CN102024857A - 薄膜太阳能电池背电极 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决现有技术中薄膜太阳能电池背电极电导率不高，稳定性差在使用中反射能力下降的不足，公开了一种薄膜太阳能电池背电极，其是由下列五层薄膜组成的复合层，依次为第一Y:ZNO层、第一Ag层、第二Y:ZNO层、第二Ag层和X层，所述第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层均为掺杂了3价元素的ZnO薄膜层，其中3价元素的掺杂量(重量百分比)小于等于15％而大于0，第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层的厚度均大于0nm小于等于50nm，所述的X层为金属薄膜层，所述第二银层的厚度大于第一银层，采用本发明技术方案的薄膜太阳能电池背电极电导率高，反射能力稳定。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池领域，特别涉及薄膜太阳能电池背电极。
背景技术
背电极对于非晶硅、微晶硅、纳米硅、硅锗薄膜以及上述薄膜的叠层结构薄膜电池等薄膜太阳能电池的性能影响至关重要，要求背电极首先具有良好的电学性能，对薄膜太阳能电池产生的电能进行良好输运，还要求其具有良好的捕获弱光的能力，背电极通过把未吸收的长波光线反射回太阳能电池中进行再吸收，以此来增加对太阳光的利用率。薄膜太阳能电池一般使用SnO2、ITO、ZnO等透明导电氧化物作为电池的前电极，而使用反光的金属薄膜作为背电极，一方面作为电池电极，另一方面反射未被薄膜本体层完全吸收的光来增加薄膜太阳能电池的转化效率，现有技术中一般采用TCO(透明导电氧化物薄膜)及金属的复合背电极如ZnO/Ag、ZnO/Al，ZnO/Cu，ZnO/Mo等作为薄膜太阳能电池的背电极，这样的薄膜太阳能电池具有反射率高的优点，能够更加充分利用进入薄膜太阳能电池的光，但是也存在比较明显的缺点：由于TCO是一种半导体薄膜，其导电率并不高，因而一般需在其中掺杂其他元素提高TCO薄膜的电导率；厚的金属层会导致明显的分流，并且随着时间的推移，金属会失去本身的光泽导致反射能力下降，而TCO层电导率不高会导致电极与薄膜电池之间接触不够好，TCO/M层(M为金属)反射能力下降会不利于充分利用太阳光，这对于薄膜太阳能电池都是不利的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有薄膜太阳能电池背电极电导率不高，稳定性差，在使用中反射能力下降的不足，提供一种新型薄膜太阳能电池背电极，它不仅能显著提高薄膜太阳能电池背电极的导电能力，而且可获得良好的室外稳定性，获得稳定的反射率。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种薄膜太阳能电池背电极，其是由下列五层薄膜组成的复合层，依次为第一Y:ZNO层、第一Ag层、第二Y:ZNO层、第二Ag层和X层，所述第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层均为掺杂了3价元素的ZnO薄膜层，其中3价元素的掺杂量(重量百分比)小于等于15％而大于0，第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层的厚度均大于0nm小于等于50nm，所述的X层为金属薄膜层，所述第二Ag层的厚度大于第一Ag层。
所述第一Ag层的厚度小于等于20nm大于0nm，所述第二Ag层的厚度大于等于150nm；
所述的Y:ZNO层厚度小于等于40nm大于等于20nm；
所述的第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层中3价元素的掺杂量(重量百分比)均为0.5％-15％；
所述的3价元素为In、Ga、Al元素中的一种；
所述的第一Ag层的厚度为4nm-20nm；
所述的第一Ag层的厚度为10nm；
所述的第二Ag层的厚度为150nm-300nm；
所述的第二Ag层的厚度为150nm-250nm；
所述的金属薄膜层是不易被空气氧化且导电性好的金属薄膜层；
所述的金属薄膜层为Ti、Ni、Al金属薄膜层中的一种；
所述的金属薄膜层的厚度为10nm-30nm。
本发明薄膜太阳能电池背电极采用具有Y:ZNO/Ag/Y:ZNO/Ag/X五层结构的复合层，其中Y:ZNO为掺杂了3价元素的ZnO薄膜，可提高背电极的导电率，X层为Ti、Ni、Al等导电率较好在环境中较稳定的金属制成的金属薄膜层中的一种，其对与其相邻的Ag薄膜起保护作用，可防止背电极反射能力下降；复合层背电极采用Y:ZNO/Ag/Y:ZNO/Ag/X五层结构可改善银电极与薄膜之间的接触，提高背电极导电能力及稳定性，直接表现为薄膜太阳能电池短路电流提升、电池衰减率减少，电池发电性能提升，并可获得良好的户外使用稳定性，便于在大面积光伏模板中实施。根据大面积单体及复合薄膜沉积的测试，本发明结构与ZnO/Ag结构相比，相对于单独的ZnO薄膜，Y:ZNO/Ag/Y:ZNO复合薄膜的电导率更高，透过率也维持在较高的水平。在1400mm×1100mm玻璃衬底上采用相同的磁控溅射设备分别沉积同样厚度的ZnO薄膜及Y:ZNO/Ag/Y:ZNO复合薄膜，Y:ZNO/Ag/Y:ZNO复合薄膜的方块电阻为100Ω/□以内，而ZnO薄膜的方块电阻则为3000Ω/□左右。
