CN102117860B - 三结叠层太阳能薄膜电池及其制备方法 - Google Patents

三结叠层太阳能薄膜电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三结叠层太阳能薄膜电池及其制备方法，该三结叠层太阳能薄膜电池包括顶电池、中间电池和底电池，各电池分别包括P型掺杂层、本征层和N型掺杂层，其中，顶电池的本征层为晶粒尺寸为2-10纳米以及晶化率为10-20％的本征纳米硅薄膜。上述三结叠层太阳能薄膜电池的制备方法中，形成顶电池本征层时，在硼掺杂非晶硅碳层上，采用硅烷浓度为1-5％的硅烷和氢气的混合气体，在1.0-1.5Torr的沉积气压、180-220℃的沉积温度以及15-30W的辉光功率下，沉积本征纳米硅薄膜。通过本发明，能提高顶电池的带隙宽度，扩大太阳能薄膜电池的光谱吸收范围，克服S-W效应，从而提高光电转化效率。

Description

三结叠层太阳能薄膜电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池技术，尤其涉及一种三结叠层太阳能薄膜电池及其制备方法。
背景技术
目前，随着能源供应的紧张，将太阳能直接转换成电能的太阳能电池越来越受到人们的关注。
常用的太阳能电池按照材料分类大致包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多元化合物太阳能电池等。其中，非晶硅太阳能电池与单晶硅和多晶硅太阳能电池相比，制造工艺大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，在弱光条件也能发电。
图1是现有技术的非晶硅单结太阳能薄膜电池的结构示意图，如图1所示，该太阳能薄膜电池依次包括透明基板1、透明导电膜2、P型掺杂层30、本征非晶硅薄膜31a、N型掺杂层32、背反射电极6和金属背电极7，因此形成了没有添加杂质的本征(intrinsic)非晶硅薄膜31a被夹在P型掺杂层30和N型掺杂层32之间的PIN结构。
上述以非晶硅作为本征层的薄膜电池，由于其带隙宽度为1.7电子伏(eV)，因此只能吸收400-800纳米(nm)波长的太阳光，电池的光电转化效率一般为6-8％。此外，其存在所谓的光致衰退(Staebler-Wronski，简称S-W)效应，使得电池的光电转化效率会随着光照时间的延续而衰减。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能薄膜电池，叠层太阳能薄膜电池是在已制备的PIN结构的单结太阳能薄膜电池上再沉积一个或多个PIN结构的子电池而制成。
图2是现有技术的非晶硅/微晶硅双结叠层太阳能薄膜电池的结构示意图，如图2所示，该太阳能薄膜电池依次包括透明基板1、透明导电膜2、PIN结构的顶电池3、PIN结构的底电池5、背反射电极6和金属背电极7。其中，顶电池3包括P型掺杂层30、本征非晶硅薄膜31a和N型掺杂层32；底电池5包括P型掺杂层30、本征微晶硅薄膜31c和N型掺杂层32。上述底电池5的本征微晶硅薄膜31c的带隙宽度为1.1eV，因此太阳能薄膜电池的光谱吸收范围扩展到1100nm，同时光电转化效率为8-12％。
为了进一步提高太阳能薄膜电池的性能，现有技术还提供有三结叠层太阳能薄膜电池。图3是现有技术的非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层太阳能薄膜电池的结构示意图，如图3所示，该太阳能薄膜电池依次包括透明基板1、透明导电膜2、PIN结构的顶电池3、PIN结构的中间电池4、PIN结构的底电池5、背反射电极6和金属背电极7，其中顶电池3包括P型掺杂层30、本征非晶硅薄膜31a和N型掺杂层32，中间电池4包括P型掺杂层30、本征非晶硅锗薄膜31b和N型掺杂层32，底电池5包括P型掺杂层30、本征微晶硅薄膜31c和N型掺杂层32，其中本征非晶硅薄膜31a、本征非晶硅锗薄膜31b和本征微晶硅薄膜31c的带隙宽度分别为1.7ev、1.45ev和1.1eV，从太阳光的入射方向依次减少，从而扩大了太阳能薄膜电池的光谱吸收范围，提高了光电转化效率。
