CN103227229B - 渐变带隙纳米硅薄膜及渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了渐变带隙纳米硅薄膜及渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，渐变带隙纳米硅薄膜为由非晶硅、晶粒和晶界组成的混合相材料；所述晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%‑70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV~1.5eV。本发明的渐变带隙纳米硅薄膜用于纳米硅电池的I层（也即光吸收层），充分吸收不同波段的太阳光能，还改善了光生空穴的传输，从而可以有效提高电池的光电转换效率；同时渐变光吸收层结构解决了纳米硅太阳电池开路电压较低的问题，而且渐变结构使其与P层及N层的带隙差别较小，较大程度的解决了P/I、I/N界面的带隙失配问题，避免了异质结的界面效应，降低光致衰退效应，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及硅薄膜太阳能电池领域，特别是渐变带隙的纳米硅薄膜及由这种纳米硅薄膜制成的太阳能电池。
背景技术
硅薄膜太阳电池有原材料消耗少，易于大面积连续化生产，制备过程污染小等优点；是光伏电池的重要发展方向。非晶硅电池存在光致衰退效应，这限制了他的发展，纳米硅（微晶硅）太阳电池的材料有序性好，基本无衰退，并且能和非晶硅电池结合制备叠层电池提高效率，降低成本。现有的纳米硅薄膜太阳能电池不能充分吸收不同波段的太阳光能，电能转换效率低、光致衰减大及纳米硅太阳电池开路电压与填充因子较低。
发明内容
本发明的目的是解决传统硅薄膜太阳电池转换效率低、光致衰减大及纳米硅太阳电池开路电压与填充因子较低的问题，提供一种新的渐变带隙纳米硅薄膜材料及由其制备的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池。
实现本发明目的的技术方案是渐变带隙纳米硅薄膜，为由非晶硅、晶粒和晶界组成的混合相材料；所述晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV~1.5eV。
渐变带隙有多种结构，本发明提出四种方案，其中方案一由一个1200nm的渐变带隙形成“C”型渐变结构，带隙从1.7eV递变到1.3eV；纳米硅薄膜晶化率为70%。
方案二由两个渐变带隙形成“V”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为900nm，带隙从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。
方案三由三个渐变带隙形成“U”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为600nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙为300nm，从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。
方案四由四个渐变带隙形成“E”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为300nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.43eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-51%；第四渐变带隙膜厚为300nm，从1.43eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为51%-40%。
一种渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底、透明导电膜、硅薄膜太阳能电池和背电极；所述硅薄膜太阳能电池为单结硅薄膜太阳能电池或多结叠层硅薄膜太阳能电池；单结硅薄膜太阳能电池的I层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的I层均采用前述的渐变带隙纳米硅薄膜。
单结硅薄膜太阳能电池的N层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的N层均采用N型nc-SiOx:H膜。
所述背电极为ZnO与Ag /Al的复合膜。
所述硅薄膜太阳能电池为由顶电池和底电池构成的双结叠层硅薄膜太阳能电池；所述顶电池的N1层为nc-SiOx:H/nc-Si:H，I1层为a-Si:H，P1层为a-SiC:H；所述底电池的N2层为a-Si:H，I2层为nc-Si:H，P2层为nc-Si:H。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益的效果：（1）本发明的渐变带隙纳米硅薄膜用于纳米硅电池的I层（也即光吸收层），充分吸收不同波段的太阳光能，还改善了光生空穴的传输，从而可以有效提高电池的光电转换效率，降低光致衰退效应，降低成本；同时，渐变光吸收层结构解决了纳米硅太阳电池开路电压较低的问题，而且渐变结构使其与P层及N层的带隙差别较小，较大程度的解决了P/I、I/N界面的带隙失配问题，避免了异质结的界面效应，
（2）本发明的渐变带隙纳米硅薄膜通过控制晶化率在一定范围内变化，使得形成渐变带隙，制备简单，且无需掺入新的元素来改变带隙，制备成本低。
（3）本发明的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池的N层采用高电导的N型nc-SiOx:H层，其在充当NP遂穿结的组成部分N层的同时，还起到了增反膜的作用，使部分橙黄光返回顶电池，让其重吸收，增加顶电池的短路电流，解决了顶电池电流密度难与顶电池及底电池电流密度匹配的问题，解决了顶电池高电流需要较高厚度的问题，使顶电池厚度减薄，这样，电池的成本与性能均得到改善；同时， N型nc-SiOx:H层与电池其它层在CVD反应腔直接完成，解决了传统的在两电池之间单独加入一层金属氧化物增反膜的问题，简化了制备方法、降低了制备成本。
（4）本发明的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池的背电极采用ZnO和Ag/Al的复合膜结构，ZnO/Ag起到了增反的效果，可进一步提高纳米硅底电池的短路电流，同时Ag的高电导率可有效的提升电池的转换效率。
（5）本发明的原理还可以扩展出其他厚度的渐变带隙结构，也同样适用于倒结构电池，且易于实现组件的制备。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的“C”型渐变结构。
图2为本发明的“V”型渐变结构。
图3为本发明的“U”型渐变结构。
图4为本发明的“E”型渐变结构。
图5为本发明的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池的一种具体结构示意图。
附图中标号为：
玻璃衬底1、透明导电膜2、硅薄膜太阳能电池3、顶电池31、N1层31-1、I1层31-2、P1层31-3、底电池32、N2层32-1、I2层32-2、P2层32-3、背电极4。
具体实施方式
本具体实施方式的渐变带隙纳米硅薄膜材料为由非晶硅、晶粒和晶界组成的混合相材料。所选用的晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；器件质量级（能够用于发电的材料属于器件质量级）的纳米硅薄膜晶化率（晶相与非晶相的比例）范围为40%-70%；通过控制晶化率在前述范围内变化，使得渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV~1.5eV。控制晶化率方法包括调节纳米硅薄膜的核心制备参数，如硅烷浓度（SC）、制备功率的高低和制备气压的高低等。