附图说明
图1是本发明薄膜太阳能电池背电极的结构示意图。
附图标记说明：1-第一Y:ZNO层2-第一Ag层3-第二Ag层
4-X层5-第二Y:ZNO层
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述：
如图1所示，本发明薄膜太阳能电池背电极包括如下五层固定连接的结构：依次为第一GZO层1、Ag层、第二GZO层5、Ag层、X层4，其中第一GZO层和第二GZO层均为掺杂了Ga元素的ZnO薄膜层，Ga元素的掺杂率为小于等于15％，X层4为Ti、Ni、Al等导电率较好且在环境中较稳定的金属中的一种制成的薄膜层，Ag层为薄膜层，位于第一GZO层1和第二GZO层5间的Ag层为第一Ag层2，位于第二GZO层5及X层4间的Ag层为第二Ag层3，第一Ag层2比第二Ag层3薄。
为了提高掺Ga的ZnO薄膜的电导率，并且维持较高的透过率，Ga元素的掺杂量为0.5％-15％。
第一GZO层和第二GZO层的厚度均大于0nm小于等于50nm，较好为不超过40nm，最好为40nm。
第一Ag层的厚度不超过20nm，较好在5-20nm之间，最好为10nm，因为厚度为10nm的Ag薄膜层能够保证GZO/Ag/GZO薄膜层具有良好的电导率，并且其透过率也维持在较高水平，第一Ag层的主要作用为增加GZO/Ag/GZO复合层的电导率，改善GZO/Ag/GZO复合层与第二Ag层的电学接触。
本背电极的主要电极层为第二Ag层，其厚度应大于等于150nm，较好为150nm-300nm，更好为150nm-250nm，第二Ag层的主要作用是提高电池短路电流密度，得到的电池的短路电流密度值越大，说明第二Ag层厚度越合适。
X层为导电率较好在环境中较稳定不易被氧化的金属薄膜层，其可以是Ti金属薄膜层或Ni金属薄膜层或Al金属薄膜层等，其对与其相邻的第二Ag层起保护作用，提高薄膜太阳能电池背电极的稳定性，获得稳定的反射率，提高电池在室外环境下的耐候性，减少电池性能在室外的快速衰减，其厚度为10nm-30nm之间。使用时由位于表层的GZO层与太阳能薄膜电池的发电层相连接。
对于GZO/Ag/GZO/Ag/Ti多层复合电极，Ga作为掺杂杂质在ZnO薄膜中的作用是取代锌原子，提供输运电量的电子。其取代机理为：Ga为3价金属原子，1个Ga原子离化后将提供3个电子；Zn为2价金属原子，1个Zn原子离化后将提供2个电子；Ga原子取代Zn原子后，将多出一个电子，参与电能的输运，从而提高了氧化锌薄膜的导电性能。因此，3价元素中除Ga为之外，其它的3价元素如Al、In等掺入ZnO薄膜后，也会产生类似的取代作用，提供多余的导电电子，从而提高ZnO的导电性能，因此同类的Y:ZNO(Y:ZNO为掺杂3价元素的ZnO)具有类似的光电性能，可应用在本发明中。
对于多层复合电极，其电阻率可按下述公式求得：
1/R＝1/R1+1/R2+1/R3+1/R4+1/R5
其中R为多层复合电极的电阻率，R1、R2、R3、R4、R5分别为图一结构中“1”层的电阻、“2”层的电阻、“3”层的电阻、“4”层的电阻、“5”层的电阻。
由公式可以看出，R《Ri(i＝1，2，3，4，5)，即多层背电极的电阻率小于任何单层背电极的电阻率。
本发明背电极的Y:ZNO层中，ZNO可用其它的透明导电氧化物(TCO)代替，如SnO2及ITO等。
本发明中所述的背电极Metal层不限于Ag层，也适用于具有类似性质的其它金属如Al及Cu等金属中。
下面结合具体的实施例分别对Y:ZNO/Ag/Y:ZNO/Ag/X复合层结构中的不同功能层进行分别说明。
制作时，使用磁控溅射设备或热蒸发设备将复合层背电极的各层沉积结合在一起，或用热镀设备将各层镀在一起。
1、Y:ZNO/Ag/Y:ZNO复合层的方块电阻和光透过率与现有技术中GZO层的方块电阻和光透过率比较：
利用直流磁控溅射设备在玻璃衬底上制备GZO/Ag/GZO复合层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％。不同厚度的GZO层及不同厚度的第一Ag层的方块电阻和光透过率见表1。
对照例1：利用直流磁控溅射设备在玻璃衬底上制备GZO层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％。制得的GZO层厚度为90nm，沉积后得到的GZO方阻为2600Ω/□，580nm处光透过率为93％。
表1：GZO层及第一Ag层的厚度不同时GZO/Ag/GZO复合层的方块电阻和光透过率表
从表1中可看出，其与对照例相比，当GZO层的厚度在0-40nm、第一Ag层厚度在4nm-20nm方块电阻明显减小，透光率变化不大。当GZO/Ag/GZO复合层中GZO层及Ag层厚度组合为40/10/40时，背电极的光电综合性能最优。
2、电池短路电流密度随第二Ag层厚度的变化而变化的关系。
