CN102157596B - 一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基薄膜太阳电池,特指一种各层掺杂浓度和禁带宽度不同的势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,其结构分别为P2I2P1I1N1和P1I1N1I2N2,本发明不仅融合了叠层电池和渐变带隙薄膜电池的优点,而且相对于PIN结构,还增加了电池的I层的总厚度,为电子—空穴对的产生提供了更多的场所;增加P2和N2的作用是增强I中的势垒电场,使产生的光生载流子有足够的动能运动到电池的两级,从而增大电池的短路电流和开路电压,同时,填充因子和转换效率也得到了很大的提高,本发明不需要进行中间层及缓冲层的匹配,同时还减少了叠层电池过多的界面效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基薄膜太阳电池,特指一种各层掺杂浓度和禁带宽度不同的势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池。
背景技术
目前,硅基太阳电池主要以单晶硅、多晶硅以及薄膜硅太阳电池为主,薄膜太阳电池主要以单结的PIN结构和叠层太阳电池结构为主,其中PIN结构的单结非晶硅电池虽可吸收较多的太阳光谱,但由于非晶硅的不稳定性,电池存在S-W效应,限制了其性能的稳定性,而叠层太阳电池得到了很大的发展,以氢化非晶硅电池作为顶电池,以氢化微晶硅电池作为底电池的微晶硅非晶硅叠层电池是目前研究和应用的热点,虽然叠层太阳电池可以充分利用太阳光谱,但是需要增加吸收层的厚度,同时引入中间反射层或缓冲层来增加非晶硅本征层对光的吸收,从而增大电流,最终实现叠层电池整体性能的提高,不同的叠层电池组合,使得中间层的选择非常困难,同时制作工艺变得更加复杂,随着对硅薄膜光学性能的深入研究,人们发现可通过严格控制I层晶粒的大小和晶态成分来实现带隙的渐变,从而增大对光谱的吸收。
蔡宁,耿新华等 非晶/微晶硅叠层电池中间层的研究进展 [J].太阳能学报,2009.30(3):338-339公开了一种非晶/微晶硅叠层电池,针对不同的非晶微晶硅太阳电池,为实现其电流的匹配,需要引入中间层来改善其性能的技术方案,但是中间层要满足多个方面的技术要求,如要受到顶电池和低电池厚度及折射率的限制,以现有的技术,中间层的选择是一个很难的问题,而且给叠层电池带来了更多的界面效应。
本发明结合叠层薄膜电池和单结PIN太阳电池的特点,设计了一种势垒型半叠层太阳电池结构,这种结构不仅融合了叠层电池和渐变带隙薄膜电池的优点,而且相对于PIN结构,还增加了电池的I层的总厚度,为电子—空穴对的产生提供了更多的场所;增加P2和N2的作用是增强I中的势垒电场,使产生的光生载流子有足够的动能运动到电池的两级,从而增大电池的短路电流和开路电压,同时,填充因子和转换效率也得到了很大的提高(如图1所示),为实现电流匹配,叠层太阳电池必须在中间增加缓冲层或中间层,而本发明并不需要进行中间层及缓冲层的匹配,同时还减少了叠层电池过多的界面效应。
本发明通过调节晶化率、晶粒尺寸、薄膜中氢含量和各层的禁带宽度,来实现带隙的渐变,其结构分别为P2I2P1I1N1(如图2所示)和P1I1N1I2N2(如图3所示)。
发明内容
本发明的目的是减少叠层的界面效应和解决其匹配问题,利用具有光电转换功能的薄膜,研制出一种具有新型结构的薄膜太阳电池,即势垒型薄膜半叠层太阳电池,它具有开路电压、短路电流、转换效率及填充因子高,稳定性能好,加工工艺简单,制造成本低廉等优点。
本发明的主要原理是,对于P2I2P1I1N1结构,P2的掺杂浓度要高于P1的掺杂浓度,二者至少要相差两个数量级;对于P1I1N1I2N2结构,N2的掺杂浓度要高于N1的掺杂浓度,二者也至少要相差两个数量级,增加P2和N2的的掺杂浓度以增大电池的电势差,有助于光生载流子的收集,另外,在P1I1N1外增加一个I2层以产生更多的电子—空穴对并在相应电势差的作用下运动到电池的两级,中间P1层和N1层都是扮演双重身份,在P2I2P1I1N1结构中,P1相对于P2来说是子电池的负极,相对于N1来说是子电池的正极;在P1I1N1I2N2结构中,N1相对于N2是子电池的正极,相对于P1是子电池的负极,由于掺杂浓度不同,会使载流子朝着结的方向扩散形成渐变的电场,可分别构成两个PN结,最终实现叠层结构,有助于光生载流子的收集,从而提高太阳电池的各项性能。
一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,按入射光线的方向依次包括透明玻璃衬底、透明导电膜(TCO)、P1、I1、N1薄膜层、Al电极,其特征在于:在透明导电膜和P1薄膜层之间依次沉积有P2、I2薄膜层,在P 层的常规掺杂浓度范围内,P2的掺杂浓度比P1的掺杂浓度要大两个数量级,I2的禁带宽度大于I1的禁带宽度,I1的厚度要大于I2的厚度。