渐变带隙有多种结构，本发明提出四种方案，第一种如图1中所示，由一个1200nm的渐变带隙形成“C”型渐变结构，带隙从1.7eV递变到1.3eV；纳米硅薄膜晶化率最高为70%。由于纳米硅薄膜生长初期存在非晶孵化层及晶化率线性提升的现象，沉积300nm左右，晶化率即可趋于稳定，因此“C”型渐变结构的1200nm通过70%晶化率实现带隙由1.7eV到1.3eV的递变。
第二种如图2所示，由两个渐变带隙形成“V”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为900nm，带隙从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。具体来说，由于纳米硅薄膜生长初期存在非晶孵化层及晶化率线性提升的现象，沉积300nm左右，晶化率即可趋于稳定，故渐变一300nm通过70%晶化率的制备参数实现带隙由1.7eV到1.3eV的递变，渐变二900nm采用70%-40%晶化率制备参数线性变化实现带隙由1.3eV-1.5eV的递变。
第三种如图3所示，由三个渐变带隙形成“U”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为600nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。
第四种如图4所示，由四个渐变带隙形成“E”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为300nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.43eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-51%；第四渐变带隙膜厚为300nm，从1.43eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为51%-40%。
四种结构渐变带隙对电池效率的提升各有优势，制备电池时可按实际需求选取，对于电池厚度改变时，可在上述结构基础上做相应调整。由此制得的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底1、透明导电膜2、硅薄膜太阳能电池3和背电极4；硅薄膜太阳能电池3为单结硅薄膜太阳能电池或多结叠层硅薄膜太阳能电池；单结硅薄膜太阳能电池的I层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的I层均采用本发明的渐变带隙纳米硅薄膜。单结硅薄膜太阳能电池的N层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的N层均采用N型nc-SiOx:H膜。
见图5，渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池包括玻璃衬底1、透明导电膜2、硅薄膜太阳能电池3和背电极4，硅薄膜太阳能电池3为由顶电池31和底电池32构成的双结叠层硅薄膜太阳能电池；顶电池31的N1层31-1为nc-SiOx:H/nc-Si:H，I1层31-2为a-Si:H，P1层31-3为a-SiC:H；底电池32的N2层32-1为a-Si:H，I2层32-2为nc-Si:H，P2层32-3为nc-Si:H；背电极4为ZnO与Ag /Al的复合膜。其中，a-Si:H为氢化非晶硅薄膜；nc-Si:H为氢化纳米硅（微晶硅）薄膜；a-SiC:H为掺碳的氢化非晶硅层； nc-SiOx:H为掺氧的氢化纳米硅（微晶硅）层；nc-SiOx:H/nc-Si:H为两叠层的电池膜层，一层是掺氧的氢化纳米硅（微晶硅）层，一层是氢化纳米硅。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.渐变带隙纳米硅薄膜，其特征在于：为由非晶硅、晶粒和晶界组成的混合相材料；晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；纳米硅薄膜晶化率范围为40％-70％；
由两个渐变带隙形成“V”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70％晶化率；第二渐变带隙为900nm，带隙从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70％-40％；
或者由三个渐变带隙形成“U”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70％晶化率；第二渐变带隙膜厚为600nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70％；第三渐变带隙为300nm，从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70％-40％；
或者由四个渐变带隙形成“E”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70％晶化率；第二渐变带隙膜厚为300nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70％；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.43eV，纳米硅薄膜晶化率为70％-51％；第四渐变带隙膜厚为300nm，从1.43eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为51％-40％。
2.一种渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底(1)、透明导电膜(2)、硅薄膜太阳能电池(3)和背电极(4)；其特征在于：所述硅薄膜太阳能电池(3)为单结硅薄膜太阳能电池或多结叠层硅薄膜太阳能电池；单结硅薄膜太阳能电池的I层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的I层均采用如权利要求1所述的渐变带隙纳米硅薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，其特征在于：单结硅薄膜太阳能电池的N层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的N层均采用N型nc-SiOx:H膜。
4.根据权利要求3所述的一种渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述背电极(4)为ZnO与Ag/Al的复合膜。
5.根据权利要求4所述的一种渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅薄膜太阳能电池(3)为由顶电池(31)和底电池(32)构成的双结叠层硅薄膜太阳能电池；所述顶电池(31)的N1层(31-1)为nc-SiOx:H/nc-Si:H，I1层(31-2)为a-Si:H，P1层(31-3)为a-SiC:H；所述底电池(32)的N2层(32-1)为a-Si:H，I2层(32-2)为nc-Si:H，P2层(32-3)为nc-Si:H。
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