首先利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结非晶硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag/GZO/Ag/Ti复合背电极层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％，Ti靶材纯度为99.9％。沉积后得到的GZO/Ag/GZO的复合背电极中，第一、第二GZO膜层厚度为40nm，第一Ag的膜层厚度为10nm，金属层Ti的厚度为20nm，第二Ag层厚度不同将获得不同的电池短路电流，如表2所示。
表2：当其它薄膜层不变时，第二Ag层厚度不同时，非晶硅薄膜电池的短路电流密度变化表
| 第二Ag层厚度(nm) | 短路电流Isc(mA/cm2) |
| 100 | 6.5 |
| 180 | 7.2 |
| 210 | 9 |
| 250 | 8.8 |
3、Y:ZNO/Ag/Y:ZNO/Ag/X复合层背电极中X层可提高电池在室外环境下的耐候性，减少电池性能在室外的快速衰减，如表3所示。
首先利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结非晶硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag/GZO/Ag/X复合背电极层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％，X为金属层Ti、Al、Ni金属，X的靶材纯度为99.99％。
表3：当金属层分别为不同厚度的Ti、Ni、Al金属薄膜层时，电池户外晒1000小时后电池衰减率表
得到的非晶硅电池的衰减率越小，说明金属层X层厚度越合适。从表3得知，当金属层X层厚度达到20nm时，和X层厚度的进一步增加相比，电池的性能下降率基本保持不变，因而20nm左右是金属层X层一个合适的厚度。
对照例2
制作时，首先利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结非晶硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag背电极层，其中GZO靶材纯度为99.9％。制得的单结微晶硅薄膜电池的短路电流密度为8.1mA/cm2，非晶硅薄膜电池的衰减率为18％。
4、Ga元素掺杂量对背电极的GZO/Ag/GZO复合层的性能的影响：
表4、Ga元素掺杂量对背电极的GZO/Ag/GZO复合层的性能的影响：
| Ga掺杂量(％) | 方块电阻(Ω/□) | 580nm波段光透过率(％) |
| 0.5 | 2.0 | 90.0 |
| 4 | 1.8 | 89.4 |
| 8 | 1.6 | 87.6 |
| 12 | 1.5 | 86.2 |
| 15 | 1.4 | 85.0 |
注：上述数据是GZO/Ag/GZO复合层各层厚度分别为40nm/10nm/40nm的情况下测试的结果。
由上述数据可看出，当GZO/Ag/GZO复合层的厚度一定时，随Ga元素掺杂量的增加，复合层的方块电阻逐步下降，但同时在可见光波段(选取波长为580nm的光为参照可见光)透过率逐步下降。
由于3价元素在本发明中具有相同或相近的光电性能，因此上述结果同样试用于其它3价元素。
实施例1
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结微晶硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag/GZO/Ag/Ti复合背电极层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％，Ti靶材纯度为99.99％。沉积后得到的GZO/Ag/GZO/Ag/Ti的复合背电极各层厚度分别为40nm/10nm/40nm/210nm/20nm。制得的单结微晶硅薄膜电池的短路电流密度达到10.3mA/cm2，微晶硅电池衰减率为10％。
实施例1的对照例：
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结微晶硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag背电极层，其中GZO靶材纯度为99.9％，Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％。制得的单结微晶硅薄膜电池的短路电流密度为9.8mA/cm2，微晶硅薄膜电池的衰减率为15％。
实施例2
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结纳米硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag/GZO/Ag/Ti复合背电极层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％，Ti靶材纯度为99.99％。沉积后得到的GZO/Ag/GZO/Ag/Ti的复合背电极各层厚度分别为40nm/10nm/40nm/210nm/20nm。制得的单结纳米硅薄膜电池的短路电流密度达到6.1mA/cm2，纳米硅薄膜电池的衰减率为10％。
