CN102832261A - 包含新型减反射层的薄膜太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜太阳能电池，特别涉及具有增强的减反射性能的薄膜太阳能电池及其制造方法。按照本发明的薄膜太阳能电池包括：衬底；形成于所述衬底上的透明导电层；形成于所述透明导电层上的减反射层；以及形成于所述减反射层上的硅薄膜有源层，其中所述减反射层由氧化铌 Nb xOy 构成。按照本发明的薄膜太阳能电池的制造方法包括下列步骤：在衬底上形成透明导电层；在所述透明导电层上形成减反射层；以及在所述减反射层上形成硅薄膜有源层，其中所述减反射层由氧化铌 Nb xOy 构成。在本发明中，由于采用氧化铌 Nb xOy 膜层替代 TiO 2-ZnO叠层作为减反射层，因此在实现良好的减反射效果的同时，还简化了制造工艺，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池，特别涉及具有增强的减反射性能的薄膜太阳能电池及其制造方法。
背景技术
基于晶体硅(单晶硅和多晶硅)的太阳能电池尽管随着技术进步和市场扩大使其成本不断下降，但由于材料和工艺的限制，晶体硅太阳能电池进一步降低成本的空间相当有限，因此薄膜太阳能电池益发得到世界各国的重视。薄膜太阳能电池的一个重要优点是适合制造与建筑结合的光伏发电组件(BIPV)。
目前，较成熟且已经大批量生产的薄膜太阳能电池是基于非晶硅系的薄膜太阳能电池，与晶体硅太阳能电池相比，其在高温下的光伏输出特性更好，实际输出功率更大。
典型的硅薄膜太阳能电池通常为具有PIN结构的电池，窗口层为掺硼的P型非晶碳化硅，接着沉积一层未掺杂的本征层，再沉积一层掺磷的N型非晶硅，并镀覆电极。非晶硅电池一般采用PECVD(等离子增强型化学气相沉积)方法使高纯硅烷等气体分解沉积而成。此种制作工艺，可以在生产过程中连续在多个真空沉积室内完成，以实现大批量生产。由于沉积分解温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。
图1为一种典型的薄膜太阳能电池的示意图。参见图1，该薄膜太阳能电池10包含玻璃衬底100、透明导电氧化物（TCO）层110、有源层130、氧化锌（ZnO）层140以及金属电极150，其中有源层130由P型非晶碳化硅（P-a-SiC:H）层130A、本征非晶硅（I-a-Si:H）层130B和N型非晶硅（N-a-Si:H）层130C构成。
在上述结构的硅薄膜太阳能电池中，由于TCO层110与非晶硅有源层130之间的折射率相差较大（前者为1.9左右而后者为3.5左右），因此从玻璃衬底100入射的外部光线中有相当部分又被反射回去，从而造成反射损失。典型地，在TCO层110与非晶硅有源层130之间的界面为平面的情况下，界面反射损失可高达8.8%左右，这种反射制约了薄膜太阳能电池的转换效率的进一步提升。
针对这种情况，一种解决方式是在TCO层110的表面形成绒面构造并且其特征尺寸为亚波长尺度，由此使得界面附近的折射率变化梯度减小，达到一定的减反作用。但是这种方式的效果有限，为此业界提出了通过在TCO层110与P-a-SiC:H层130A之间插入一层TiO
2
减反射层120A以进一步减少反射损失的方案。由于TiO
2
在随后的薄膜沉积过程中的氢等离子体气氛中容易被还原为金属而失效，所以一般还需在TiO
2
层120A的表面沉积一层薄的ZnO层120B起保护作用。但是，TiO
2
-ZnO复合层构成的减反射层120的反射率将随着ZnO厚度的增加而增大，而过薄的ZnO又无法达到有效的保护目的，因此如何同时满足二者的要求就成为一个两难的选择。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种薄膜太阳能电池，其具有出色的减反射效果并且摆脱了上述选择困境。
本发明的上述目的通过下列技术方案实现：
一种薄膜太阳能电池，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的透明导电层；
形成于所述透明导电层上的减反射层；以及
形成于所述减反射层上的硅薄膜有源层，
所述减反射层由氧化铌Nb
x
O
y
构成。
优选地，所述氧化铌Nb
x
O
y
的化学配比是x=2，y=5。
优选地，在上述薄膜太阳能电池中，所述减反射层的厚度范围为50-60nm。
优选地，在上述薄膜太阳能电池中，所述硅薄膜有源层由下列材料中的一种或它们的组合组成：非晶硅a-Si:H、非晶硅锗a-SiGe:H微晶硅μc-Si:H和纳晶硅nc-Si:H。
优选地，在上述薄膜太阳能电池中，进一步包括：
形成于所述硅薄膜有源层上的氧化锌膜；以及
形成于所述氧化锌层上的金属背电极。
优选地，在上述薄膜太阳能电池中，所述透明导电层的表面为绒面。
本发明的还有一个目的是提供一种薄膜太阳能电池的制造方法，其制造的薄膜太阳能电池具有出色的减反射效果并且摆脱了前述的选择困境。
本发明的上述目的通过下列技术方案实现：
一种薄膜太阳能电池的制造方法，包括下列步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成透明导电层；
在所述透明导电层上形成减反射层；以及
