CN101383385A - 一种可调带隙三节薄膜太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于玻璃衬底的可调带隙薄膜太阳能电池及其制作方法，其特征在于采用不同带隙结构材料α－SiC、αGe_xSi_1－x、μ－Si作为吸收层，组成三节结构，增加光能捕获；采用调节本征层Ge、Si成分比例的方法，获得不同的带隙，从而增强光能吸收；采用PECVD成膜，工艺加工耗能少；采用激光划片，实现电池片内串连，无需光刻工艺，适合批量生产。

Description

一种可调带隙三节薄膜太阳能电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种可调带隙三节薄膜太阳能电池及制作方法，具体而言，采用三层不同带隙宽度的材料作为光学吸收层，调节中间第二节电池吸收层Ge_xSi_1-x(x＝0～0.2)材料的Ge、Si比例，从而分裂为多个不同相近带隙，以透明导电膜(简称TCO)为正电极材料，氧化锌铝(AZO)和银(Ag)为负极材料，以玻璃为透光层。属于先进太阳能电池领域。

背景技术

硅材料是目前晶体太阳电池的主导材料，成品晶体硅太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40％，而非晶硅薄膜太阳电池的Si薄膜厚度不到2μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了制造成本，随着Si原材料价格的不断攀升，晶体Si太阳能电池越来越受到价格成本的制约；另一方面，由于非晶硅太阳电池的制造温度很低、易于实现大面积成膜、生产成本低等优点，薄膜太阳能电池越来越受到工业界的欢迎。

现已大规模产业化的常规型薄膜太阳能电池多采用单节或双节，以非晶Si/微晶Si结构最为常见，如南开大学薛俊明等已在“薄膜非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的研究”一文(太阳能学报2005年4月第26卷第2期，第166页)中对如何制作两节叠层电池作了相关报道，Kaneka公司双节非晶硅/非晶锗硅结构，但所用锗硅为固定带隙材料，转换效率为7—8％。目前常规薄膜太阳能电池多以一元非晶或微晶Si为吸收层，带隙固定，光电转换效率的产业化水平多般在6％左右，实验室水平多般为8～10％左右。三节结构也少有报道，例如美国Uni-solar公司推出了基于不锈钢片衬底的非晶硅/非晶锗硅/微晶硅结构，采用固定带隙材料为吸收层，效率仅为6％。其中非晶Si带隙固定为1.8eV，由于SiC带隙可调(通过调节H的含量)特点(1.9～2.5eV)，采用SiC替代非晶硅，有望提高三节电池的光吸收，从而提高光电转换效率。

由于不同材料带隙对应不同的光子吸收波长，而只有与带隙对应波长的光才能被吸收，因此，增加多带隙有利于吸收太阳光中不同波段的光能。具体而言，采用多种手段在光入射方向增加不同带隙吸收层，或吸收层带隙分裂，将有利于光子吸收，从而大大提高光电转换效率，降低薄膜太阳能电池的制造成本。本发明正是基于这样的构思。本发明选用可调带隙二元半导体材料Ge_xSi_1-x作为第二节薄膜电池吸收层，采用如图1所示的glass/TCO/P1I1N1/P2I2N2/P3I3N3/AZO/Ag三节串连结构，分别对不同波段光子进行充分吸收，从而提高电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调带隙三节薄膜太阳能电池及其制作方法。所述的一种可调带隙三节薄膜太阳能电池，以玻璃为衬底，采用在光入射方向上带隙宽度依次减小的三层材料作为吸收层，具体地说顶层(第一节)为非晶碳化硅SiC薄膜，中间电池(第二节)为可调带隙的非晶锗硅薄膜，底层(第三节)为微晶硅薄膜，三节电池按照图1顺序串联，氧化锌铝(AZO)和银(Ag)为导电负极材料。光从玻璃面入射，电池电流从透明导电膜和银薄膜引出，其结构如图1所示，可表示为glass/TCO/P1I1N1/P2I2N2/P3I3N3/AZO/Ag，第一层为透明导电膜(TCO)，第二层P1为p型非晶碳化硅(p-α-SiC)，第三层I1为i型非晶碳化硅(i-α-SiC，带隙为1.9～2.5eV)，第四层N1为n型非晶碳化硅(n-α-SiC)，第五层P2为p型非晶锗硅(p-α-GeSi)，第六层I2为i型非晶锗硅(i-α-Ge_xSi_1-x，x＝0～20％)，第七层N2为n型非晶锗硅(n-α-GeSi)，第八层P3为p型非晶硅(p-α-Si)，第九层I3为i型微晶硅(i-μ-Si)，第十层N3为n型非晶硅(n-α-Si)，第十一层AZO为氧化锌铝，第十二层为银Ag。

本发明采用非晶锗硅(a-GeSi)为第二节为太阳电池，其特征在于用PECVD方法依次沉积p型、i型、n型三层a-GeSi，通过调节其中i层Ge_xSi_{1 -x}薄膜材料Ge、Si成分比例来调节其带隙。所用GeH₄和SiH₄流量比例y调节范围为0～25％，Ge_xSi_1-x层厚400nm，如图3。

