CN101246928A - 薄膜硅太阳能电池的背接触层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型薄膜硅太阳能电池的背接触层。尽管以银作为背接触层的小型太阳能电池可具有很高的效能，但银很难被可靠地用于生产基于薄膜硅的光伏器件，因为它的稳定性很差，并且会强化分流。为大幅度提高成品率和稳定性，在制作高性能的大面积、低成本的薄膜硅光伏模板时，背接触层可选用其它金属材料，如镍－钒合金、钯或白金等。它们的反射率高、电阻系数低、能较好地和氧化锌这样的透明导电氧化物(TCO)相兼容，并且稳定性很强。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏器材领域，特别涉及到氢化硅薄膜光伏器件技术。
背景技术
背电极对于基于薄膜氢化非晶硅和纳米晶硅的太阳能电池(也叫做薄膜光伏或光电器件)，尤其是大面积光伏模块的高性能和可靠性致关重要，其中高效的捕光能力，对于有效的捕获弱吸收光是不可缺少的因素。具有高反射率的背电极可以有效的把未被吸收的长波光线反射回光伏器件中。反射最好是以一个很大的角度(散射式)进行，这样使光再次进入硅层时有较长的光学路径，以增加其被吸收的机率，从而增加光电流。
在实验室中，已经获得了效率良好的薄膜非晶硅和纳米晶硅(纳米硅)太阳能电池。这种太阳能电池使用透明导电氧化物薄膜和反光的金属薄膜，最好是以氧化锌和银(ZnO/Ag)作为背电极。然而，这种ZnO/Ag的配合会产生严重的问题。厚的银层会导致明显的分流，分流又会致使能量转化率低，从而导致光伏模块的生产量低。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，这影响了光伏模块(随着银渗透到硅层，会逐渐产生分流)的使用寿命。而且，和镍或钒相比，银是一种昂贵的金属。所以限制银的用量有助于降低光伏模块的生产成本。
当ZnO/Ag的背电极最先用于太阳能电池时，人们使用较厚的硅层。由于硅薄膜较厚(比如在三结太阳能电池和光伏模块中)，由银导致的分流问题并不明显。然而，为了生产更稳定的光伏模块，如今的光伏模块改用较薄的硅薄膜。这样当使用ZnO/Ag(或者单纯的银)作为背电极材料时，就很容易产生分流的问题。人们发现即使对于小面积的二极管来说，ZnO/Ag电接触也比ZnO/Al电接触更容易产生分流问题。当前生产包含非晶硅，非晶硅锗合金纳米晶硅的基于薄膜硅的光伏模块时，ZnO/Al是人们普遍选择的标准材料。附图显示了一个标准的p-i-n型光伏器件的层状结构。该电池的组成包括玻璃基板1；透明导电的前电极2；基于氢化硅薄膜的p-i-n结构，分别包括p层6、i层8和n层9；透明导电氧化物22(氧化锌)和金属膜45。通常的硅薄膜电池的背电极使用银或者铝。ZnO/Al制作的薄膜光伏模块更长寿、更可靠，但是和ZnO/Ag相比，它的光反射能力差很多，所以限制了光电转换效率。用ZnO/Al或者Al作为薄膜硅光伏模块的背接触层在产量和长期性能方面有优势，但输出功率较低。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。ZnO/Al制成的背电极不仅不易导致分流，而且即使产生分流问题也比较容易解决(通过所谓的“分流削弱”程序)。在很多情况下，使用ZnO/Ag的背电极的光伏模块，比使用ZnO/Al背电极的光伏模块能量转化率低。这是因为使用ZnO/Ag作为背电极时，闭路电流的增加被填充因子(和开路电压)的降低所抵消。
由于银和铝作为背电极金属膜都有明显的缺陷，所以有必要寻求一种替代性的反射金属薄膜。
发明内容
基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：提供一种新型的适用于薄膜硅太阳能电池的背电极，以提高光电转换效率。
本发明的进一步目的是，使用新型的背电极以改善具有高转换效率的基于氢化硅薄膜的太阳能电池的稳定性。
为了达到上述发明目的，本发明采用一种可用作TCO/金属背接触层的金属薄膜，这种金属薄膜结合了银的高反射率和铝的稳定性。这里TCO代表透明导电氧化物，如氧化锌(ZnO)或氧化铟锡(ITO)等。具有高反射率的导电金属材料包括镍钒合金(NiV，约5-10％原子浓度的钒)、镍(Ni)、铟(In)、金(Au)、钯(Pd)和铂(Pt)。先前使用的金、钯、铂价格昂贵，不适合大量低成本地制作薄膜光伏模块。单纯的铟非常软，需要另外一层金属膜来保护。附着能力良好的铬(Cr)是被排除在外的，因为它的反射率差(无论是单独作为反射器还是TCO/Cr叠层结构)。当然，铑有极好的反射率和导电性，但对于须低成本生产的光伏薄膜来说，它太昂贵。因此镍钒合金是取代银和铝作为薄膜硅光伏器件背接触层的理想材料。