所述的P 层的常规掺杂浓度范围指3.0×1015~10×1019 cm-3。
所述的I2和I1层的禁带宽度Eg为1.6eV~1.8 eV。
所述的I1的厚度范围指在1000~1200nm,I2的厚度厚度范围指800~1000nm。
一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,按入射光线的方向依次包括透明玻璃衬底、透明导电膜(TCO)、P1、I1、N1薄膜层、Al电极,其特征在于:在N1薄膜层和Al电极之间依次沉积有I2、N2薄膜层,在N 层的常规掺杂浓度范围内,N2的掺杂浓度比N1的掺杂浓度要大两个数量级,I1的禁带宽度大于I2的禁带宽度,I2的厚度要大于I1的厚度。
所述的N 层的常规掺杂浓度范围指3.0×1015~10×1019 cm-3。
所述的I2和I1层的禁带宽度Eg为1.6eV~1.8 eV。
所述的I1的厚度范围指在800~1000nm,I2的厚度厚度范围指1000~1200nm。
本发明为解决关键性问题所采用的技术方案是根据硅薄膜制备技术,对P层和N层进行不同的掺杂,并制备不同光学带隙的本证层I,然后按照本发明设计的薄膜太阳电池结构(如图2和图3所示)来设计加工路线和加工方案,其主要加工工艺如下:
如图2所示,利用等离子体化学气相沉积方法,在绒面TCO玻璃衬底上依次制备P2、I2、P1、I1、N1薄膜层;
如图3所示,利用等离子体化学气相沉积方法,在绒面TCO玻璃衬底上依次制备P1、I1、N1、I2、N2薄膜层;
分别制备背电极;
分别进行太阳电池版刻蚀、封装等后续工艺。
本发明的优点是避免了单结PIN薄膜电池稳定性差和叠层需加入中间层或缓冲层的弊端,设计了薄膜半叠层太阳电池结构,本发明的结构可以通过P层或N层的掺杂来形成势垒,使本证层I产生的光生载流子在势垒的作用下很好的运输,减少符合,同时,不用沉积过多层,可以避免太多的界面效应,从而研制出稳定性好、转换效率和填充因子高、开路电压和短路电流特性优良的薄膜太阳电池。
附图说明
图1是本发明中的势垒型半叠层P1I1N1I2N2结构的非晶硅薄膜太阳电池与PIN非晶硅薄膜太阳电池I-V性能对比曲线图(电池厚度相同),从图中可以看出本发明的半叠层结构的太阳电池比PIN非晶硅结构有更高的转换效率及开路电压、短路电流和填充因子。
图2是本发明中的势垒型非晶硅薄膜半叠层太阳电池芯片P2I2P1I1N1结构示意图,从左到右依次为:0.透明玻璃衬底;1.TCO;2.P2层;3.I2层;4.P1层;5.I1层;6.N1层;7.Al电极;
图3是本发明中的势垒型非晶硅薄膜半叠层太阳电池芯片P1I1N1I2N2结构示意图,从左到右依次为:0.透明玻璃衬底;1.TCO;2.P1层;3.I1层;4.N1层;5.I2层;6.N2层;7.Al电极;
图4是非晶硅薄膜半叠层P1I1N1I2N2结构和P1I1N1I2N2结构的太阳电池与非晶/微晶硅叠层电池的I-V性能对比曲线(电池厚度相同),a. PININ结构 b. PIPIN结构 c. PINPIN结构,从图中可以看出本发明势垒型半叠层的PIPIN和PININ结构比叠层PINPIN结构有更高的转换效率、开路电压、短路电流和填充因子。
具体实施方式
1. 太阳电池的结构设计
在透明玻璃衬底上沉积P2I2P1I1N1和P1I1N1I2N2结构的势垒型半叠层薄膜太阳电池,其中P2I2P1I1N1和P1I1N1I2N2中的各个层的光学带隙Eg从1.96ev依此递减到1.6ev,在P2I2P1I1N1结构中, P2的掺杂浓度取3.0×1019 cm-3、Eg=1.96eV,I2的Eg=1.8eV,P1的掺杂浓度为3.0×1017 cm-3、Eg=1.96eV,I1的Eg=1.7eV,N1的掺杂浓度为3.0×1019 cm-3、Eg=1.6eV,在P1I1N1I2N2结构中,P1的掺杂浓度取3.0×1019cm-3、 Eg=1.96eV,I1的Eg=1.8eV,N1的掺杂浓度为3.0×1017 cm-3、Eg=1.75eV,I2的Eg=1.7eV,N2的掺杂浓度为3.0×1019 cm-3、Eg=1.6eV,各层带隙的依次递减,有利于太阳光谱的充分吸收,从而提高电池的开路电压以及电池的其他性能。
2. 势垒型半叠层薄膜太阳电池的制备
2.1 实验设备及实验材料
实验设备:超声波清洗设备、溅射台、PECVD沉积系统;
实验材料:绒面TCO导电玻璃、浓度为5%的高氢稀释硅烷、浓度为0.5%高氢稀释硼烷、浓度为0.5%高氢稀释磷烷、氢气、丙酮、酒精、去离子水、浓度为99.99%的氮气等。
2.2 TCO玻璃的清洗,用丙酮、酒精和去离子水,并配以超声波清洗机来清洗
TCO玻璃,去除油污等有机物及正负离子,然后用纯度为99.99%的高纯氮气吹干。
2.3 利用PECVD方法分别在TCO玻璃上依次生长P2I2P1I1N1或P1I1N1I2N2结构。