本发明分别采用不同带隙材料a-SiC(Eg＝1.92～2.5eV)、α-Ge_xSi_1-x(Eg＝1.43～1.5eV)、μSi(Eg＝1.1eV)，作为第一、二、三节电池吸收层，可以增强吸收太阳光全波段(0.3～3μm)光子能量，提高光电转换效率。

本发明可调带隙三节薄膜太阳能电池结构如图1，电池面积为0.8×1.4m²。玻璃衬底的厚度为4mm，电池中除玻璃外第一节至第三节的多层薄膜厚度为2～2.5μm，推荐为2.1μm。

本发明采用Ag作为背反射层，增强背面反射。

本发明采用氧化铟锡(ITO)作为透明导电膜，以提高太阳光的透射率，提高光吸收效率。

本发明采用TCO绒面处理，增加电池内部传输光程，提高光电转换效率。

本发明采用激光划线隔离，将0.8×1.4m²的电池面板分割成若干串联的电池单元(面积为n×1.4m²，n为8cm)，实现同一电池面板面内串联，不需要光刻工艺，降低成本，适合大规模生产，如图2。

其工艺步骤：

1、选择7059玻璃作为衬底，用溅射仪溅射沉积第1层TCO薄膜

2、采用波长为1.06μm激光划线，形成TCO隔离槽；

3、PECVD制作第2层p-SiC:H，沉积频率f＝13.6MHz；

4、PECVD制作第3层i-SiC:H([H₂]/[SiH₄+CH₄])流量比12～135，Eg＝1.92～2.5，沉积频率f＝13.6MHz；

5、PECVD制作第4层n-SiC:H，沉积频率f＝13.6MHz；

6、PECVD制作第5层p-αGeSi，沉积频率f＝13.6MHz；

7、PECVD制作第6层i-αGe_xSi_1-x Eg＝1.43～1.5eV，沉积频率f＝13.6MHz；

8、PECVD制作第7层n-αGeSi，沉积频率f＝13.6MHz；

9、VHF—PECVD制作第8层p-μSi，沉积频率f＝20MHz；

10、VHF—PECVD制作第9层i-μSi，沉积频率f＝20～80MHz；

11、VHF—PECVD制作第10层，n-αSi，沉积频率f＝20MHz；

12、采用波长为532nm激光划线，形成光电吸收层隔离槽；

13、溅射成膜第11层AZO；

14、溅射成膜第12层Ag；

15、采用波长为532nm激光划线，形成电极隔离槽。

本发明的优势在于：

1、三个串连的单体薄膜电池中，在光入射方向上，采用带隙宽度依次减小的三种材料作为吸收层，实现分段吸收光子，从而达到拓宽光谱响应范围，提高光电转换效率的目的。

2、在第二节薄膜电池中，选用可调带隙二元半导体材料Ge_xSi_1-x作为吸收层，通过调节Ge_xSi_1-x中Ge、Si成分比例来实现材料的带隙分裂，实现更多的光子吸收。

3、PECVD技术直接生长吸收层，无需高温退火，降低生产成本。

4、采用绒面TCO膜，减少了光的反射和透射损失，并增加了光在i层的传播路程，从而增加了光在i层的吸收。

5、采取激光划线，实现面内串联，无需光刻工艺，降低生产成本，工艺适合批量生产。

附图说明

图1、以玻璃为衬底的12层结构。第1层为透明导电膜，第2层为p-SiC:H，第3层为i-SiC:H，第4层为n-SiC:H，第5层为p-αGeSi，第6层为i-αGeSi，第7层为n-αGeSi，第8层为p-μSi，第9层为i-μSi，第10层为n-μSi，第11层为氧化锌铝AZO，第12层为Ag。P1(第2层)、I1(第3层)、N1(第4层)三层组成第一节电池，P2(第5层)、I2(第6层)、N2(第7层)三层组成第二节电池，P3(第8层)、I3(第9层)、N3(第10层)三层组成第三节电池。图1与图2结构上下互为倒置。

图2、薄膜电池面内串联结构。玻璃为衬底，右斜线部分的电流行走路线自下而上依次为P1、I1、N1、P2、I2、N2、P3、I3、N3。或者Ag导电层，与正极、负极相连，由激光划线形成隔离，电流行走线路：正极—Ag—TCO—PIN—Ag—TCO—PIN......—Ag—负极，形成面内互连。与衬底玻璃紧连的为透明导电层。电池被聚合物覆盖。

