CN101707218B - 一种共极型薄膜太阳电池的制备方法 - Google Patents

一种共极型薄膜太阳电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种共极型薄膜太阳电池，涉及薄膜技术和新能源开发技术领域。从底层至上层依次为：玻璃衬底、ITO透明电极、p层(p+和p)、i层、n层、i层、p层(p和p+)和ITO电极，从上、下ITO透明电极层引出引线为共电极作为正极，从n层引出引线为负极。本发明的共极型薄膜太阳电池稳定性好、双面受光、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及I-V特性好。

Description

一种共极型薄膜太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜技术和新能源开发技术领域，利用薄膜材料制备新型双面受光结构的薄膜太阳电池，特指一种共极型薄膜太阳电池。
背景技术
自上世纪70年代，第一块非晶硅薄膜太阳电池问世，耗电少、耗水量低、材料费用仅为块体硅材料的1％等优越性受到国内外同行业权威人士的一致赞同，并被誉为“第一代太阳电池”。在此基础上，第二代薄膜太阳电池以普通玻璃、塑料、不锈钢薄片等廉价材料为衬底，实现了大面积制作。近年来，为进一步改进第一代和第二代太阳电池存在的问题，继续降低成本和提高光电转换效率，人们研究和改进了薄膜太阳电池转换机制和电池结构，如叠层式太阳电池、聚光型太阳电池等。叠层式太阳电池结构加入了禁带宽度不同、对不同频谱范围太阳光吸收特性不同的材料，从而扩大了薄膜电池对光的吸收范围；但相对于同一面积上对光的吸收效率仍没有得到理想的改善。聚光太阳电池是在高倍太阳光下工作的太阳电池。增加了聚光器，并通过它使大面积聚光器上接受的太阳光汇聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”。位于焦斑或焦带处的太阳电池得到较高的光能，使单体电池输出更多的电能，其潜力得到了发挥。只要有高聚光倍数的聚光器，一只聚光电池输出的功率可相当于几十只甚至更多常规电池的输出功率之和。这样用廉价的光学材料节省昂贵的半导体材料，可使发电成本降低。但为了保证焦斑汇聚在聚光电池上，聚光器和聚光电池需要安装在太阳跟踪装置上，并且需要对太阳进行跟踪，这就需要给系统增加额外动力、控制装置和严格的抗风措施等；同时在高光强下工作时，聚光型薄膜太阳电池的温度会显著上升，此时还必须使太阳电池强制降温。如何避免或减少借住辅助装置在极小的受光范围内，有效增加受光的面积，提高光吸收率成了下一步研究的重点。本发明根据薄膜电池特点，设计了具有双面受光特性的薄膜太阳电池结构，即一种共极型薄膜太阳电池(如图1)。该结构薄膜电池相比叠层太阳电池，减少了薄膜界面数目，尤其是避免了叠层电池的背电极与相邻薄膜层形成的势垒；又无需聚光型太阳电池的高聚光倍数的聚光器及跟踪装置，也不需要进行强制降温措施，并且该结构太阳电池稳定性能优越、电压输出和电流输出都得到相应的提高(图2和图3)，又可以融合叠层太阳电池和聚光型太阳电池的原理的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种共极型双面受光结构薄膜太阳电池及其制备方法，以提高薄膜太阳电池的整体性能，它具有稳定性好、双面受光、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及I-V特性良好等优点。
一种共极型薄膜太阳电池，从底层至上层依次为：玻璃衬底、ITO透明电极、p层(p+和p)、i层、n层、i层、p层(p和p+)和ITO电极，从上、下ITO透明电极层引出引线为共电极作为正极，从n层引出引线为负极。
本发明解决其关键问题所采用的技术方案是根据不同半导体薄膜制备技术，制备所需界面特性和光学良好的薄膜，按照本发明设计的薄膜太阳电池结构(如图1所示)制定加工路线和加工方案。其核心加工工艺如下：
1、在透明衬底上，首先制成绒面结构，以增强光吸收性能；
2、制备ITO透明电极；
3、利用等离子体化学气相沉积系统依次制备p+、p、i、n、i、p、p+薄膜层；
4、制备ITO透明电极；
5、进行太阳电池版刻蚀和封装后续工艺。
上述制备方案中，步骤2和4中ITO透明电极的具体溅射过程为：玻璃衬底首先在碱液中清洗，然后置于HF溶液中浸泡10min，完成后用去离子水清洗，在烘箱内烘干。溅射前真空室本底真空高于3.6×10-4Pa，在导入总流量为100mL/min，体积比为3.5∶1.5的Ar气和O2气的混合气体后溅射成膜。
上述制备方案中，步骤3是利用PECVD方法通过改变直流偏压、硅烷和氢气的流量比、射频功率和沉积温度来控制薄膜晶化率、晶粒大小和薄膜中氢的含量，制备纳米硅本征吸收层即i层，其中所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％。
利用PECVD方法和硼的掺杂制备P型纳米硅薄膜，硼烷与硅烷的体积流量比小于2∶1；所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％，硼烷的稀释比[B2H6]/[B2H6+H2]是0.5％。
利用PECVD方法和硼的掺杂制备P+型纳米硅薄膜，硼烷与硅烷的体积流量比大于1∶1；所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％，硼烷的稀释比[B2H6]/[B2H6+H2]是0.5％。
利用PECVD方法和磷的掺杂来制备N型纳米硅薄膜，磷烷与硅烷的流量比在体积1∶20～4∶25；其中所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％，磷烷的稀释比[PH3]/[PH3+H2]是0.5％。
本发明的有益效果：设计新型薄膜太阳电池结构，研制出稳定性好、双面受光、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及I-V特性好的薄膜太阳电池。由图2可见，无论光从那一面照射到电池上，此时电池均有光电流产生。考虑串并联电阻(见图3)，对电池性能进行计算，可以得到开路电压和填充因子不变、短路电流密度和装换效率增加了2倍。
附图说明
图1是本发明的薄膜太阳电池芯片结构示意图
图2是本发明的不考虑串并联电阻电路原理图
图3是本发明的考虑串并联电阻原理图
具体实施方式：
1.太阳电池的结构设计
在透明衬底上设计p+/p/i/n/i/p/p+结构的共极型薄膜太阳电池。增加P+是为了降低接触电阻，提高短路电流和开路电压；同时n层直接引出电极避免了n层与金属电极的大面积接触。p+/p/i/n等各层光学带隙Eg逐步递减，可有效扩大光谱吸收范围；同时也对薄膜制备时，形成孵化层起到一定的抑制作用，从而提高开路电压和填充因子。
2、共极薄膜太阳电池的制备
以下本发明以纳米硅为例，对共极型薄膜太阳电池制备进行说明。
2.1透明衬底片的清洗
一、用比例为1∶2∶5的氨水、双氧水、去离子水混合煮沸5～10分钟；
二、依次用甲苯、丙酮、酒精超声波清洗15分钟；
三、用去离子水冲洗玻璃表面；
四、用高纯氮气吹干。
透明衬底片的清洗后即可制备绒面结构。
2.2实验设备及实验材料
实验设备：PECVD沉积系统、超声波清洗设备、溅射台；
实验材料：浓度为5％高氢稀释硅烷、浓度为0.5％高氢稀释硼烷、浓度为0.5％高氢稀释磷烷和氢气；
丙酮、酒精、甲苯、棉絮、高纯氮气等。
2.3上下透明电极为ITO膜利用磁控溅射技术生长。
2.4利用PECVD方法在透明电极上生长p+/p/i/n/i/p/p+结构。
沉积条件：本底真空在1.6×10-4Pa，射频功率在200～300W(频率是13.56MHz)，沉积温度在280℃，直流偏压200V，反应压强200pa。
p+层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，硼烷流量20sccm，厚度30～50nm。
p层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，硼烷流量4sccm，厚度15～25nm。
i层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，厚度490～510nm。
n层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，磷烷流量15sccm，厚度20～30nm。
i层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，厚度490～510nm。
p层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，硼烷流量4sccm，厚度15～25nm。
p+层：硅烷流量20sccm，氢气流量80sccm，硼烷流量20sccm，厚度30～50nm。
2.4界面缺陷的处理
PECVD沉积每层硅薄膜后，对薄膜进行5分钟的氢钝化处理，以降低表面载流子的复合。
2.5电池刻蚀、封装
实施效果：与同类单结单面受光结构薄膜太阳电池相比，单结共极型薄膜太阳电池样品的开路电压基本保持不变，短路电流、转换效率将提高2倍。

