CN102104085A - 一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法，电池结构为减反射膜/玻璃/TCO/p/i/n/TCO/Al，通过在光伏玻璃上采用溶胶凝胶的方法制备一层减反射膜，与电池的前电极TCO薄膜相结合获得双层减反的效果，使得太阳电池对入射光的吸收增强，有利于提高太阳电池的光电转换效率；另外，本发明采用的方法简单易行，可在大面积上获得性质均匀的减反射膜，有利于在产业化的硅基薄膜太阳电池的生产中获得应用。

Description

一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法

技术领域：

本发明属于太阳能光伏技术领域，涉及太阳能电池，特别是一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法。

背景技术：

随着经济的飞速发展，人们对能源的需求量也越来越大，现代社会使用的常规能源如煤、石油和天然气，不仅储量有限而且在自然界分布不均，还存在严重的污染环境等问题，这一经济的资源载体将在21世纪中期接近枯竭，能源危机迟早会发生，因此利用可再生能源，特别是太阳能是解决问题的有效途径，其中利用光伏效应开发的太阳能电池得到了越来越广泛的研究与应用，充分开发利用太阳能已成为世界各国政府可持续发展能源的战略决策。

国际上太阳能电池的研究和生产，大致可以分为三个阶段，分别为晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池及新型太阳能电池。

第一阶段的太阳能电池以单晶硅、多晶硅太阳能电池为代表，具有较高的转换效率，目前占据主要的市场份额，但同时存在高能耗、高成本的问题，难以与传统能源相抗衡。

第二阶段的太阳能电池为薄膜太阳能电池，目前已成功研发的薄膜太阳能电池包括：硅基薄膜电池、铜铟鎵硒系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、III-V族系列薄膜电池等，其中硅基薄膜太阳电池具有成本低、可以使用玻璃和塑料等廉价衬底、易于实现大面积产业化生产等优点，成为国际上研究最多，发展最快的光伏电池之一，但是，硅基薄膜太阳电池的转换效率较低，因此，增加光吸收，提高电池的转换效率是亟待解决的问题。

我们知道，对于晶体硅而言，当光入射到裸硅电池表面时，约有三分之一的光被反射，从而使得电池对入射光的吸收减少，因此，通常在电池的迎光面上制作光学减反射膜，以保证尽可能多的光不被反射而进入太阳电池内部被吸收，用于减反射膜的材料通常有：SiO₂、TiO₂、MgF₂、SiN_x等；而对于硅基薄膜太阳电池，光线首先进入具有高透过率的玻璃衬底，通常采用的方法为在玻璃衬底上沉积一层具有高透过率的透明导电氧化物(TCO)薄膜以实现光学上增透减反的作用。但由于玻璃与空气折射率的差异，对可见光仍存在约8％的反射，因此，对于硅基薄膜太阳电池，在玻璃衬底的表面涂覆一层减反射膜，与玻璃另一面的TCO薄膜相结合，即能够达到双层减反的效果。

减反膜处于空气与玻璃两种介质之间，根据菲涅尔反射原理，需要保证减反膜的折射率大于空气的折射率(为1.0)，而小于玻璃的折射率(约为1.5)。TiO₂和SiN_x薄膜的折射率均为2.0左右，虽然可以通过改变沉积条件来减小折射率，但通常效果不够明显。MgF₂的折射率为1.38，但不易在大面积范围内获得。SiO₂薄膜的折射率为1.46，如果不加以调节，直接应用于减反射膜，不能很好地满足对光学性能的要求。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，针对目前硅基薄膜太阳电池光电转换效率较低的问题，提出一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法，以增强电池对太阳光的吸收，提高太阳电池的转换效率。

本发明实现目的的技术方案是：

一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，电池结构自上而下分别为减反射膜层、玻璃衬底层、前电极TCO层、p层、i层、n层、背电极TCO层及Al电极层，其中，减反射膜层为SiO₂薄膜，厚度在400～1000nm之间，折射率在1.1～1.4范围内可调。

而且，所述TCO层为透明导电氧化物薄膜，前电极TCO层为掺杂的SnO₂薄膜或ZnO薄膜；背电极TCO层为掺杂的ZnO薄膜；p层、i层、n层均为非晶硅、非晶硅锗、微晶硅或微晶硅锗四种材料中的一种。

