CN101794832A - 具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄膜太阳能电池的光伏器件结构，具体是一种具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件。该该光伏器件包括有位于前部的基层和一号电极，还包括有位于后部的二号电极，在一号电极和二号电极之间设置有两层光伏结构，即一号光伏结构和二号光伏结构，一号光伏结构与二号光伏结构之间具有一个中间反射层；所述中间反射层在其厚度方向上具有变化的折射率。本发明的光伏器件中，反射层折射率在厚度方向上的周期变化会引起较窄光谱范围内的反射加强，这对于加强短波光子的反射，使其被第一个结吸收很有效，也改善了器件的波长选择。

Description

具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池的光伏器件结构，具体是一种具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件。
背景技术
传统的薄膜太阳能电池中，与传统太阳能电池相比，超薄的薄膜太阳能电池更加经济也更具发展前景。然而，目前薄膜太阳能电池转换效率不高，这主要是由于使用廉价的玻璃或不锈钢替代材料引起的结构缺陷。一个提高薄膜太阳能电池效率的方法是制造多结太阳能电池。使用多个PIN结可以捕捉到更宽的太阳能光谱，例如，面对阳光的顶电池比底电池具有更大的带隙，因而未被顶电池吸收的长波光子会被底电池所吸收。
如果引入一个中间反射层来反射更多的短波光子可以增加通过顶电池的光学路径从而减少损耗、降低成本。更薄的上层也可使光线弱化降低、稳定性提高。例如附图1所示的传统的带有中间反射层的光伏器件，它包括一层透明基层101，其折射率为n1，101上方覆盖了前部电极102，其折射率为n2，一个折射率为n3的抗反射层103覆盖在102上，在抗反射层的上方是折射率为n4的第一个PIN结104和折射率为n6的第二个PIN结106，之间是一个具有固定折射率n5的中间反射层105。PIN结106上方先是后部反射层107，然后是后部电极108。为使效率最大化，第一个PIN结104一般比第二个PIN结106有更大的带隙，这样未被104吸收的长波光子将被接下来的106吸收。为使抗反射层有效，103层的厚度取n3*t3＝λ1/4，其中λ1是被104和106吸收的具有最大光学密度的目标波长。105层的厚度取n5*t5＝λ2/2，其中λ2是被104吸收的具有最大光学密度的目标波长。理想状态下，我们希望长波光子不要被反射而是通过并被106吸收。然而，固定折射率的反射层会使某些长波光子被反射而不是被106吸收，因而转换效率受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在传统具有反射层的光伏器件基础上进行改进，提供一种具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件。
本发明的一个技术方案是：该光伏器件包括有位于前部的基层和一号电极，还包括有位于后部的二号电极，在一号电极和二号电极之间设置有两层光伏结构，即一号光伏结构和二号光伏结构，一号光伏结构与二号光伏结构之间具有一个中间反射层；所述中间反射层在其厚度方向上具有变化的折射率。
所述中间反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线或方波曲线。
所述中间反射层的材料为SiO2和Si3N4的混合物，其化学式表示为SiOxNy，其中氮含量y/(x+y)的取值为0～1。
所述二号光伏结构与一号电极之间还具有一个后部反射层207，后部反射层在其厚度方向上具有变化的折射率。
所述后部反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线或方波曲线。
所述后部反射层的材料为SiO2和Si3N4的混合物，其化学式表示为SiOxNy，其中氮含量y/(x+y)的取值为0～1。
所述一号光伏结构和二号光伏结构为PIN结或NIP结；所述PIN结和NIP结为非晶硅或硅结晶材料。
本发明的另一个技术方案是：该光伏器件包括有位于前部的基层和一号电极，还包括有位于后部的二号电极，在一号电极和二号电极之间设置有两层光伏结构，即一号光伏结构和二号光伏结构，二号光伏结构与一号电极之间具有一个后部反射层，后部反射层在其厚度方向上具有变化的折射率。
所述后部反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线或方波曲线。
所述后部反射层的材料为SiO2和Si3N4的混合物，其化学式表示为SiOxNy，其中氮含量y/(x+y)的取值为0～1。
本发明的光伏器件中，反射层折射率在厚度方向上的周期变化会引起较窄光谱范围内的反射加强，这对于加强短波光子的反射，使其被第一个结吸收很有效，也改善了器件的波长选择。
附图说明
图1是传统的具有反射层的光伏器件的截面结构示意图；
图2是本发明第一个实施例的截面结构示意图；
图3是反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线的示意图；
图4是反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为方波曲线的示意图；
图5是本发明第二个实施例的截面结构示意图；
图6是本发明中化学式为SiOxNy的反射层材料的折射率与SiO2含量的函数关系曲线图；
图7是本发明中化学式为SiOxNy的反射层材料在PECVD设备中形成过程中折射率与N2O气流量的函数关系曲线图；
图8是本发明中化学式为SiOxNy的反射层材料在PECVD设备中形成过程中折射率与NH3/SiH4比例的函数关系曲线图。
具体实施方式
实施例一：
如图2所示，一层透明基层201折射率为n1，其上方覆盖了一号电极202层，其折射率为n2，一个折射率为n3的抗反射层203位于折射率为n4的第一个PIN结
(一号光伏结构204)下方，在第一个PIN结(一号光伏结构204)和第二个PIN结(二号光伏结构206)之间是一个中间反射层205，其折射率在厚度方向上周期变化。二号光伏结构206上方先是一个具有固定折射率的后部反射层207然后是二号电极208。为使效率最大化一号光伏结构204一般比二号光伏结构206有更大的带宽，这样未被204吸收的长波光子将被接下来的206吸收。
图3、图4显示反射层折射率在厚度方向上周期变化的两个示例。图3中所示是按正弦曲线变化，图2中所示是按方波曲线变化。尽管只显示了两种变化方式，但其他的周期性的折射率变化方式也是可以实现的。空间周期变化会引起较窄光谱范围内的反射加强，这对于加强短波光子的反射使其被第一个结吸收很有效。
实施例二：
将具有变化折射率的反射层应用于单结电池或是多结电池的后部反射。如图5所示，后部反射层207与中间反射层205类似，也具有变化的折射率。我们可以调节底部反射层的光学带宽使底部反射层适应吸收带宽以达到对光能的最大吸收。
上述实施例是以透明基层为例。类似的结构也可以应用于非透明基层。只是一号电极与后部反射层及二号电极需要交换位置，太阳光从结构的上方射来而不是从结构的下方。
最有发展前景的一种制造变化折射率反射层的方法是在常规的太阳能电池制造设备中，以不同的SiO2含量来沉淀形成SiOxNy材料。如图6所示，随着SiO2含量的增加对SiOxNy的折射率减少。在现有的薄膜太阳能电池的制造设备如PECVD装置中，SiO2的含量可由N2O气流控制，折射率与N2O气流的相互关系如图7所示。类似的，如图8所示，折射率也可通过NH3/SiH4气流的比例来调整。

