CN103236447B - 光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光面晶体硅太阳能电池，它包括光面晶体硅、氧化膜钝化层、高透陷光膜;所述的高透陷光膜、氧化膜钝化层、光面晶体硅由上至下层叠，其折射率由上至下梯度增大；所述的氧化膜钝化层溅射于光面晶体硅的朝阳面上，所述的高透陷光膜复合在氧化膜钝化层上。本发明通过选取合适的高透陷光膜、氧化膜钝化层材质，优化高透陷光膜、氧化膜钝化层与光面晶体硅的折射率，可提高晶体硅对太阳光高效吸收而不产生晶体硅高温扩散不一致、晶格位错缺陷、接触电阻增大等不利影响，且制造简单，成本低。

Description

光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造技术领域，特别是一种光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池。

背景技术

太阳光直接照射在光面晶体硅的表面有30％会发生反射而损失，为了实现晶体硅电池对太阳光的高效吸收，目前主要采用制绒技术获取绒面晶体硅，该绒面晶体硅表面为不规则的陷光结构，可增加太阳光的折射吸收次数，以减少其表面的反射损失(目前单晶硅的反射损失大于12％，多晶硅的反射损失大于20％)；然而制绒工艺会导致晶体硅高温扩散不一致、晶格位错缺陷、接触电阻增大等不利因素的凸显，从而限制了晶体硅电池光电转换效率的进一步提高。

除了采用制绒工艺减少晶体硅电池反射损失外，还可在晶体硅表面蒸镀减反射膜(厚0.01～0.3μm)，该减反射膜通过光波的干涉原理,当膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为π,即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少，使晶体硅电池的反射损失减少。由于太阳光的波长范围较大，采用单层减发膜很难达到理想的减反效果，为实现较宽光谱的减反效果，只能采用多层减反射膜，为了保证其厚度的均匀性，会导致其加工难度大，使得加工成本高。

发明内容

针对以上缺陷和不足，本发明提出了一种晶体硅对太阳光吸收率高、易于制造、成本较低的光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池。

本发明通过如下方案来实现：

本发明是一种光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池，它包括光面晶体硅、氧化膜钝化层、高透陷光膜；所述的高透陷光膜、氧化膜钝化层、光面晶体硅由上至下层叠，其折射率由上至下梯度增大；所述的氧化膜钝化层溅射于光面晶体硅的朝阳面上，所述的高透陷光膜复合在氧化膜钝化层上。

所述的高透陷光膜为添加微量元素的高透PVC或PU材料，高透陷光膜的膜表面微结构为球形、圆锥或金字塔形，陷光膜厚为100-200μm。

所述高透陷光膜的金字塔微结构谷底夹角α为36°-90°。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

1)由于本发明增加了一层陷光膜，使得晶体硅对太阳光高效吸收(反射损失降低到8％以下)；同时采用光面晶体硅不会产生晶体硅高温扩散不一致、晶格位错、接触电阻增大等缺陷。

2)本发明使用的陷光膜微结构尺寸约为50微米,所用材料为添加微量元素的高透PVC或PU材料，制造采用模具热压印工艺,所以制造简单、成本低。

综上所述，通过选取合适的高透陷光膜、氧化膜钝化层材质，优化高透陷光膜-氧化膜钝化层-光面晶体硅的折射率、膜表面陷光微结构，本发明可提高晶体硅对太阳光高效吸收，并获得高效光电转换效率，且制造成本低。

附图说明

图1是本发明的截面剖视图；

图2是本发明微观的截面剖视图；

图3A、图3B、图3C是本发明的陷光膜表面金字塔谷底夹角α为120°、60°、36°的微结构光路图；

图4A、图4B、图4C是本发明的陷光膜及原始模具表面三面锥体、四面锥体、六面锥体的微结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是一种光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池，它包括光面晶体硅3、氧化膜钝化层2、高透陷光膜1。