综上，顶电池、中间电池和底电池的PIN结构都可以归结为包括P型掺杂层、本征层和N型掺杂层，具体采用不同的材料制备而成。
但是，发明人在进行本发明的研究过程中发现现有技术中存在如下缺陷：传统的以非晶硅作为顶电池本征层时，由于其带隙宽度只有1.7ev，因此吸收光的波长主要集中在400-800nm，对于小于400nm波长的光吸收的非常少，使太阳能薄膜电池无法实现宽谱吸收，同时因非晶硅容易产生S-W效应，从而降低太阳能薄膜电池的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种三结叠层太阳能薄膜电池及其制备方法，以便提高顶电池的带隙宽度，扩大太阳能薄膜电池的光谱吸收范围，克服光衰效应，从而提高光电转化效率。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种三结叠层太阳能薄膜电池，包括顶电池、中间电池和底电池，分别包括P型掺杂层、本征层和N型掺杂层，其中：
所述顶电池的本征层为晶粒尺寸为2-10纳米以及晶化率为10-20％的本征纳米硅薄膜。
本发明实施例还提供一种三结叠层太阳能薄膜电池制备方法，包括在透明基板上依次形成透明导电膜、顶电池、中间电池、底电池、背反射电极和金属背电极的流程，其中，所述形成顶电池的流程包括：
在所述透明导电膜上沉积硼掺杂非晶硅碳层；
在所述硼掺杂非晶硅碳层上，采用硅烷浓度为1-5％的硅烷和氢气的混合气体，在1.0-1.5托的沉积气压、180-220℃的沉积温度以及15-30瓦的辉光功率下，沉积本征纳米硅薄膜，其中，所述本征纳米硅薄膜的晶粒尺寸为2-10纳米，晶化率为10-20％；
在所述本征纳米硅薄膜上沉积磷掺杂纳米硅层。
由以上技术方案可知，本发明将一定晶粒尺寸和晶化率的纳米硅作为顶电池的本征层，提高了顶电池的带隙宽度，扩大了太阳能薄膜电池的光谱吸收范围，同时克服了S-W效应，从而提高了光电转化效率。
附图说明
图1为现有技术的非晶硅单结太阳能薄膜电池的结构示意图。
图2为现有技术的非晶硅/微晶硅双结叠层太阳能薄膜电池的结构示意图。
图3为现有技术的非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层太阳能薄膜电池的结构示意图。
图4为本发明实施例一提供的三结叠层太阳能薄膜电池的结构示意图。
图5为本发明实施例二提供的三结叠层太阳能薄膜电池制备方法中形成顶电池的流程图。
图中：
1-透明基板                2-透明导电膜
3-顶电池                  4-中间电池
5-底电池                  6-背反射电极
7-金属背电极              30-P型掺杂层
31-本征层                 32-N型掺杂层
30a-硼掺杂非晶硅碳层      30b-硼掺杂微晶硅碳层
30c-硼掺杂微晶硅层        32a-磷掺杂纳米硅层
32b-磷掺杂微晶硅层        32c-磷掺杂非晶硅层
31a-本征非晶硅薄膜        31b-本征非晶硅锗薄膜
31c-本征微晶硅薄膜        31d-本征纳米硅薄膜
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图4为本发明实施例一提供的三结叠层太阳能薄膜电池的结构示意图，从图中可以看出，该三结叠层太阳能薄膜电池，包括顶电池3、中间电池4和底电池5，分别包括P型掺杂层、本征层和N型掺杂层，其中，
顶电池3的本征层为晶粒尺寸为2-10内米(nm)以及晶化率为10-20％的本征纳米硅薄膜31d。
本发明将晶粒尺寸为2-10nm、晶化率为10-20％的纳米硅作为顶电池3的本征层，即本征纳米硅薄膜31d。因此使顶电池3的带隙宽度提高到1.8-2.0ev，使太阳能薄膜电池充分吸收波长小于400nm的光谱，同时由于纳米硅具有更高的稳定性，因此克服了非晶硅的S-W效应，从而提高了光电转化效率。
