CN101866968A - 球型薄膜太阳电池和制备方法及基于该电池的空间排列组 - Google Patents

Abstract

一种球型薄膜太阳电池的结构和制备方法，以及该电池单元构成组件的空间排列方式，属于太阳电池制造领域。球型结构电池的底电极和上电极都采用透明导电薄膜，由于球型结构的引入，一方面可以吸收来自各个方向的太阳光，从而避免使用太阳光跟踪装置；另一方面光线在小球内多次折射和反射，形成了一个良好陷光结构，大大提高了光的吸收效率。球型电池组件结构可以使得电池往空间堆积，从而提高空间利用率，得到更大的光接收面积。为了保证薄膜沉积的均匀性，采用了三维旋转运动的样品台。球型薄膜电池按照菲波纳契螺旋叶序在空间排列，从而构成太阳电池组件。相对于电池的平铺排列，在同样的占地面积情况下，可以成倍提高电池的受光面积。

Description

球型薄膜太阳电池和制备方法及基于该电池的空间排列组

技术领域

本发明涉及一种球形结构的薄膜太阳电池和该结构太阳电池的制备方法，及基于该球形太阳电池单元的空间排列的电池组件，属于太阳电池制造领域。

背景技术

随着能源危机与环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源成为国际范围内的重大战略问题之一。太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，因此，开发利用太阳能已成为世界各国可持续发展能源的战略决策。

传统的太阳电池片大多都是平面型的，即单面受光，在全天光照条件下无法最大限度地吸收太阳光能，且组件也都是平面排列的。球形结构的电池一方面可以吸收来自各个方向的太阳光，从而避免使用太阳光跟踪装置；另一方面可以使得电池组件往空间堆积，从而提高空间利用率，得到更大的光接收面积。

本发明在玻璃球上制备薄膜太阳电池。不同于平板玻璃上的薄膜电池，底电极采用高反射的金属电极(铝或银)，球形电池结构中上下电极都采用透明导电薄膜。由于球形结构的引入，光线在球内部不断的折射和反射，形成了一个良好陷光结构，大大提高了光的吸收效率。而且在全天光照情况下，不受太阳光角度变化的限制。

植物的叶片通过一定的排列方式，使叶片均匀地、合理地排列，可以防止叶片之间的遮挡，充分地接受阳光。球形薄膜电池按照菲波纳契螺旋叶序在空间排列，从而构成太阳电池组件。相对于电池的平铺排列，在同样的占地面积情况下，可以成倍提高电池的受光面积。

发明内容

本发明的目的是提供一种球形薄膜电池的结构和制备方法，以及该电池单元构成组件的空间排列方式。

球形电池结构中上下电极都采用透明导电薄膜，采用三维旋转样品台，制备薄膜太阳电池，包括利用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)在玻璃球上制备硅基薄膜太阳电池或利用溅射方法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池。

按照菲波纳契螺旋叶序在空间排列太阳电池，从而构成太阳电池组件。

球型薄膜太阳电池，薄膜电池的底电极和上电极都采用透明导电薄膜，其特征在于：所述薄膜电池以玻璃球为基底制备薄膜太阳电池。

所述玻璃球的透过率在90％以上。

所述玻璃球采用的玻璃为纳钙玻璃、白玻璃或镀有增透膜的玻璃。

所述薄膜太阳电池从里到外依次为：玻璃球、底电极、硅基单结电池NIP结构或硅基叠层电池结构、上电极、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和半球型玻璃。

