH₃)和硫化氢(H₂S)的气体混合物在较低温度的辉光放电过程中高速形成，比如50-100纳米/分。这种材料实际上含有相当比例的氢，所以它的实际组成是氢化氮-硫高分子。这种具有高折射系数薄膜的透光率几乎是100％(不包括反射和紫外部分)，其光漫射性可以达到80-90％。由于极高的漫射性，这种材料看上去是不透明的。由于它的优良光学性能和可以被大面积沉积的特性，使它成为增加薄膜光伏器件光吸收的理想材料。

氮化硫薄膜可被置于薄膜太阳能电池的受光面，从而显著增大光子进入光电转换层的角度。如图1所示，一个薄膜光伏器件，它的结构沿光的入射方向依次包括：一个透明防护镀膜5(透明防磨损层)；一个依本发明制成的氮化硫光漫射层34；一个玻璃基板1；一个透明前电极2；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元8，所指的由多个p-i-n光伏单元叠加而成的光伏器件也叫做多结太阳能电池；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括一个比如是氧化锌的透明导电氧化物22和一个或多个金属薄膜45。氮化硫薄膜的厚度不超过10微米，其光漫射效率不低于30％。它的使用使得入射太阳光不仅以较大角度进入薄膜光伏单元，而且使未被吸收的长波光以更大的角度被反射回光伏单元，因为前电极通常是具有粗糙性的，因此其后形成的各个薄膜及其界面也具有一定的粗糙性。

氮化硫薄膜也可被置于薄膜太阳能电池透明背电极和背反射层之间，从而显著增大长波光子被反射后再次进入p-i-n光伏单元时的角度，增强光“陷阱”效应，从而提高光电转换效率。如图2所示，一个薄膜光伏器件，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；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元8；一个由透明导电物质构成的背电极22，包括例如氧化锌的透明导电氧化物，它的厚度应不小于500纳米，因为在这个结构中(不同于图1所示器件)没有金属薄膜作为背电极的一部分；一个光漫射层34；一个具有优良光反射性的反射体84，此反射体最好是用非导电的用于构成光学镜面的超白材料构成，譬如BaSO₄。所述光漫射层是一个PECVD氮化硫薄膜，且其厚度不超过10微米，其光漫射效率不低于30％。它的使用使弱吸收光以极为增大的角度(高于全部内反射)高效率的反射回光伏活跃层8，因为在光漫射层34和反射体84界面被反射的光实际上两次经过光漫射层。所以本发明的光漫射层提供了近乎完美的光“陷阱”效应，从而提高薄膜太阳能电池的光电转换效率。

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显示了一个将光漫射层置于受光面的薄膜太阳能电池的层状结构。

图2显示了一个将光漫射层置于透明背电极和背反射层之间的薄膜太阳能电池的层状结构。

具体实施方式

这个漫射层由一种透光性和漫射性极高的氮-硫聚合物[NS]_x(以下称为氮化硫)制成，一种简单易行的方法是PECVD，这也正好是制作基于氢化硅薄膜的光伏元件的方法。在沉积氮化硫薄膜时，所使用的源气体混合物由氨(NH₃)和硫化氢(H₂S)组成，其中也可包括其它稀释性或有反映效果的气体，包括氮气和氢气，或可以控制沉积速率和漫射性的惰性气体，包括氦气或氩气。沉积温度不高于300℃，最好不高于230℃，辉光放电过程中的射频功率密度介于40-200mW/cm²之间，沉积速率由反应室气压和功率密度决定，最好控制在50-100纳米/分之间，以保证均匀性。这种材料实际上含有相当比例的氢，所以它的实际组成是氢化氮-硫高分子。所产生的薄膜具有几乎是100％的透光率(不包括反射和紫外部分)，其光漫射性可以达到80-90％。这种光漫射材料可以较容易的被结合到如图1或图2所示的薄膜太阳能电池结构之中。

Claims (4)

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：一个透明防护镀膜；一个光漫射层；一个玻璃基板；一个透明前电极；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括一个透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于：所述光漫射层是一个氮化硫薄膜，其形成方式为PECVD，且其厚度不超过10微米，其光漫射效率不低于30％。

2. 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；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元；一个由透明导电物质构成的背电极，包括例如氧化锌的透明导电氧化物；一个光漫射层；一个具有优良光反射性的反射体。其特征在于：所述光漫射层是一个氮化硫薄膜，其形成方式为PECVD，且其厚度不超过10微米，其光漫射效率不低于30％。

3. 根据权利要求1或2所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于：所述由氮化硫薄膜构成的光漫射层是用等离子体增强化学气相沉积法形成，所使用的源气体混合物含有氨和硫化氢，所用基板温度不超过300℃。

4. 根据权利要求1或2所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于：所述的氮化硫薄膜构成的光漫射层对于红光和红外光具有不低于60％漫射系数。

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