CN103227226A

CN103227226A - 一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池

Info

Publication number: CN103227226A
Application number: CN2013101694585A
Authority: CN
Inventors: 侯国付; 陈培专; 张建军; 倪牮; 张晓丹; 赵颖
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103227226B

Abstract

一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，由衬底、一维光子晶体背反射器、背电极、n型氢化非晶硅、本征氢化非晶硅、p型氢化非晶硅和前电极组成叠层结构，其中一维光子晶体背反射器是由低折射率介质和高折射率介质周期性交叠构成，周期数大于等于两个周期，背电极和前电极为高透过、高电导、低吸收的透明导电膜并作为电流引出电极。本发明的优点是：该光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，克服了采用Ag背电极成本高，采用其他金属背电极反射率不够的问题，保证高效率的同时降低原材料成本。同时还克服了采用金属背电极引入的一系列问题，有助于提高电池开路电压，提升电池稳定性。因与电池工艺兼容，还有助于降低设备投资和厂房面积，提升产能。

Description

一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池

技术领域

本发明涉及非晶硅薄膜太阳电池，特别是一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池。

背景技术

太阳能是用之不竭的可再生能源，对环境保护具有十分重要的意义，太阳能的有效利用已成为人类的共识。太阳能的利用，尤其是光伏发电技术，是最有希望的可再生能源技术。非晶硅薄膜太阳电池有着耗能低、原材料丰富无污染、易于大面积生产等优点，已经实现产业化，产品广泛应用于地面光伏电站、光伏建筑一体化、屋顶电站等领域。

非晶硅薄膜太阳电池太阳光谱吸收范围为400-750nm。单结非晶硅电池厚度在200-400nm之间，在这个厚度范围之内，太阳光谱中只有小于500nm的光才能被电池吸收殆尽，而介于500-750nm的光将不能被电池完全吸收，有一部分从电池中透过造成损失，使得电池效率下降。为了提高效率，实验室中通常在电池背后沉积Ag作为背电极，将到达电池底部的光反射回电池内部，增加电池吸收，从而提高效率。Ag背电极具有反射率高、导电性好的优点，其在非晶硅电池光谱吸收范围内的平均反射率高达95%以上。但Ag是贵重金属，若在产业化生产中使用Ag，将大幅提升生产成本。为此，在产业化生产中，通常采用成本较低的Al或不锈钢衬底替代Ag作为背电极。但Al和不锈钢的反射率不及Ag。此外，Ag、Al和不锈钢都是金属，当将金属材料用作薄膜太阳电池的背电极时，还会引入以下问题：首先，Ag、Al和不锈钢表面不平整，而非晶硅薄膜太阳电池本征层很薄，很容易将本征层穿透，造成p型层和n型层短路，漏电流增加，电池开压下降，效率降低；其次，金属表面存在等离子激元共振吸收，到达背电极界面的光会损失3-8%，这对带边吸收的影响尤其重要；此外，在长时间的使用中，金属离子会扩散到电池内部，破坏电池性能，造成电池稳定性下降；最后，沉积金属材料所需设备与非晶硅薄膜工艺不兼容，需要额外的PVD沉积设备，造成厂房面积和投资增加，同时工艺时间延长，产能下降。以上存在问题皆不利于在产业化生产中提高电池效率、提升稳定性和降低成本。

近年来，光子晶体由于其具有优越的光学性能而引起广泛关注。光子晶体诞生于1987年，是由不同介电常数的介质材料，在空间按照一定周期排列形成的晶体，目的是使人们能够像利用半导体禁带控制电子一样，利用光子禁带控制光子的流动。按照在空间排列的维数不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维。一维光子晶体是由两种不同介电常数的介质材料，在某个方向上周期性堆叠形成，其特性是在电介质界面上会出现布拉格散射、产生光子禁带、能量落在禁带中的光不能传播。例如，若一维光子晶体禁带范围在500-750nm，那么此波段的光在光子晶体内不能传播，意味着在光子晶体表面会产生接近100%的反射。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，该薄膜太阳电池在不降低甚至提高电池效率的同时，提升电池稳定性，降低原材料、设备和生产成本，提升产能。

本发明的技术方案：

一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，由衬底、一维光子晶体背反射器、背电极、n型氢化非晶硅、本征氢化非晶硅、p型氢化非晶硅和前电极组成叠层结构，其中一维光子晶体背反射器是由低折射率介质和高折射率介质周期性交叠构成，周期数大于等于两个整数周期，背电极和前电极为高透过、高电导、低吸收的透明导电膜并作为电流引出电极。

所述衬底为玻璃、不锈钢或塑料。

所述一维光子晶体背反射器中的低折射率介质为氧化硅膜，氧化硅膜采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷、氢气和二氧化碳，折射率为1.4-2.0，厚度为50-500nm；高折射率介质为与硅基薄膜工艺兼容的氢化非晶硅膜，氢化非晶硅膜同样采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷和氢气，折射率为3.0-5.0，厚度为10-100nm。

所述透明导电膜为掺铝氧化锌膜或氧化铟锡膜。

所述本征氢化非晶硅厚度为200-400nm。

一种所述光子晶体非晶硅薄膜太阳电池的制备方法，步骤如下：

1）在衬底上首先沉积低折射率介质膜，然后沉积高折射率介质膜，作为一个周期；

2）继续沉积后续周期的上述介质膜，形成一维光子晶体；

3）在一维光子晶体上沉积透明导电膜，作为背电极，即负极，引出电流；

4）在透明导电膜上沉积非晶硅薄膜太阳电池；

5）在电池上沉积透明导电膜，作为前电极，即正极，引出电流。

本发明的有益效果是：

1）一维光子晶体背反射器在500-750nm波段的平均反射率高达95%以上，在该波段与Ag的反射率相当，优于Al和不锈钢的反射率，可使到达电池底部的光充分反射回电池内部，进而提高电池效率；