在所述减反射层上形成硅薄膜有源层，
所述减反射层由氧化铌Nb
x
O
y
构成。
优选地，在上述薄膜太阳能电池的制造方法中，所述氧化铌Nb
x
O
y
通过在氩气和氧气的混合气氛下的射频磁控溅射方法制备。
优选地，在上述薄膜太阳能电池的制造方法中，所述氧化铌Nb
x
O
y
的化学配比是x=2，y=5。
优选地，在上述薄膜太阳能电池的制造方法中，所述减反射层的厚度范围为50-60nm。
优选地，在上述薄膜太阳能电池的制造方法中，所述硅薄膜有源层由下列材料中的一种或它们的组合组成：非晶硅a-Si:H、非晶硅锗a-SiGe:H、微晶硅μc-Si:H和纳晶硅nc-Si:H。
在本发明的较佳实施例中，采用氧化铌Nb
x
O
y
膜层替代TiO
2
-ZnO复合层作为减反射层，在实现良好的减反射效果的同时，还简化了制造工艺，降低了成本。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的单元采用相同的标号表示。
图1为一种典型的薄膜太阳能电池的示意图。
图2为按照本发明一个实施例的薄膜太阳能电池的示意图。
图3为反射光谱图，其同时示出了在TCO层与硅薄膜有源层之间的界面处插入与不插入Nb
2
O
5
时测得的反射光谱。
图4为电流密度-电压（J-V）曲线图，其同时示出了在TCO层与硅薄膜有源层之间的界面处插入与不插入Nb
2
O
5
层时测得的单结非晶硅薄膜太阳能电池的J-V曲线。
图5为按照本发明一个实施例的薄膜太阳能电池制造方法的示意图。
具体实施方式
在本发明中，薄膜太阳能电池指的是一种将太阳能转换为电能并且沿厚度方向的尺寸远远小于沿平面方向的尺寸的器件，其亦可称为太阳能薄膜电池。一般地，薄膜太阳能电池具有形成于衬底上的叠层结构，该叠层结构主要包含前电极、背电极以及被夹在它们之间的有源层（例如PIN结构）。为了使有源层与电极之间的折射率变化比较平缓，在它们之间插入减反射层以降低反射率，提高转换效率。
在本发明中，硅薄膜指的是包含硅元素的半导体薄膜，该薄膜可由例如下列材料中的一种或它们的组合组成：非晶硅a-Si:H、非晶硅锗a-SiGe:H、微晶硅μc-Si:H和纳晶硅nc-Si:H。
为了节省篇幅，本说明书将仅描述薄膜太阳能电池结构和制造工艺中与本发明较为相关的部分，对于本领域内的技术人员来说，省略描述的部分都是易于理解的，并且这样的省略并不会对本发明的实施带来困难。
在本发明中，除非另有说明，“在…上”和“在…下”的表述既被用来表示两个单元之间直接接触的情形，也被用来表示两个单元之间还存在其它单元的情形。
另外，为了便于示意，附图所示的薄膜太阳能电池中的各层的厚度并未按照它们的实际比例绘制，因此不应将附图所示各层的尺寸以及相互比例关系视为是对本发明保护范围的限定。
下面根据表示本发明实施方式的附图具体描述本发明的实施例。
图2为按照本发明一个实施例的薄膜太阳能电池的示意图。
如图2所示，薄膜太阳能电池20包含玻璃衬底200、在玻璃衬底200上形成的透明导电氧化物（TCO）层210、在TCO层210上形成的减反射层220、在减反射层220上形成的由硅薄膜构成的有源层230（包括P型非晶碳化硅层230A、本征非晶硅层230B、N型非晶硅层230C）、在有源层230上形成的ZnO层240以及在ZnO层上形成的金属电极250（例如由铝、银及其合金等构成）。
与常规的TiO
2
-ZnO复合层减反射技术不同，在本实施例中，采用折射率约为2.5的五氧化二铌（Nb
2
O
5
）作为减反射层220的材料，并且在Nb
2
O
5
层上未覆盖ZnO保护膜，也就是说，这里用Nb
2
O
5
层替代了TiO
2
-ZnO复合层作为减反射层。为使薄膜太阳能电池在硅薄膜有源层吸收的中心波长550nm处具有良好的减反效果，优选地，Nb
2
O
5
层的厚度可以介于50-60nm之间。
在本实施例中，为了进一步提高减反射性能，可以在TCO层210表面形成尺度与亚波长接近的绒面结构。
值得指出的是，虽然在这里采用氧原子与铌原子的化学配比为5：2的五氧化二铌作为减反射层的材料，但是在本发明的其它实施例中，可以根据需要，采用具有其它化学配比的氧化铌材料。图3为反射光谱图，其同时示出了在TCO层（厚度约为750nm）与硅薄膜有源层（厚度约为300nm）之间的界面处插入与不插入Nb
2
O
5
时测得的反射光谱，测量是从玻璃衬底这一侧进行的，Nb
2
O
5
层是在Ar和O
2
的混合气氛中采用射频磁控溅射方法制备的，厚度约为55nm。
由图3可见，当在TCO层210与硅薄膜有源层220之间插入Nb
2
O
5
层之后，在350-1200nm的光谱范围内的反射率均有所下降，特别是在550-600nm的波长范围内，反射率下降到5.3%，如此低的反射率值表明此时的反射损失基本上来自于玻璃衬底200与TCO层210以及玻璃衬底200与空气的界面处的反射贡献，可见在TCO层210与硅薄膜有源层230之间插入Nb
2
O
5
层达到了良好的减反射效果。
除了光学性能以外，采用Nb
2
O
5
层作为减反射层还改善了薄膜太阳能电池的电气性能。
图4为电流密度-电压（J-V）曲线图，其同时示出了在TCO层与硅薄膜有源层之间的界面处插入与不插入Nb
2
O
5