而且，所述减反射膜采用溶胶凝胶的方法制备，制备方法的步骤为：

(1)用电子清洗剂清洗、去离子水冲洗玻璃衬底，并用高纯氮气吹干；

(2)以正硅酸乙酯TEOS、异丙醇IPA、去离子水为原料，HCl、NH₄OH为催化剂，配制硅溶胶；

(3)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上，并经固化处理得到具有减反射膜的光伏玻璃。

一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，步骤包括：

(1)采用溶胶凝胶法在玻璃上制备SiO₂减反射膜；

(2)采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术或溅射技术在玻璃的另一面制备前电极TCO薄膜；

(3)采用PECVD技术在前电极TCO薄膜上制备电池的掺杂层及本征层；

(4)采用LPCVD技术或溅射技术制备背电极TCO薄膜；

(5)采用蒸发或溅射技术制备Al电极。

而且，所述SiO₂减反射膜的厚度为400～1000nm，折射率在1.1～1.4范围内可调。

而且，所述SiO₂减反射膜的具体制备方法的步骤包括：

(1)在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TEOS与IPA的混合液中加入H₂O、HCl与IPA的混合液，TEOS、IPA、H₂O与HCl摩尔比为1∶x₁∶y₁∶z₁；其中x₁为1～5，y₁为0～2，z₁为0.001～0.01；

(2)将上述溶液静置2～4小时；

(3)向上述溶液中加入H₂O、NH₄OH与IPA的混合液，TOES、IPA、H₂O、HCl与NH₄OH的摩尔比为1∶x₂∶y₂∶z₁∶w₁，其中x₂＝kx₁，w₁＝kz₁(k为大于0的整数)，y₂为2～4，制成硅溶胶，通过调节y₁和y₂的值来调节溶胶的性能，从而最终获得不同折射率的薄膜；

(4)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上进行固化，固化温度为200～500℃，固化时间为10～300分钟。

而且，所述电池的面积在100mm×100mm以上。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的电池结构为减反射膜/玻璃/TCO/p/i/n/TCO/Al，通过在光伏玻璃上采用溶胶凝胶的方法制备一层减反射膜，与电池的前电极TCO薄膜相结合获得双层减反的效果，使得太阳电池对入射光的吸收增强，有利于提高太阳电池的光电转换效率。

2、本发明采用丝网印刷涂覆的方法可以在大面积上获得均匀的SiO₂薄膜，所获得的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的面积在100mm×100mm以上，有利于在产业化的硅基薄膜太阳电池的生产中获得应用。

3、本发明可获得折射率在1.1～1.4范围内连续可调的SiO₂薄膜，可以更好地满足减反射膜对光学性能的要求，减反射膜涂覆在玻璃表面，直接与空气接触，SiO₂薄膜具有良好的硬度、介电性质及耐磨、抗蚀等特性，使其满足安全方面的要求。

附图说明：

图1本发明中所述具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的结构示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，参见图1，其结构为：自上而下分别为减反射膜层、玻璃衬底层、前电极TCO层、p层、i层、n层、背电极TCO层及Al电极层。其中，减反射膜层为SiO₂薄膜，采用溶胶凝胶的方法制备，厚度在400～1000nm之间，折射率在1.1～1.4范围内可调；前电极TCO层为为掺杂的SnO₂薄膜或ZnO薄膜；背电极TCO层位掺杂的ZnO薄膜；p层、i层、n层均为非晶硅、非晶硅锗、微晶硅或微晶硅锗四种材料中的一种。

本结构同样适用于叠层硅基薄膜太阳电池。

本电池中的SiO₂薄膜的具体制备步骤包括：

(1)在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TEOS与IPA的混合液中加入H₂O、HCl与IPA的混合液，TEOS、IPA、H₂O与HCl摩尔比为1∶x1∶y1∶z1；其中x1为1～5，y1为0～2，z1为0.001～0.01；

(2)将上述溶液静置2～4小时；

(3)向上述溶液中加入H₂O、NH₄OH与IPA的混合液，TEOS、IPA、H₂O、HCl与NH₄OH的摩尔比为1∶x2∶y2∶z1∶w1，其中x2＝kx1，w1＝kz1(k为大于0的整数)，y2为2～4，制成硅溶胶，通过调节y₁和y₂的值来调节溶胶的性能，从而最终获得不同折射率的薄膜；