Claims (2)

1.一种共极型薄膜太阳电池的制备方法，具体为：
(1)在透明衬底上，首先制成绒面结构，以增强光吸收性能；
(2)制备ITO透明电极；
(3)利用等离子体化学气相沉积系统依次制备p+、p、i、n、i、p、p+薄膜层；
(4)制备ITO透明电极；
(5)进行太阳电池版刻蚀和封装后续工艺；
所述步骤(2)和(4)中ITO透明电极的具体制备过程为：玻璃衬底首先在碱液中清洗，然后置于HF溶液中浸泡10min，完成后用去离子水清洗，在烘箱内烘干，溅射前真空室本底真空高于3.6×10-4Pa，在导入总流量为100mL/min、体积比为3.5∶1.5的Ar和O2的混合气体后溅射成膜；步骤(3)中利用PECVD方法制备纳米硅本征吸收层即i层，其中所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％；利用PECVD方法和硼的掺杂制备P型纳米硅薄膜，硼烷与硅烷的体积流量比小于2∶1；所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％，硼烷的稀释比[B2H6]/[B2H6+H2]是0.5％；利用PECVD方法和硼的掺杂制备P+型纳米硅薄膜，硼烷与硅烷的体积流量比大于1∶1；所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％，硼烷的稀释比[B2H6]/[B2H6+H2]是0.5％；利用PECVD方法和磷的掺杂来制备N型纳米硅薄膜，磷烷与硅烷的流量比在体积1∶20～4∶25；其中所用硅烷的稀释比[SiH4]/[SiH4+H2]是5％，磷烷的稀释比[PH3]/[PH3+H2]是0.5％。
2.权利要求1所述的一种共极型薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：PECVD的沉积条件为：本底真空在1.6×10-4Pa，射频功率在200～300W，频率13.56MHz，沉积温度在280℃，直流偏压200V，反应压强200pa。
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