CN101246921A - 增加透明导电氧化物光散射能力的方法 - Google Patents

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马昕
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Abstract

本发明公开了一种增加透明导电氧化物光散射能力的方法。首先将平展的玻璃基板进行处理，使其表面具有适当的微米尺寸的粗糙结构，使其后所沉积的透明导电氧化物具有相似的表面结构，在此种透明导电氧化物上形成的薄膜光伏器件具有更高的光吸收能力和转换效率。

Description

增加透明导电氧化物光散射能力的方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏器材领域，特别涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技术。
背景技术
最近几年，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。
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，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。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。所以，有必要寻求一种使厚度适中的TCO具有较高的、可控的表面结构的方法。
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。
本发明的进一步目的是，改善基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器件的光学结构，从而增强其对弱吸收光的捕获能力。
为了达到上述目的，本发明采用一种增加透明导电氧化物光散射能力的方法。首先将平展的玻璃基板进行处理，使其表面获得适当的最好是微米尺寸的粗糙结构，而后在这个粗糙表面上沉积作为薄膜太阳能电池前电极的TCO，使其具有与玻璃表面相似的或更突出的表面粗糙结构。然后在这个TCO之上，形成基于氢化硅薄膜的p-i-n型光伏单元和反光背电极。这些随后沉积的半导体和背电极薄膜在极大程度上保持了TCO的粗糙表面结构。所以入射的太阳光在进入p-i-n光伏单元之前在玻璃与TCO及TCO与氢化硅薄膜材料的两个界面上，受到散射。而未被光伏元件吸收的长波光，在背电极的两个界面上也受到两次散射性的反射，以较大的角度回到光电转换区域。所以依照本发明制造的薄膜光伏器件具有良好的光学设计，它对于捕获弱吸收光和提高光电转换效率十分有效。
在玻璃衬底镀上透明导电膜之前，就使它拥有起伏的表面，这样使得下面镀上的透明导电层会更容易具有更高的起伏性，使其对光的折射能力大大增强。用这种方法来得到更高的光折射力，比在高温下镀金属氧化膜的办法要更可行，而且它对金属氧化膜的厚度要求也大大减小。我们的实验已经证实这个概念的可行性，比方说在生长氧化锌或者氧化锡之前，我们将玻璃衬底用化学腐蚀的办法，将其粗糙化，这样使得原来很平坦的金属氧化膜也变得有很明显的雾状特性，也就是它们对光的折射性得到了大大的提高。由于金属氧化物薄膜的厚度可以减少，在所制造的电池中它们对光的吸收也随之降低，从而增加电池的光电能。
本发明同样适用于由单一p-i-n光伏单元构成的单结光伏器件，和由多个p-i-n光伏单元叠加而成的多结光伏器件。
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描述了将玻璃基板粗糙化，从而导致粗糙化TCO的步骤。
图2显示了依据本发明制造的薄膜太阳能电池的层状结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明的第一步是将平展的玻璃板1清洗干净，然后对其至少一个表面进行粗糙化处理，使其获得具有起伏特性的或最好是纹理性的表面结构17。在此之后在17上沉积透明导电氧化物2(TCO)，譬如氧化锡，使它的表面27具有类似于玻璃表面17或程度更高的表面粗糙性。玻璃衬底的粗糙化可以由多种与式得到，包括高温下气体的腐蚀，或者室温下用腐蚀液体的加工处理，也可以用机械摩擦的办法或利用细砂束喷击的方法，使玻璃表面变得具有起伏性。还有一种办法是将直径接近于0.5微米的小玻璃球牢固的附着在玻璃基板上。控制性较好的方法是在550℃左右，用含有HF的气体对移动中的玻璃基板进行处理，这样可以获得较均匀的且不是非常尖锐的表面结构，其表面结构的平均起伏度应当是在30-80纳米之间，最好是接近50纳米。
在这之后所形成的薄膜光伏器件结构如图2所示，该结构包括：一个玻璃基板1；一个透明导电前接触层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；第二透明导电氧化物7和一个或多个金属薄膜45。由于前电极2具有良好的表面结构，其后生长的氢化硅薄膜8及其后的透明导电氧化物7，大体上保持了这种表面结构。也就是说，入射光在进入p-i-n光伏单元之前，在玻璃基板与前电极的界面17和前电极与薄膜硅的界面27，两次受到较大的散射，使光以较大的角度进入半导体光电转换区域。未被p-i-n光伏单元吸收的长波光也在薄膜硅与第二透明导电氧化物的界面87和第二透明导电氧化物与金属膜的界面77两次受到大角度的散射性反射。从而使大部分的弱吸收光以超过全部内反射的临界角度的方向再次进入p-i-n光伏单元。从而极大的提高了它们被吸收的机率。所以，本发明所描述的光散射增加效应，随着基板玻璃表面粗糙性的增加而更加明显，因为它提高了后面所有膜层界面的光散射效应。

Claims (3)

1. 一个p-i-n型光伏器件，它的结构依次包括：一个玻璃基板；一个透明导电前接触层；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，它可以包括第二透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于：玻璃基板被机械或化学的方法处理，使其一个表面具有粗糙结构，然后在该表面上沉积透明导电前接触层，该接触层拥有类似的粗糙结构，使其光散射能力大为改善，提高所述光伏器件对弱吸收光的捕获能力，及其光电转换效率。
2. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于：所述透明导电前接触层的表面粗糙度大于所述玻璃基板被处理表面的粗糙度，且导致对直接入射光的散射效率不小于15％。
3. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于：所述的对玻璃基板的处理方法包括在温度不小于500℃的状态下，用腐蚀性气体对玻璃进行蚀刻的手段。
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