所述底电极和上电极的厚度为30～60nm；硅基单结电池NIP结构中N层厚度在10～20纳米，I层厚度在200～1000纳米，P层厚度在10～20纳米；硅基薄膜叠层电池结构为非晶硅/纳米硅叠层电池、纳米硅/纳米硅叠层电池或非晶硅/微晶硅叠层电池；其中非晶硅/纳米硅叠层电池中：非晶硅顶电池的N层厚度在10～20纳米，I层厚度在200～350纳米，P层厚度在10～20纳米；纳米硅底电池N层厚度在10～20纳米，I层厚度在400～600纳米，P层厚度在10～20纳米；纳米硅/纳米硅叠层电池中：纳米硅顶电池的N层厚度在10～20纳米，I层厚度在300～500纳米，P层厚度在10～20纳米，纳米硅底电池N层厚度在10～20纳米，I层厚度在400～600纳米，P层厚度在10～20纳米；非晶硅/微晶硅叠层电池：非晶硅顶电池的N层厚度在10～20纳米，I层厚度在200～350纳米，P层厚度在10～20纳米；微晶硅底电池N层厚度在10～20纳米，I层厚度在800～1200纳米，P层厚度在10～20纳米。

所述透明导电薄膜为掺In的SnO₂(ITO)薄膜或掺铝氧化锌(AZO)薄膜。

所述的球型薄膜太阳电池按照菲波纳契螺旋叶序排列构成的空间排列组，相邻的两个球形电池单元的夹角为222.5°。

所述的球型薄膜太阳电池的制备方法，包括玻璃球的清洗、利用溅射方法制备透明底电极、利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜NIP单结电池或硅基叠层电池、界面缺陷的处理、和使用EVA和玻璃封装共5个步骤，其特征在于：利用溅射方法制备透明底电极、上电极，和利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜NIP单结电池或硅基叠层电池时，将玻璃球置于样品台上，玻璃球自转的同时，样品台进行公转，保证沉积薄膜的均匀性。

利用溅射方法制备透明底电极时，样品台公转速率是5～10转/分钟，自转速率是10～30转/分钟。

利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜时，样品台公转速率是5～10转/分钟，自转速率是10～30转/分钟。

实现本发明的技术方案为：

1.太阳电池的结构设计

在玻璃球上依次生长底电极，硅基NIP结构，上电极，如图1所示。

或在玻璃球上依次生长底电极，硅基叠层电池NIPNIP结构，上电极，如图2所示。

2、三维旋转的样品台设计

为了保证玻璃球表面薄膜沉积的均匀性，本设备设计了用于溅射和PECVD方法在小球上制备均匀薄膜的三维旋转的样品台，如图3和图4所示。

3、太阳电池的制备

3.1玻璃球的清洗

对带有方形套孔的玻璃球利用丙酮超声清洗，再用去离子水冲洗，烘干。

3.2利用溅射方法制备透明底电极

采用三维样品台(图3)在玻璃球上使用溅射的方法溅射透明导电薄膜(如掺In的SnO₂(ITO)薄膜，掺铝氧化锌(AZO)薄膜)。

3.3在底电极上制备薄膜太阳电池。

采用三维样品台(图4)，利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜单结太阳电池NIP结构，或硅基叠层电池NIPNIP结构，或采用三维样品台(图3)，用溅射的方法制备铜铟镓硒薄膜太阳电池NP结构。

3.4利用溅射方法沉积透明导电薄膜(如ITO薄膜和AZO薄膜)作为上电极。

3.5由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和两块半球型玻璃使用热压法进行封装。

4、球形太阳电池构成组件的空间列阵方式

为了使得组件达到较高的受光面积，将球型太阳电池单元按照菲波纳契螺旋叶序排列。螺旋线的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=r\cos \mathrm{\θ}\\ y=r\sin \mathrm{\θ}\\ z=\mathrm{h\θ}/2\mathrm{\π}\end{array}\right.,$

相邻的两个球形电池单元的夹角为222.5°。其具体方案如图5所示。

附图说明

图1球形太阳电池的结构示意图1

图2球形太阳电池的结构示意图2

图3溅射用三维旋转样品台

图4 PECDV沉积用三维旋转样品台

图5球形太阳电池的空间排列模组

具体实施方式

实施例1

1.太阳电池的结构设计

玻璃球直径为10cm，在该玻璃球上依次生长50nm厚的ITO薄膜，氢化纳米硅NIP结构(N、I、P层厚度分别是10、400、10nm)，70nm厚的Al_xZn_1-xO(x＝0.02)薄膜，引出铝电极，最后使用EVA和两个半球玻璃进行封装。(如图1所示)