层时测得的单结非晶硅薄膜太阳能电池的J-V曲线。
该单结非晶硅电池的基本结构为玻璃衬底/TCO/P-a-SiC:H/ I-a-Si:H/N-a-Si:H/ZnO:Ga/Al，各层厚度依次约为3.2mm/750nm /15nm/260nm/25nm/100nm/200nm，玻璃衬底为普通浮法玻璃，面积约为269cm
2
（16.4cm×16.4cm），电池孔径面积为100cm
2
（10cm×10cm）。
由图4可见，当在TCO层210与硅薄膜有源层220之间插入Nb
2
O
5
层之后，得益于TCO层与硅薄膜有源层之间界面的反射损失的减少，短路（电压为0时）电流密度提高了0.60mA/cm
2
，虽然薄膜太阳能电池由于串联电阻增大了大约13%而导致填充因子从74.58%下降到72.02%，但是电池孔径面积的初始效率仍然从9.13%增大至9.32%。
图5为按照本发明一个实施例的薄膜太阳能电池制造方法的示意图。
为方便阐述，这里以具有图2所示结构的薄膜太阳能电池为例来描述制造方法的流程。
如图5所示，在步骤510中，在玻璃衬底200上沉积一层由透明导电氧化物（TCO）组成的导电层210作为前电极。例如可以采用溅射后刻蚀的方法制备厚度约为750nm的绒面ZnO前电极。
接着，在步骤520中，在导电层210上形成由Nb
2
O
5
构成的减反射层220。例如可以通过在Ar和O
2
的混合气氛中采用射频磁控溅射方法制备Nb
2
O
5
层，该层的厚度约为55nm。
同样，Nb
2
O
5
只是氧化铌的一个特定实例，实际上可以根据需要，采用具有其它化学配比的氧化铌材料。
随后，在步骤530中，例如通过PECVD(等离子增强型化学气相沉积)方法在减反射层220上形成硅薄膜有源层230，该有源层具有PIN结结构，由P型非晶碳化硅层230A、本征非晶硅层230B和N型非晶硅层230C构成，PIN层厚度分别约为15nm、260nm和25nm。
在步骤540中，在硅薄膜有源层230上形成氧化锌层240。
最后，在步骤550中，在氧化锌层240上形成金属背电极250。
由于可以在不背离本发明基本精神的情况下，以各种形式实施本发明，因此上面描述的具体实施方式仅是说明性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求定义，对上面描述方式所作的各种变化或变动都属于所附权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种薄膜太阳能电池，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的透明导电层；
形成于所述透明导电层上的减反射层；以及
形成于所述减反射层上的硅薄膜有源层，
其特征在于，所述减反射层由氧化铌NbxOy构成。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述氧化铌NbxOy的化学配比是x=2，y=5。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述减反射层的厚度范围为50-60 nm。
4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述硅薄膜有源层由下列材料中的一种或它们的组合组成：非晶硅a-Si:H、非晶硅锗a-SiGe:H、微晶硅μc-Si:H和纳晶硅nc-Si:H。
5.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，进一步包括：
形成于所述硅薄膜有源层上的氧化锌膜；以及
形成于所述氧化锌层上的金属背电极。
6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层的表面为绒面。
7.一种薄膜太阳能电池的制造方法，包括下列步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成透明导电层；
在所述透明导电层上形成减反射层；以及
在所述减反射层上形成硅薄膜有源层，
其特征在于，所述减反射层由氧化铌NbxOy构成。
8.如权利要求7所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述氧化铌NbxOy通过在氩气和氧气的混合气氛下的射频磁控溅射方法制备。
9.如权利要求7所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述氧化铌NbxOy的化学配比是x=2，y=5。
10.如权利要求7所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述减反射层的厚度范围为50-60nm。
11.如权利要求7所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述硅薄膜有源层由下列材料中的一种或它们的组合组成：非晶硅a-Si:H、非晶硅锗a-SiGe:H、微晶硅μc-Si:H和纳晶硅nc-Si:H。
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