对于P2I2P1I1N1结构如下:
1)P2层的制备,是以B2H6和SiH4的掺杂比例为2%的混合气体通过辉光放电分解,并在高纯氢气稀释沉积而成,制得P型μc-Si:H,厚度为10nm,掺杂浓度为3.0×1019 cm-3,禁带宽度Eg为1.96eV。
2)I2层的制备,直接用辉光放电分解SiH4,制得a-Si:H,厚度为800nm,禁带宽度Eg为1.8eV。
3)P1层的制备,与制备P2层类似,但B2H6和SiH4的掺杂比例为1%,制得P型μc-Si:H,厚度为20nm,掺杂浓度为3.0×1017 cm-3,禁带宽度Eg为1.96eV。
4)I1层的制备,直接用辉光放电分解SiH4,制得a-Si:H,厚度为1000nm,禁带宽度为1.7eV。
5)N1层的制备,用PH3+SIH4+H2的混合气体通过辉光放电分解沉积, PH3和SiH4掺杂比例为2%,制得N型μc-Si:H,其厚度为30nm,掺杂浓度为3.0×1019cm-3,禁带宽度为1.6eV。
6)蒸渡Al电极。
对于P1I1N1I2N2结构如下:
1) P1层的制备,是以B2H6和SiH4的掺杂比例为为2%的B2H6和SiH4的混合气体通过辉光放电分解,并在高纯氢气稀释沉积而成,制得P型μc-Si:H,厚度为20nm,掺杂浓度为3.0×1019 cm-3,禁带宽度Eg为1.96eV。
2) I1层的制备,直接用辉光放电分解SiH4,制得a-Si:H,厚度为800nm,禁带宽度为1.8eV。
3) N1层的制备,用PH3+SIH4+H2的混合气体通过辉光放电分解沉积,PH3和SiH4掺杂比例为1%,制得N型μc-Si:H,其厚度为30nm,掺杂浓度为3.0×1017 cm-3,禁带宽度Eg为1.75eV。
4) I2层的制备,直接用辉光放电分解SiH4,制得a-Si:H,厚度为1000nm,禁带宽度Eg为1.7eV。
5) N2层的制备,与制备N1层类似,但PH3和SiH4掺杂比例为2%,制得N型μc-Si:H,厚度为50nm,掺杂浓度为3.0×1019 cm-3,禁带宽度Eg为1.6eV。
6) 蒸渡Al电极。
2.4 界面缺陷处理
为了降低表面载流子的复合,在沉积每层硅薄膜后,需对薄膜进行快速退火处理。
2.5 电池的刻蚀、封装
与PIN型单结硅薄膜太阳电池以及硅薄膜叠层电池相比,势垒型半叠层非晶硅薄膜太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子以及转换效率都有很大程度的提高,如图4所示为用AMPS仿真后的I-V特性对比图,最好的开路电压可以达到1.296V,短路电流可达19.988mA/cm2,填充因为达0.903,转换效率高达23.382%。
Claims (6)
1.一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,按入射光线的方向依次包括透明玻璃衬底、透明导电膜TCO、P1、I1、N1薄膜层、Al电极,其特征在于:在透明导电膜和P1薄膜层之间依次沉积有P2、I2薄膜层,在P 层的常规掺杂浓度范围内,P2的掺杂浓度比P1的掺杂浓度要大两个数量级,I2的禁带宽度大于I1的禁带宽度,I1的厚度要大于I2的厚度;所述P 层的常规掺杂浓度范围指3.0×1015~10×1019 cm-3。
2.如权利要求1所述的一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,其特征在于:所述的I2和I1层的禁带宽度Eg为1.6eV~1.8 eV。
3.如权利要求1所述的一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,其特征在于:所述的I1的厚度范围指在1000~1200nm,I2的厚度范围指800~1000nm。
4.一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,按入射光线的方向依次包括透明玻璃衬底、透明导电膜TCO、P1、I1、N1薄膜层、Al电极,其特征在于:在N1薄膜层和Al电极之间依次沉积有I2、N2薄膜层,在N 层的常规掺杂浓度范围内,N2的掺杂浓度比N1的掺杂浓度要大两个数量级,I1的禁带宽度大于I2的禁带宽度,I2的厚度要大于I1的厚度;所述的N 层的常规掺杂浓度范围指3.0×1015~10×1019 cm-3。
5.如权利要求4所述的一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,其特征在于:所述的I2和I1层的禁带宽度Eg为1.6eV~1.8 eV。
6.如权利要求4所述的一种势垒型硅基薄膜半叠层太阳电池,其特征在于:所述的I1的厚度范围指在800~1000nm,I2的厚度范围指1000~1200nm。
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