实施例2的对照例：
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结纳米硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag背电极层，其中GZO靶材纯度为99.9％。制得的单结纳米硅薄膜电池的短路电流密度为5mA/cm2，纳米硅薄膜电池的衰减率为14％。
实施例3
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结非晶硅锗薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag/GZO/Ag/Ti复合背电极层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％，Ti靶材纯度为99.99％。沉积后得到的GZO/Ag/GZO/Ag/Ti的复合背电极各层厚度分别为40nm/10nm/40nm/210nm/20nm。制得的单结非晶硅锗薄膜电池的短路电流密度达到7.5mA/cm2，非晶硅锗薄膜电池的衰减率为20％。
实施例3的对照例：
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结非晶硅锗薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag背电极层，其中GZO靶材纯度为99.9％。制得的非晶硅锗单结电池的短路电流密度为6.4mA/cm2，非晶硅锗薄膜电池的衰减率为26％。
实施例4
利用PECVD设备在导电玻璃上制备单结非晶硅薄膜电池的pin结构，然后在pin的基础上利用直流磁控溅射设备制备GZO/Ag/GZO/Ag/Ti复合背电极层。其中GZO靶材纯度为99.9％、Ga元素掺杂量0.6％，Ag靶材纯度为99.99％，Ti靶材纯度为99.99％。沉积后得到的沉积后得到的GZO/Ag/GZO/Ag/Ti的复合背电极各层厚度分别为40nm/10nm/40nm/210nm/20nm，制得的单结非晶硅薄膜电池的短路电流密度达到9mA/cm2，非晶硅锗薄膜电池的衰减率为17％。
本发明所述的背电极中的所有膜层都可以在同一台溅射设备中大面积高速形成，从而可实现高产量。
Claims (10)
1.一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：其是由下列五层薄膜组成的复合层，依次为第一Y:ZNO层、第一Ag层、第二Y:ZNO层、第二Ag层和X层，所述第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层均为掺杂了3价元素的ZnO薄膜层，其中3价元素的掺杂量(重量百分比)小于等于15％而大于0，第一Y:ZNO层和第二Y:ZNO层的厚度均大于0nm小于等于50nm，所述的X层为金属薄膜层，所述第二Ag层的厚度大于第一Ag层。
2.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述第一Ag层的厚度小于等于20nm大于0nm，所述第二Ag层的厚度大于等于150nm
3.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的Y:ZNO层厚度小于等于40nm大于等于20nm。
4.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的Y:ZNO层中3价元素元素的掺杂量(重量百分比)为0.5％-15％。
5.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的3价元素为In、Ga、Al元素中的一种。
6.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的第一Ag层的厚度为4nm-20nm。
7.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的第二Ag层的厚度为150nm-300nm。
8.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：金属薄膜层是不易被空气氧化且导电性好的金属薄膜层。
9.如权利要求1或10所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的金属薄膜层为Ti、Ni、Al中的一种金属薄膜层。
10.如权利要求1或10所述的一种薄膜太阳能电池背电极，其特征在于：所述的金属层薄膜层的厚度为10nm-30nm。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120118 Termination date: 20211028 |