CN101556973A - 薄膜光伏器件及复合电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜光伏器件及其复合背电极。为了同时获得银的高度光反射率并抑制银的导致分流的缺陷和不稳定性，用银和铜叠加在一起的复合型金属膜来取代常规背电极中的银或铝膜。铜膜的厚度远远大于银膜。这种与氧化锌(ZnO)结合的复合型背电极反射率高，导电性好，稳定性强，且便于在大面积的光伏模板的生产中实施。

Description

薄膜光伏器件及复合电极

技术领域

本发明涉及太阳能光伏器件领域，特别涉及薄膜光伏器件及其复合背电极。

背景技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源，不产生任何的环境污染。大阳能光电(太阳能光伏电池)利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，且是极受瞩目的新兴产业之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电子转换反应，各种半导体材料可用于太阳能电池，包括晶体硅，如砷化镓的III-V化合物，碲化镉、铜铟硒等薄膜晶体化合物，高分子材料，染料敏化的纳米微晶材料，等等。不论以何种材料来制作，对太阳能电池材料一般的要求有：1、能带隙(禁带)不能太宽；②要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，晶体硅是颇为理想的太阳能电池材料，这也是目前市场上太阳能电池以硅材料为主的原因。但是，由于受单晶硅及多晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使晶体硅光伏组件的生产成本和销售价格居高不下。要想大幅度降低晶体硅太阳能电池的成本是非常困难的。同时，晶体硅及其光伏器件的高温制造过程中要消耗大量的能源，不利于环境保护及可持续发展。

随着近三十年来新材料的相关光伏技术的不断发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。为了节省高质量材料，寻找晶体硅的替代品，现在发展了薄膜太阳能电池。以氢化非晶硅和氢化纳米硅为主的薄膜硅太阳能电池代表着光伏技术和产业的发展趋势。非晶硅材料通常由某种化学气相沉积法(CVD)形成，例如辉光放电，即等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。薄膜硅光伏模板的最大市场优势是其不可比拟的低成本大规模生产过程，在大面积廉价基板(衬底)上沉积的光电转换器件的单位成本随生产量增高而降低。

施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺，使多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式内联的大面积光伏模板，减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。制造中较低的温度，允许多种包括价格低廉的柔性塑料材料被用作衬底。另外，这类光伏板生产的原材料充足易得，且不采用对人体或环境有害的物质。它们具有一到两年之间的比较短的能量回报周期，有利于可持续的生产发展。硅薄膜光伏产品的特点是电压高，充电性能好，弱光性能好，在高温下能保持较高的输出功率。相比于晶体硅电池具有很好的性价比。

背电极对于基于薄膜硅的太阳能电池，尤其是大面积光伏模板的高转换率和可靠性至关重要。薄膜光伏器件的高效捕光能力，对于有效的捕获弱吸收光，把未被吸收的长波光线反射回光伏器件中，是必不可缺的。被反射的光再次进入硅吸收层，增加其被吸收的机率，从而增加光伏器件的光电流。在实验室中获得的效率最高的薄膜硅太阳能电池，使用透明导电氧化物(例如氧化锌ZnO)和银双层薄膜(ZnO/Ag)作为背电极。然而，这种ZnO/Ag的配合存在严重的问题。低电阻所要求的足够厚的银膜，会导致电池中许多区域的明显的分流短路(shunting)，致使能量转化率降低，且导致光伏模块的成品率低。随着时间的推移，由于银的电迁移扩散，分流短路的现象往往变得更严重。其它金属的光反射率和导电率都不如银。同时，银是一种比较贵重的金属，所以限制高纯度银的用量有助于降低光伏模块的生产成本。

当诸如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。当硅薄膜较厚时(比如在三结太阳能电池中)，由银导致的分流问题并不明显。然而，为了改善光照稳定性，如今的薄膜硅光伏模块改用较薄的硅层。这样当使用ZnO/Ag(或者单纯的银)作为背电极时，就不可避免地遇到分流问题。人们发现即使对于小面积的光伏电池来说，ZnO/Ag也比铝(ZnO/Al)或铜(ZnO/Cu)更明显地受分流缺陷的影响。当前生产薄膜硅的光伏模块时，铝背电极(ZnO/Al)是普遍选择的标准材料结构。与ZnO/Ag不同，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，比如通过所谓的“分流削弱”程序。但是，ZnO/Al背电极虽然非常可靠，但是和ZnO/Ag相比，它的反光能力差很多，导致较低的光电流，亦即光电转换效率不令人满意。