在本实施例中，优选的是顶电池3的本征纳米硅薄膜31d厚度为270-330nm，更佳为300nm。
在本实施例中，优选的是中间电池4的本征层为本征非晶硅锗薄膜31b，底电池5的本征层为本征微晶硅薄膜31c，并且本征非晶硅锗薄膜31b的厚度较佳为470-520nm，更佳为500nm，本征微晶硅薄膜31c的厚度较佳为1500-2000nm，更佳为1800nm。上述本征微晶硅薄膜31c的晶化率较佳为50-60％。在本发明中，中间电池4和底电池5的本征层并不仅限于使用上述材料，也可以选用其它非晶硅、微晶硅或纳米硅材料，只要满足其带隙宽度小于顶电池3并依次降低的要求即可。
上述顶电池3的P型掺杂层为硼掺杂非晶硅碳层30a，顶电池3的N型掺杂层为磷掺杂纳米硅层32a，并且硼掺杂非晶硅碳层30a的厚度较佳为13-18nm，更佳为15nm，磷掺杂纳米硅层32a的厚度较佳为20-35nm，更佳为30nm。
上述中间电池4的P型掺杂层为硼掺杂微晶硅碳层30b，中间电池4的N型掺杂层为磷掺杂微晶硅层32b，并且优选的是在中间电池4的本征非晶硅锗薄膜31b和磷掺杂微晶硅层32b之间，还包括磷掺杂非晶硅层32c；其中，硼掺杂微晶硅碳层30b的厚度较佳为25-35nm，更佳为30nm，磷掺杂非晶硅层32c和磷掺杂微晶硅层32b的总厚度较佳为25-35nm，更佳为30nm。
上述底电池5的P型掺杂层为硼掺杂微晶硅层30c，底电池的N型掺杂层为磷掺杂非晶硅层32c，硼掺杂微晶硅层30c的厚度为25-35nm，磷掺杂非晶硅层32c的厚度为25-30nm。
本发明，在顶电池3与中间电池4之间采用了具有高电导率的N型磷掺杂纳米硅层32a和P型硼掺杂微晶硅碳层30b，在中间电池4与底电池5之间采用了双N层(N型磷掺杂非晶硅层32c和N型磷掺杂微晶硅层32b)和P型硼掺杂微晶硅层30c的结构，从而使叠层电池之间有较好的隧穿特性，提高了太阳能薄膜电池的开路电压，改善了太阳能薄膜电池的性能。
在本发明中，顶电池、中间电池和底电池的P型硼掺杂硅层和N型磷掺杂硅层并不限于使用上述材料，也可以选用具有优良的光电特性的其它非晶硅、微晶硅或纳米硅材料。
实施例二
本实施例提供三结叠层太阳能薄膜电池制备方法，该方法包括在透明基板上依次形成透明导电膜、顶电池、中间电池、底电池、背反射电极和金属背电极的流程。图5为本发明实施例二提供的三结叠层太阳能薄膜电池制备方法中形成顶电池的流程图，从图5中可以看出，形成顶电池的流程包括：
步骤100、在透明导电膜上沉积硼掺杂非晶硅碳层；
步骤200、在硼掺杂非晶硅碳层上，采用硅烷浓度为1-5％的硅烷和氢气的混合气体，在1.0-1.5托(Torr)的沉积气压、180-220℃的沉积温度以及15-30W的辉光功率下，沉积本征纳米硅薄膜，其中，本征纳米硅薄膜的晶粒尺寸为2-10纳米，晶化率为10-20％；
步骤300、在本征纳米硅薄膜上沉积磷掺杂纳米硅层。
本发明在形成顶电池本征层时，通过控制硅烷和氢气的混合气体的硅烷浓度、沉积气压、沉积温度以及辉光功率，获得了带隙宽度可达到1.8-2.0ev的本征纳米硅薄膜，从而使太阳能薄膜电池充分吸收波长小于400nm的光谱，同时克服了S-W效应，从而提高了光电转化效率。
根据中间电池和底电池的不同结构，其具体形成流程可以有多种，典型的一种情况是形成中间电池的流程包括：
在顶电池上依次沉积硼掺杂微晶硅碳层、本征非晶硅锗薄膜和磷掺杂微晶硅层。
并且，优选的是在沉积磷掺杂微晶硅层之前还可以包括：在本征非晶硅锗薄膜上，沉积磷掺杂非晶硅层的步骤。通过加入该磷掺杂非晶硅层，可以使叠层电池之间有较好的隧穿特性，提高了太阳能薄膜电池的开路电压，改善了太阳能薄膜电池的性能。
上述形成底电池的流程包括：在中间电池上依次沉积硼掺杂微晶硅层、本征微晶硅薄膜和磷掺杂非晶硅层。