图3、第6层非晶锗硅组分变化示意图，Ge:Si比例y的变化范围为0～25％，厚度为400nm。

具体实施方式

如图1所示，薄膜电池除玻璃部分多层薄膜厚度为2.1μm。结构为glass/TCO(200nm)/P1I1N1/P2I2N2/P3I3N3/AZO(200nm)/Ag(100nm)。使用氧化铟锡ITO作为透明薄膜，同时具有导电的特征，同时可以作为电池的电极。第一节电池采用p-α-SiC(100nm)/i-α-SiC(300nm)/n-α-SiC(100nm)结构，中间电池(第二节)采用p-α-GeSi(100nm)/i-α-Ge_xSi_1-x(400nm)/n-α-GeS(100nm)结构，底电池(第三节)采用p-α-Si(100nm)/i-μ-Si(300nm)/n-α-Si(100nm)。负极所用AZO厚度为200nm，Ag为100nm。采用PECVD反应生成吸收层薄膜，ITO和Ag薄膜采用溅射方式形成。所用玻璃带有绒面TCO。清洗采用去离子水，兆声清洗，采用激光刻蚀划线，形成电池的串联。

Claims (9)

1、一种可调带隙三节薄膜太阳能电池，包括以玻璃为衬底，与衬底紧连的透明导电薄膜层为正极，Ag为负极，其特征在于在光入射方向上采用带隙宽度依次减小的三种材料串联作为吸收层，组成三节结构；其中第一节顶层为非晶碳化硅薄膜，中间第二节为可调带隙的非晶锗硅薄膜，第三节底层为微晶硅薄膜；

第二节中所述的可调带隙的非晶锗硅薄膜组成通式为αGe_xSi_1-x，式中克原子数x为0～0.20。

2、按权利要求1所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池，其特征在于所述的三节薄膜太阳能电池表示为glass/TCO/P1I1N1/P2I2N2/P3I3N3/AZO/Ag，第1层为透明导电膜TCO，第2层P1为p型非晶碳化硅p-α-SiC，第3层I1为i型非晶碳化硅i-α-SiC，第4层N1为n型非晶碳化硅n-α-SiC，第5层P2为p型非晶锗硅p-α-GeSi，第6层I2为i型非晶锗硅i-α-Ge_xSi_1-x，x＝0～20％，第7层N2为n型非晶锗硅n-α-GeSi，第8层P3为p型非晶硅p-α-Si，第9层I3为i型微晶硅i-μ-Si，第10层N3为n型非晶硅n-α-Si，第11层AZO为氧化锌铝，第12层为银Ag；第2层～第4层组成第一节电池，第5层～第7层组成第二节电池，第8层～第10层组成第三节电池。

3、按权利要求1或2所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池，其特征在于所述带隙宽度依次减小的吸收层中第一节吸收层的带隙宽度Eg＝1.92～2.5eV；第二节的吸收层的带隙款促Eg＝1.43～1.5eV；第三节吸收层的带隙宽度Eg＝1.1eV。

4、按权利要求1或2所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池，其特征在于第一节至第三节的多层薄膜的厚度为2.0～2.5μm。

5、按权利要求1所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池，其特征在于所述的薄膜电池激光划线实现面内串联，以玻璃为衬底电流行走路线，自下而上依次为P1、I1、N1、P2、I2、N2、P3、I3、N3或Ag导电层，与正极负极相连，由激光划线形成隔，电流行走路线是正极—Ag—TCO—PIN—Ag—TCO—PIN......—Ag—负极，形成面内互联。

6、按权利要求1所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池，其特征在于与衬底玻璃紧连的透明导电层为氧化铟锡。

7、制作如权利要求1所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池的方法，其特征在于采用PECVD工艺直接生长吸收层，无需高温退火，工艺步骤是：

a、选择7059玻璃作为衬底，用溅射仪溅射沉积第1层TCO薄膜

b、采用波长为1.06μm激光划线，形成TCO隔离槽；

c、PECVD制作第2层p-SiC:H，沉积频率f＝13.6MHz；

d、PECVD制作第3层i-SiC:H([H₂]/[SiH₄+CH₄])的流量比为12～135，沉积频率f＝13.6MHz；

e、PECVD制作第4层n-SiC:H，沉积频率f＝13.6MHz；

f、PECVD制作第5层p-αGeSi，沉积频率f＝13.6MHz；

g、PECVD制作第6层i-αGe_xSi_1-x，沉积频率f＝13.6MHz；

h、PECVD制作第7层n-αGeSi，沉积频率f＝13.6MHz；

i、VHF—PECVD制作第8层p-μSi，沉积频率f＝20MHz；

j、VHF—PECVD制作第9层i-μSi，沉积频率f＝20～80MHz；

k、VHF—PECVD制作第10层n-αSi，沉积频率f＝20MHz；

l、采用激光划线，形成光电吸收层隔离槽；

m、溅射成膜第11层AZO；

n、溅射成膜第12层Ag；

o、采用激光划线，形成电极隔离槽。

8、按权利要求7所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于步骤g制作第6层i-αGe_xSi_1-x时使用GeH₄和SiH₄气体的流量比y调节的，y范围为0～25％。

9、按权利要求7所述的可调带隙三节薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于步骤1和步骤o激光划线时激光波长为532nm。

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