因此，需要一种既有高光反射性和导电性，又稳定可靠的不影响大面积电池的成品率的背电极。

为了使本领域技术人员对本发明有更加彻底的了解而进行了上述介绍。但上述介绍未必一定属于本领域的现有技术，而是可以属于本发明的一部分。

发明内容

基于上述考虑，本发明的一个目的是提供一种新型的适用于大面积薄膜光伏器件的背电极，以提高光电转换效率。

本发明的另一目的是，使用新型的背电极以改善具有高转换效率的薄膜光伏器件例如基于氢化硅薄膜的太阳能电池的稳定性。

因此，为了同时获得银的高度光反射率并抑制银的导致分流的缺陷和不稳定性，银和铜叠加在一起的复合型金属膜用来取代常规背电极中的银或铝膜。铜膜的厚度远远大于银膜。这种与诸如氧化锌(ZnO)的透明导电氧化物结合的复合型背电极具有反射率高、导电性好、稳定性强、且便于在大面积的光伏模板的生产中实施的优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种薄膜光伏器件，依序包括：透明导电的前电极；光电转换部分，包括单一光伏单元或者多个光伏单元构成的多结光伏元件；及背电极，其中所述背电极依序包括：透明导电氧化物膜、银膜、以及与银匹配的金属膜。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述光伏单元为p-i-n型光伏单元。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述光伏单元由基于氢化硅(例如氢化非晶硅或氢化纳米硅)的p-i-n型半导体薄膜组成。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述透明导电氧化物膜为ZnO。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述金属膜为Cu。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述金属膜为Ni、NiV、Ti、Co、及Cr中的一种。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述银膜的厚度在20-60纳米的范围内。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述银膜的厚度为40纳米左右。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述金属膜的厚度在80-300纳米的范围内。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述金属膜的厚度在100-150纳米的范围内。

根据一实施例的薄膜光伏器件，所述薄膜光伏器件包括并联或串联的多个光伏器件。

根据一实施例的薄膜光伏器件，还包括所述背电极中的金属膜之上的一个或更多其它的金属膜，所有金属膜的总厚度不大于300纳米。

根据本发明的一方面，提供一种复合电极，依序包括：银膜；以及与银匹配的金属膜。

根据一实施例，复合电极中所述银膜的厚度在20-60纳米的范围内，且其中所述金属膜的厚度在80-300纳米的范围内。

根据一实施例，所述金属膜为Cu、Ni、NiV、Ti、Co、及Cr中的一种。

根据一实施例，复合电极还包括位于所述银膜的与所述金属膜相反一侧的透明导电氧化物膜。在一实施例中，所述透明导电氧化物膜为ZnO。

根据本发明，通过缩减银的厚度，并用其它导电材料辅助例如ZnO/Ag(薄的Ag层)来限制“分流现象”，诸如ZnO/Ag/Cu的多层复合的背电极具有良好的光学和电学特征，并且有很好的稳定性和可靠性。

根据本发明的背电极(电接触层)的结构稳定，反光度好(很接近于纯银)，可由普通的镀膜设备和简单程序高速地沉积。此外，本发明所述的背电极中的所有膜层都可以在同一个溅射设备中大面积地可靠形成，具有良好的产业化前景。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行更为详细的说明。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，附图中：

图1显示了具有根据本发明示例性实施例的背电极的基于薄膜硅的光伏器件的层叠结构。

具体实施方式

现在将参照附图更完整地说明本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。然而，本发明能够以很多不同方式实施，并且不应解释为局限于这里提出的实施例；相反，提供这些实施例是使得本公开更彻底而完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。为清晰起见，图中层的厚度和区域被放大。相似的附图标记始终表示相似的元件。

下面以p-i-n型薄膜硅单结太阳能电池为例说明本发明的电极结构。

参看图1，根据本发明示例性实施例的p-i-n型薄膜硅单结太阳能电池包括如下部分：基板(例如玻璃或塑料基板)1；由透明导电氧化物，例如氧化锡SnO₂构成的前电极或前接触层2；基于例如氢化硅薄膜的由p层、i层和n层构成的光伏元件8；以及由多层薄膜构成的背电极，包括例如氧化锌22、银薄膜45、和铜薄膜55。

根据本发明的示例性实施例，将例如ZnO/Ag的背电极改换成例如ZnO/Ag/Cu的复合型电极。也就是说，用较厚的铜Cu和较薄的银Ag构成的Ag/Cu双层金属膜复合电极替代单一的较厚的Ag层电极。根据一实施例，在Ag/Cu结构中，Ag与铜的厚度分别介于20-60纳米和80-300纳米。优选地，Ag与铜的厚度分别是40纳米和100-150纳米左右。在这个组合结构中，光反射功能由Ag提供，而电导率主要依赖Cu。用Cu取代大部分Ag，可以很大程度地防止Ag导致的分流(短路)缺陷和不稳定性，但又不降低背电极的光电性能。这是一种具有良好导电性的并能克服银电极的弱点的导电结构。

另外，Cu薄膜更便于激光划线的干净彻底，因为厚的Ag膜(大于100纳米)很难被彻底地分隔开，从而降低光伏模板的输出功率(填充因子降低)。

根据太阳能电池的测试结果，与ZnO/Al相比，ZnO/Ag/Cu背电极产生的光电流要增大3％-5％。这表明，相对薄的Ag(小于60纳米>足以提供比铝高得多的对红光的反射率。

通过缩减银的厚度，并用其它导电材料辅助ZnO/Ag(薄的Ag层)来限制“分流现象”，ZnO/Ag/Cu这样一种多层复合的背电极具有良好的光学和电学特征，并且有很好的稳定性和可靠性。本发明采用银和铜结合的多层背电极模式，从而很好地保留了基于银的背电极例如ZnO/Ag背电极的优点，避免了它的缺点。