2、太阳电池的制备

2.1玻璃球的清洗

对玻璃球利用丙酮超声清洗，再用去离子水冲洗，烘干。

2.2利用溅射方法制备透明底电极

溅射腔体本底真空为1×10^-4Pa，在清洗过的玻璃球上使用溅射的方法溅射ITO陶瓷靶，沉积厚度在50nm左右的ITO薄膜.。玻璃球装在三维样品台(如图3所示)上，样品台公转速率是5转/分钟，自转速率是15转/分钟。

2.3利用PECVD方法在底电极上制备氢化纳米硅薄膜PIN单结电池。

玻璃球装在三维样品台(如图4所示)上，样品台公转速率是5转/分钟，自转速率是10转/分钟。

所用硅烷的稀释比([SiH₄]/[SiH₄+H₂])是5％，硼烷的稀释比[B₂H₆]/[B₂H₆+H₂]和磷烷的的稀释比[PH₃]/[PH₃+H₂]是0.5％。

薄膜沉积条件：本底真空在1×10^-4Pa，射频频率是13.56MHz，射频功率在150W，沉积温度在250℃，直流偏压150V。

N层：硅烷流量40sccm，氢气流量60sccm，磷烷流量2sccm，厚度大约10nm。

I层：硅烷流量30sccm，氢气流量70sccm，厚度大约400nm。

P层：硅烷流量30sccm，氢气流量70sccm，硼烷流量2sccm，厚度大约10nm。

2.4界面缺陷的处理

PECVD沉积每层硅薄膜后，对硅基薄膜进行15分钟的氢钝化处理，以降低界面对载流子的复合。

2.5利用溅射方法沉积掺Al的ZnO导电薄膜作为上电极

溅射腔体本底真空为1×10^-4Pa。利用Ar⁺溅射溅射Al_xZn_1-xO(x＝0.02)陶瓷靶，沉积一层厚度在70nm左右，方块电阻在30Ω左右的Al_xZn_1-xO(x＝0.02)薄膜。

2.6使用EVA和玻璃封装。

在引入电极，引出导线之后，使用EVA和两个半球形玻璃由热压工艺进行封装。

实施效果：最后进行球形电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm²标准光强的照射下，太阳电池样品的转化效率为9.5％。

实施例2

太阳电池的结构设计

玻璃球直径为10cm，在该玻璃球上依次生长50nm厚的ITO薄膜，非晶硅/微晶硅叠层电池(微晶硅底电池N、I、P层厚度分别是10、1000、10nm，非晶硅顶电池N、I、P层厚度分别是10、200、10nm)，70nm厚的Al_xZn_1-xO(x＝0.02)薄膜，引出铝电极，最后使用EVA和两个半球玻璃进行封装。(如图2)

和实施方案一不同的是薄膜电池采用非晶硅/微晶硅薄膜叠层结构利用PECVD方法在底电极上制备氢化非晶硅/微晶硅叠层电池。

玻璃球装在三维样品台(如图4所示)上，样品台公转速率是5转/分钟，自转速率是15转/分钟。

所用硅烷的稀释比([SiH₄]/[SiH₄+H₂])是5％，硼烷的稀释比[B₂H₆]/[B₂H₆+H₂]和磷烷的的稀释比[PH₃]/[PH₃+H₂]是0.5％。

底电池微晶硅NIP结构的制备

薄膜沉积条件：本底真空在1×10^-4Pa，射频频率是13.56MHz，射频功率在180W，沉积温度在350℃，直流偏压200V。

N层：硅烷流量40sccm，氢气流量60sccm，磷烷流量2sccm，厚度大约10nm。

I层：硅烷流量30sccm，氢气流量70sccm，厚度大约1000nm。

P层：硅烷流量30sccm，氢气流量70sccm，硼烷流量2sccm，厚度大约10nm。

顶电池非晶硅NIP结构的制备

薄膜沉积条件：本底真空在1×10^-4Pa，射频频率是13.56MHz，射频功率在150W，沉积温度在170℃。

N层：硅烷流量40sccm，氢气流量10sccm，磷烷流量2sccm，厚度大约10nm。

I层：硅烷流量40sccm，氢气流量10sccm，厚度大约200nm。

P层：硅烷流量30sccm，氢气流量10sccm，硼烷流量2sccm，厚度大约10nm。

实施效果：最后进行球形电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm²标准光强的照射下，太阳电池样品的转化效率为13.4％。