2）一维光子晶体背反射器是由高、低折射率电介质层周期性交叠构成，引出电极由透明导电膜构成，均不使用金属，且表面平整，故不会有金属离子扩散、正负极短路产生漏电流、等离子激元共振吸收等问题，提高电池开路电压，提升电池稳定性；

3）一维光子晶体背反射器由非晶硅膜与氧化硅膜周期性交叠构成，这两种膜与非晶硅电池工艺兼容，即可以采用沉积非晶硅电池的设备PECVD制备，无需再采购额外的用来沉积金属背反射层的PVD设备，可节省厂房面积和设备投资；原材料采用硅烷、氢气和二氧化碳，相比于金属Ag，原材料成本大幅降低；

4）由非晶硅膜与氧化硅膜构成的一维光子晶体只关注光学性能，无需关注电学性能，不需要实现器件质量级，故可以实现高速沉积，速率高于沉积金属背反射层，从而提升产能；或者直接由玻璃厂商提前在玻璃衬底上制备。

附图说明

图1是本发明光子晶体非晶硅薄膜太阳电池结构示意图；

图中：1.衬底 2.一维光子晶体背反射器 3.透明导电膜4.n型氢化非晶硅 5.本征氢化非晶硅 6.p型氢化非晶硅 7.前电极8.低折射率氧化硅膜 9.高折射率氢化非晶硅膜

图2是所述一维光子晶体背反射器和Ag、Al在空气中的反射率比较图；

图中：(a)光子晶体反射谱线；（b）Ag反射谱线；（c）Al反射谱线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，一切从本发明的构思出发，不经过创造性劳动所作出的结构变换均落在本发明的保护范围之内。

实施例：

一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，如图1所示，由衬底1、一维光子晶体背反射器2、背电极3、n型氢化非晶硅4、本征氢化非晶硅5、p型氢化非晶硅6和前电极7组成叠层结构，其中一维光子晶体背反射器2是由低折射率介质8和高折射率介质9周期性交叠构成，背电极和前电极为高透过、高电导、低吸收的透明导电膜并作为电流引出电极。所述一维光子晶体背反射器2，由低折射率的氧化硅膜8和高折射率的氢化非晶硅膜9周期性交叠构成，共5个周期。氧化硅膜采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷、氢气和二氧化碳，折射率为1.5，厚度为170nm；氢化非晶硅膜同样采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷和氢气，折射率为4.5，厚度为30nm。

该实施例中，衬底1采用普通浮法玻璃；背电极3为掺铝氧化锌，采用直流磁控溅射方式制备，方块电阻为10Ω，厚度为500nm，在可见光波段平均透过率达到80%以上；本征氢化非晶硅5厚度为300nm；前电极7采用氧化铟锡（ITO）。

所述光子晶体非晶硅薄膜太阳电池的制备方法，步骤如下：

2）继续沉积后续4个周期的上述介质膜，形成一维光子晶体；

4）在透明导电膜上沉积非晶硅薄膜太阳电池；

该一维光子晶体背反射器在空气中的反射率如图2所示。在非晶硅太阳电池吸收光谱范围内（400-750nm），只有500-750nm区间的光能到达电极与背反射层界面。在此波段，光子晶体的平均反射率达到96%，与Ag相当，优于Al，有助于提高电池效率，同时降低原材料成本。

该光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，光辐照面积为0.31cm²，其IV特性参数为：开路电压0.945V；短路电流12.74mA/cm²；填充因子53.7；转换效率6.5%。相同工艺制备，采用ZnO和Ag复合背反射电极的电池IV特性参数为：开路电压0.902V；短路电流12.86mA/cm²；填充因子59；转换效率6.8%。相同工艺制备，采用不锈钢衬底作为背反射电极的电池IV特性参数如下：开路电压0.896V；短路电流11.09mA/cm²；填充因子55.2；转换效率5.5%。将以上结果进行比较可以看出，与采用ZnO和Ag复合背反射电极的电池相比，该光子晶体非晶硅薄膜太阳电池开路电压提升4.8%，短路电流和转换效率相当；与采用不锈钢衬底作为背反射电极的电池相比，开压提升5.5%，短路电流提升14.8%，绝对转换效率提升1%。

Claims

1.一种光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，其特征在于：由衬底、一维光子晶体背反射器、背电极、n型氢化非晶硅、本征氢化非晶硅、p型氢化非晶硅和前电极组成叠层结构，其中一维光子晶体背反射器是由低折射率介质和高折射率介质周期性交叠构成，周期数大于等于两个整数周期，背电极和前电极为高透过、高电导、低吸收的透明导电膜并作为电流引出电极。

2.根据权利要求1所述光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，其特征在于：所述衬底为玻璃、不锈钢或塑料。

3.根据权利要求1所述光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，其特征在于：所述一维光子晶体背反射器中的低折射率介质为氧化硅膜，氧化硅膜采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷、氢气和二氧化碳，折射率为1.4-2.0，厚度为50-500nm；高折射率介质为与硅基薄膜工艺兼容的氢化非晶硅膜，氢化非晶硅膜同样采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷和氢气，折射率为3.0-5.0，厚度为10-100nm。

4.根据权利要求1所述光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，其特征在于：所述透明导电膜为掺铝氧化锌膜或氧化铟锡膜。

5.根据权利要求1所述光子晶体非晶硅薄膜太阳电池，其特征在于：所述本征氢化非晶硅厚度为200-400nm。