本申请的发明人发现，使用极薄的银层(例如20-30纳米)，比起较厚的银层(比如说传统的ZnO/Ag背电极中使用的厚度在150和250纳米之间的银层)要明显地稳定，分流效应也大大地降低了。

另外，本发明所描述的复合式背电极同样可被有效的使用于由单个p-i-n型或由多个p-i-n型光伏单元叠加而成的多结太阳能电池中。

根据本发明的实施例，在复合电极中使用Cu而不是Al，这是由于银和铜是相匹配的金属材料，Ag与Cu薄膜之间不会由于相互扩散而明显地影响背电极的光学和/或导电特性。与此形成鲜明对照的是，银和铝(Ag/Al)薄膜之间会产生严重的相互扩散而导致的光电性能的衰减。所以，ZnO/Ag/Cu的应用，克服了ZnO/Ag/Al背电极具有的问题。

当然，Cu膜可被其它金属膜替代。根据本发明的实施例，还可以形成其它类似的复合式背电极结构，包括但不限于：ZnO/Ag/Ni，ZnO/Ag/NiV，ZnO/Ag/Ti，ZnO/Ag/Co，或者ZnO/Ag/Cr。但在指定厚度的条件下，它们的导电性不如优选的ZnO/Ag/Cu。

另外，本发明不限于ZnO层，也可以使用其它透明导电层来代替ZnO。然而，ZnO是优选的。

这类背电极(电接触层)的结构稳定，反光度较好(很接近于纯银)，可由普通的镀膜设备和简单程序高速地沉积。此外，本发明所述的背电极中的所有的膜层都可以在同一个溅射设备中大面积地可靠形成，具有良好的产业化前景。下面以背电极ZnO/Ag/Cu为例，示例性地说明本发明的电极结构的形成方法。

背电极ZnO/Ag/Cu可由多种方式生成。根据一个实施例，使用在线磁控溅射真空镀膜的方法，依次在不同的沉积室里，在温度近于100-150℃和氩气压力为1-10mtorr(0.13-1.33Pa/帕)的条件下，分别生长各个薄膜。

首先，用铝掺杂的氧化锌溅射靶子(ZnO:Al靶材，Al的原子比例在0.5-3.5％之间)，将厚度为50-120纳米的ZnO薄膜22镀在氢化硅光伏元件8之上。

随后，在另一个磁控溅射室内，使用纯度为99.99％银靶，将厚度为30-40纳米的Ag薄膜45镀在氧化锌22之上。

最后，使用纯度为99.99铜靶，将厚度为100-250纳米的Cu薄膜55镀在前述Ag薄膜45之上。

这种ZnO/Ag(薄)/Cu(厚)复合背电极，也可被加热处理，以改进其与光伏元件及各薄膜层之间的接触性能。

以上描述了根据本发明实施例的复合电极结构及其在薄膜光伏器件中的应用。根据本发明的实施例，通过缩减银的厚度，并用其它导电材料辅助ZnO/Ag(薄的Ag层)来限制“分流现象”，ZnO/Ag/Cu这样一种多层复合的背电极具有良好的光学和电学特征，并且有很好的稳定性和可靠性。

尽管本发明参照其实施例进行了特定示出和描述，本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的权利要求及其等价物所定义的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (17)

1.一种薄膜光伏器件，依序包括：

透明导电的前电极；

光电转换部分，包括单一光伏单元或者多个光伏单元构成的多结光伏元件；及

背电极，

其中所述背电极依序包括：透明导电氧化物膜、银膜、以及与银匹配的金属膜。

2.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述光伏单元为p-i-n型光伏单元。

3.如权利要求2的薄膜光伏器件，其中所述光伏单元由基于氢化硅的p-i-n型半导体薄膜构成。

4.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述透明导电氧化物膜为ZnO。

5.如权利要求1薄膜光伏器件，其中所述金属膜为Cu。

6.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述金属膜为Ni、NiV、Ti、Co、及Cr中的一种。

7.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述银膜的厚度在20-60纳米的范围内。

8.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述银膜的厚度为40纳米。

9.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述金属膜的厚度在80-300纳米的范围内。

10.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述金属膜的厚度在100-150纳米的范围内。

11.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中所述薄膜光伏器件包括并联或串联的多个光伏器件。

12.如权利要求1的薄膜光伏器件，其中还包括所述背电极中的金属膜之上的一个或更多其它的金属膜，所有金属膜的总厚度不大于300纳米。

13.一种复合电极，依序包括：

银膜；以及

与银匹配的金属膜。

14.如权利要求13的复合电极，其中所述银膜的厚度在20-60纳米的范围内，且其中所述金属膜的厚度在80-300纳米的范围内。

15.如权利要求13的复合电极，其中所述金属膜为Cu、Ni、NiV、Ti、Co、及Cr中的一种。

16.如权利要求13的复合电极，还包括位于所述银膜的与所述金属膜相反一侧的透明导电氧化物膜。

17.如权利要求16的复合电极，其中所述透明导电氧化物膜为ZnO。

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