如附图所示，一个标准的p-i-n型薄膜硅光伏器件包含：一个玻璃基板1；一个前电接触层2(一个像氧化锡这样的透明导电氧化物TCO)；一个p层6，包含硼掺杂的宽带隙的基于硅的薄膜，如非晶硅碳合金；一个非掺杂的薄膜硅制成的i层8；一个由磷掺杂的薄膜硅或其合金制成的n层9；另外一个透明导电氧化物膜层22和一个导电性良好且反射率高的金属膜45。TCO22和金属膜45一起作为反射背接触层。根据本发明，金属膜45的构成是不同于传统材料银或铝的一种金属或合金，特别是含5-10％钒的镍钒合金。这种合金具有良好的反射性和导电性，而且非常稳定，也不导致光伏器件的分流现象。所以它的使用使得基于氢化硅薄膜光伏器件同时具有良好的高转换率和稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图是一个p-i-n型薄膜硅光伏器件的结构示意图。
具体实施方式
尝试性的背接触层包括ZnO/NiV(7％V)和TiO2/NiV(5-10％V)这样的双层结构。这种结构的背电极反射率高，导电性好，能经受各种自然环境，在长期太阳辐射下有极好的稳定性。
这种镍钒金属薄膜形成的最佳方式，是使用便于大面积镀膜的磁控溅射技术，所使用的靶材最好是具有所需要原子比例的镍钒合金，这样所需要的合金可以使用一个单独的靶子一次性形成。
Claims (10)
1. 一个光伏器件，其特征在于：该光伏器件包括：
a)一个透明导电前电极。该电极由掺杂型SnO2或掺杂型ZnO这样的透明导电氧化物制成，包括氟掺杂的氧化锡(SnO2:F)和铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)；
b)一个p-i-n叠层结构。该结构由非掺杂的薄膜硅或富含硅的合金制成，包含p层、本征(非掺杂)i层和n层；
c)另外一个p-i-n叠层结构，用来形成多结光伏器件。所述多结光伏器件可以和ZnO:Al这样的TCO薄膜结合，形成p/i/n/ZnO/p/i/n这样的结构，其中i层可以包含不同的硅合金薄膜，包括非晶硅、混合相位的硅、纳米晶硅，或者异相硅；
d)一个TCO膜层。该膜层包含一个或多个由ZnO，ITO，SnO2，TiO2或其他材料制成的子层；
e)一个金属膜。该金属膜的厚度在20-1000纳米之间，最好是在100-300纳米之间，由镍钒合金制成，其中钒的密度(分数)为0-100％，3-25％更好，7-15％最好；
f)一个选择性附加金属膜或薄膜叠层。由铝或银制成，厚度小于500纳米。
2. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：它是包含多个串联相接的光伏元件的集成器件之中的一个光伏元件。
3. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：它被其它保护材料或膜片封装，如玻璃基片，金属箔或聚合物薄片等。
4. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：它的构成包括坚硬或柔韧的覆盖层或基板。
5. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：所述由镍钒合金制成的金属膜包含其它金属元素。
6. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：所述金属膜的厚度或原子成分不均匀。
7. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：所述TCO膜层包含多个薄膜，如ZnO/SiO/ZnO叠层结构或SnO2/ZnO双层结构，以及其它结构。
8. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：所述TCO膜层的表面是平滑的或是粗糙粒状的。
9. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：所述镍钒合金金属膜被其它高反射率的金属或金属合成物取代，包括金、铂、钯或铑，以及它们的合金。
10. 根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于：所述光伏器件的各个薄膜是通过镀膜技术生产的，包括化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、溅射法、各种蒸发技术，等等。
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