(4)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上进行固化，固化温度为200～500℃，固化时间为10～300分钟。

一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其步骤包括：

(1)采用溶胶凝胶法在玻璃上制备SiO₂减反射膜；具体制备步骤是：

a在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TOES与IPA的混合液中加入H₂O、HCl与IPA的混合液，TEOS、IPA、H₂O与HCl摩尔比为1∶3∶1∶0.002；

b将上述溶液静置2小时；

c向上述溶液中加入H₂O、NH₄OH与IPA的混合液，TEOS、IPA、H₂O、HCl与NH₄OH的摩尔比为1∶6∶4∶0.002∶0.004，制成硅溶胶；

d将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于玻璃上进行固化，固化温度为200℃，固化时间为180分钟。

(2)采用LPCVD技术在玻璃的另一面制备前电极TCO薄膜，制备条件为：二乙基锌(DEZn)流量：135sccm，H₂O流量：165sccm，乙硼烷(B₂H₆)的掺杂浓度：2％，反应压强：0.5mbar，衬底温度：150℃；

(3)采用PECVD技术在前电极TCO薄膜上制备电池的掺杂层及本征层，p层为掺硼的uc-Si薄膜，i层为本征a-Si薄膜，n层为掺磷的a-Si薄膜；

(4)采用溅射技术制备背电极TCO薄膜，制备条件为：ZnO靶材(Al₂O₃的掺杂浓度为1wt％)，氩气流量：300sccm，反应压强：3×10^-3mbar，室温；

(5)采用溅射技术制备Al电极，制备条件为：Al靶材(纯度：99.95％)，氩气流量：400sccm，反应压强：3×10^-3mbar，室温。

本发明未详细叙述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，其特征在于：电池结构自上而下分别为减反射膜层、玻璃衬底层、前电极TCO层、p层、i层、n层、背电极TCO层及Al电极层，其中，减反射膜层为SiO₂薄膜，厚度在400～1000nm之间，折射率在1.1～1.4范围内可调。

2.根据权利要求1所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述TCO层为透明导电氧化物薄膜，前电极TCO层为掺杂的SnO₂薄膜或ZnO薄膜；背电极TCO层为掺杂的ZnO薄膜；p层、i层、n层均为非晶硅、非晶硅锗、微晶硅或微晶硅锗四种材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述减反射膜采用溶胶凝胶的方法制备，制备方法的步骤为：

(1)用电子清洗剂清洗、去离子水冲洗玻璃衬底，并用高纯氮气吹干；

(2)以正硅酸乙酯TEOS、异丙醇IPA、去离子水为原料，HCl、NH₄OH为催化剂，配制硅溶胶；

(3)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上，并经固化处理得到具有减反射膜的光伏玻璃。

4.一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：制备方法的步骤包括：

(1)采用溶胶凝胶法在玻璃上制备SiO₂减反射膜；

(2)采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术或溅射技术在玻璃的另一面制备前电极TCO薄膜；

(3)采用PECVD技术在前电极TCO薄膜上制备电池的掺杂层及本征层；

(4)采用LPCVD技术或溅射技术制备背电极TCO薄膜；

(5)采用蒸发或溅射技术制备Al电极。

5.根据权利要求4所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述SiO₂减反射膜的厚度为400～1000nm，折射率在1.1～1.4范围内可调。

6.根据权利要求4或5所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述SiO₂减反射膜的具体制备方法的步骤包括：

(1)在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TEOS与IPA的混合液中加入H₂O、HCl与IPA的混合液，TEOS、IPA、H₂O与HCl摩尔比为1∶x₁∶y₁∶z₁；其中x₁为1～5，y₁为0～2，z₁为0.001～0.01；

(2)将上述溶液静置2～4小时；

(3)向上述溶液中加入H₂O、NH₄OH与IPA的混合液，TOES、IPA、H₂O、HCl与NH₄OH的摩尔比为1∶x₂∶y₂∶z₁∶w₁，其中x₂＝kx₁，w₁＝kz₁(k为大于0的整数)，y₂为2～4，制成硅溶胶，通过调节y₁和y₂的值来调节溶胶的性能，从而最终获得不同折射率的薄膜；

(4)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上进行固化，固化温度为200～500℃，固化时间为10～300分钟。

7.根据权利要求4所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：所述电池的面积在100mm×100mm以上。

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