在本实施例中，将顶电池本征层的带隙宽度提高到1.8-2.0ev的基础上，使中间电池包含带隙宽度能达到1.45ev的本征层，以及使底电池包含带隙宽度能达到1.1-1.2ev的本征层，从而能使三结叠层太阳能薄膜电池充分吸收并利用400nm以下的太阳光和400-1100nm之间的太阳光。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种三结叠层太阳能薄膜电池，包括顶电池、中间电池和底电池，分别包括P型掺杂层、本征层和N型掺杂层，其特征在于：
所述顶电池、中间电池和底电池的带隙宽度依次降低，所述顶电池的带隙宽度为1.8-2.0ev；
所述顶电池的本征层为晶粒尺寸为2-10纳米以及晶化率为10-20％的本征纳米硅薄膜；
所述顶电池的P型掺杂层为硼掺杂非晶硅碳层，所述顶电池的N型掺杂层为磷掺杂纳米硅层；
所述硼掺杂非晶硅碳层的厚度为13-18纳米，所述磷掺杂纳米硅层的厚度为20-35纳米。
2.根据权利要求1所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述中间电池的本征层为本征非晶硅锗薄膜，所述底电池的本征层为本征微晶硅薄膜。
3.根据权利要求2所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述本征纳米硅薄膜的厚度为270-330纳米，所述本征非晶硅锗薄膜的厚度为470-520纳米，所述本征微晶硅薄膜的厚度为1500-2000纳米。
4.根据权利要求2所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述本征微晶硅薄膜的晶化率为50-60％。
5.根据权利要求2所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述中间电池的P型掺杂层为硼掺杂微晶硅碳层，所述中间电池的N型掺杂层为磷掺杂微晶硅层。
6.根据权利要求5所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
在所述本征非晶硅锗薄膜和磷掺杂微晶硅层之间，还包括磷掺杂非晶硅层。
7.根据权利要求6所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述硼掺杂微晶硅碳层的厚度为25-35纳米，所述磷掺杂非晶硅层和磷掺杂微晶硅层的总厚度为25-35纳米。
8.根据权利要求2所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述底电池的P型掺杂层为硼掺杂微晶硅层，所述底电池的N型掺杂层为磷掺杂非晶硅层。
9.根据权利要求8所述的三结叠层太阳能薄膜电池，其特征在于：
所述硼掺杂微晶硅层的厚度为25-35纳米，所述磷掺杂非晶硅层的厚度为25-30纳米。
10.一种三结叠层太阳能薄膜电池制备方法，包括在透明基板上依次形成透明导电膜、顶电池、中间电池、底电池、背反射电极和金属背电极的流程，其特征在于，所述顶电池、中间电池和底电池的带隙宽度依次降低，所述顶电池的带隙宽度为1.8-2.0ev；
所述形成顶电池的流程包括：
在所述透明导电膜上沉积硼掺杂非晶硅碳层；
在所述硼掺杂非晶硅碳层上，采用硅烷浓度为1-5％的硅烷和氢气的混合气体，在1.0-1.5托的沉积气压、180-220℃的沉积温度以及15-30瓦的辉光功率下，沉积本征纳米硅薄膜，其中，所述本征纳米硅薄膜的晶粒尺寸为2-10纳米，晶化率为10-20％；
在所述本征纳米硅薄膜上沉积磷掺杂纳米硅层。
11.根据权利要求10所述的三结叠层太阳能薄膜电池制备方法，其特征在于，所述形成中间电池的流程包括：
在所述顶电池上依次沉积硼掺杂微晶硅碳层、本征非晶硅锗薄膜和磷掺杂微晶硅层。
12.根据权利要求11所述的三结叠层太阳能薄膜电池制备方法，其特征在于，在所述沉积磷掺杂微晶硅层之前还包括：
在所述本征非晶硅锗薄膜上沉积磷掺杂非晶硅层。
13.根据权利要求10或11或12所述的三结叠层太阳能薄膜电池制备方法，其特征在于，所述形成底电池的流程包括：
在所述中间电池上依次沉积硼掺杂微晶硅层、本征微晶硅薄膜和磷掺杂非晶硅层。
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