3、球形薄膜电池单元的空间列阵方式

球型太阳电池单元按照菲波纳契螺旋叶序排列。在本实施例中，r＝10cm，h＝10cm。相邻的两个球形电池单元的夹角为222.5°。螺旋线绕中心轴转13圈，球形太阳电池单元排列21个。具体方案如图5所示。

Claims (10)

1.球型薄膜太阳电池，薄膜电池的底电极和上电极都采用透明导电薄膜，其特征在于：所述薄膜电池以玻璃球为基底制备薄膜太阳电池。

2.权利要求1所述的球型薄膜太阳电池，其特征在于：所述玻璃球的透过率在90％以上。

3.权利要求2所述的球型薄膜太阳电池，其特征在于：所述玻璃球采用的玻璃为纳钙玻璃、白玻璃或镀有增透膜的玻璃。

4.权利要求1所述的球型薄膜太阳电池，其特征在于：所述薄膜太阳电池从里到外依次为：玻璃球、底电极、硅基单结电池NIP结构或硅基叠层电池结构、上电极、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和半球型玻璃。

5.权利要求4所述的球型薄膜太阳电池，其特征在于：底电极和上电极的厚度为30～60nm；硅基单结电池NIP结构中N层厚度在10～20纳米，I层厚度在200～1000纳米，P层厚度在10～20纳米；硅基薄膜叠层电池结构为非晶硅/纳米硅叠层电池、纳米硅/纳米硅叠层电池或非晶硅/微晶硅叠层电池；其中非晶硅/纳米硅叠层电池中：非晶硅顶电池的N层厚度在10～20纳米，I层厚度在200～350纳米，P层厚度在10～20纳米；纳米硅底电池N层厚度在10～20纳米，I层厚度在400～600纳米，P层厚度在10～20纳米；纳米硅/纳米硅叠层电池中：纳米硅顶电池的N层厚度在10～20纳米，I层厚度在300～500纳米，P层厚度在10～20纳米，纳米硅底电池N层厚度在10～20纳米，I层厚度在400～600纳米，P层厚度在10～20纳米；非晶硅/微晶硅叠层电池：非晶硅顶电池的N层厚度在10～20纳米，I层厚度在200～350纳米，P层厚度在10～20纳米；微晶硅底电池N层厚度在10～20纳米，I层厚度在800～1200纳米，P层厚度在10～20纳米。

6.权利要求1所述的球型薄膜太阳电池，其特征在于：所述透明导电薄膜为掺In的SnO₂(ITO)薄膜或掺铝氧化锌(AZO)薄膜。

7.权利要求1所述的球型薄膜太阳电池按照菲波纳契螺旋叶序排列构成的空间排列组，相邻的两个球形电池单元的夹角为222.5°。

8.权利要求1所述的球型薄膜太阳电池的制备方法，包括玻璃球的清洗、利用溅射方法制备透明底电极、利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜NIP单结电池或硅基叠层电池、界面缺陷的处理、和使用EVA和玻璃封装共5个步骤，其特征在于：利用溅射方法制备透明底电极、上电极，和利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜NIP单结电池或硅基叠层电池时，将玻璃球置于样品台上，玻璃球自转的同时，样品台进行公转，保证沉积薄膜的均匀性。

9.权利要求6所述的球型薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：利用溅射方法制备透明底电极和上电极时，样品台公转速率是5～10转/分钟，自转速率是10～30转/分钟。

10.权利要求6所述的球型薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：利用PECVD方法在底电极上制备硅基薄膜时，样品台公转速率是5～10转/分钟，自转速率是10～30转/分钟。

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