Claims (11)

1.一种具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，包括有位于前部的基层(201)和一号电极(202)，还包括有位于后部的二号电极(208)，在一号电极(202)和二号电极(208)之间设置有两层光伏结构，即一号光伏结构(204)和二号光伏结构(206)，一号光伏结构与二号光伏结构之间具有一个中间反射层(205)，其特征是：所述中间反射层(205)在其厚度方向上具有变化的折射率。
2.根据权利要求1所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述中间反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线或方波曲线。
3.根据权利要求1所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述中间反射层的材料为SiO2和Si3N4的混合物，其化学式表示为SiOxNy，其中氮含量y/(x+y)的取值为0～1。
4.根据权利要求1～3之一所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述二号光伏结构与一号电极之间还具有一个后部反射层(207)，后部反射层在其厚度方向上具有变化的折射率。
5.根据权利要求4所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述后部反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线或方波曲线。
6.根据权利要求4所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述后部反射层的材料为SiO2和Si3N4的混合物，其化学式表示为SiOxNy，其中氮含量y/(x+y)的取值为0～1。
7.根据权利要求1所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述一号光伏结构和二号光伏结构为PIN结或NIP结。
8.根据权利要求7所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述PIN结和NIP结为非晶硅或硅结晶材料。
9.一种具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，包括有位于前部的基层(201)和一号电极(202)，还包括有位于后部的二号电极(208)，在一号电极(202)和二号电极(208)之间设置有两层光伏结构，即一号光伏结构(204)和二号光伏结构(206)，二号光伏结构与一号电极之间具有一个后部反射层(207)，后部反射层在其厚度方向上具有变化的折射率。
10.根据权利要求9所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述后部反射层在厚度方向上的折射率变化曲线为正弦曲线或方波曲线。
11.根据权利要求9所述的具有变化折射率反射层的薄膜太阳能电池光伏器件，其特征是：所述后部反射层的材料为SiO2和Si3N4的混合物，其化学式表示为SiOxNy，其中氮含量y/(x+y)的取值为0～1。
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