所述的高透陷光膜1、氧化膜钝化层2、光面晶体硅3由上至下层叠，其折射率由上至下梯度增大，即：高透陷光膜1的折射率最小，氧化膜钝化层2的折射率最次之，光面晶体硅3的折射率最大。

所述的氧化膜钝化层2溅射于光面晶体硅3的朝阳面上，所述的高透陷光膜1复合在氧化膜钝化层2上。

所述的高透陷光膜1为高透PVC或PU材料，通过添加微量元素可调节其折射率，使陷光效果最佳。高透陷光膜1的膜表面微结构为球形、圆锥、金字塔形等多种形状，高透陷光膜1厚为100-200μm。其中，高透陷光膜1表面形貌为规则金字塔微结构时，金字塔底边尺寸为50-100μm。

本发明的工作原理：

由于硅的晶体结构在表面处中断而形成悬挂键，导致表面的能带弯曲，在禁带中产生达姆能级，使载流子通过禁带表面能级时，在硅表面产生复合使有效少子寿命降低，从而导致晶体硅电池的效率降低，而所述的氧化膜钝化层2溅射在光面晶体硅3上能够改善晶体硅的光生伏特效应。

所述的高透陷光膜1表面微结构可通过优化其尺寸参数，使得入射光在微结构表面经多次折射进入陷光膜，从而减少入射光的反射损失，使大部分太阳光透过陷光膜被光面晶体硅吸收。如图3所示，金字塔谷底夹角α越小，太阳光在其表面的折射次数越多，透射光的比例越大。当α≥120°时，折射次数为1次；当120°>α＞60°时，折射次数为2次；当60°≥α＞36°时，折射次数为3次，但α越小加工难度越大，根据陷光效果及加工难度确定α在60°-90°之间优化。

当所述的高透陷光膜1、氧化膜钝化层2、光面晶体硅3由上至下层叠时，高透陷光膜1、氧化膜钝化层2与光面晶体硅3的折射率可根据高透陷光膜-氧化膜-光面晶体硅两层界面及高透陷光膜1表面微结构的光学特性进行优化设定。

高透陷光膜1、氧化膜钝化层2与光面晶体硅3的折射率及表面微结构尺寸参数优化具体过程如下：

根据斯涅耳定律，折射率与入射角和折射角的关系如下：

n₀sinθ₀＝n₁sinθ₁(1)

式中，n₀-空气的折射率，n₁-陷光膜材料的折射率，θ₀-入射角，θ₁-折射角。

已知：空气的折射率n₀、陷光膜材料的折射率n₁、入射角θ₀，由式(1)可计算出光在陷光膜内的折射角θ₁，再根据菲涅耳公式和能量守恒定律，可推出自然光在空气与陷光膜界面的反射率R₁计算公式如下：

$R_1=\frac{1}{2}[\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1)}+\frac{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1)}]---\left(2\right)$

式中，R₁-空气与陷光膜界面光的反射率，θ₀-入射角，θ₁-折射角。

根据光在不同介质间的反射和折射规律，当光从折射率为n_a的介质中入射到折射率为n_b的介质，对消光系数ε很小的透明材料和半导体材料而言，其反射率R₀可近似为：

$R_0\≈\frac{{(n_a-n_b)}^2}{{(n_a+n_b)}^2}---\left(3\right)$

由式(3)可得，光在陷光膜1与氧化膜钝化层2间光的反射率：

$R_2=\frac{{(n_1-n_2)}^2}{{(n_1+n_2)}^2}---\left(4\right)$

式中，R₂-陷光膜1与氧化膜钝化层2间光的反射率，n₁-陷光膜的折射率，n₂-氧化膜钝化层的折射率。

由式(3)可得，氧化膜钝化层2与光面晶体硅3间光的反射率：

$R_3=\frac{{(n_3-n_2)}^2}{{(n_3+n_2)}^2}---\left(5\right)$

式中，R₃-氧化膜钝化层2与光面晶体硅3间光的反射率，n₂-氧化膜钝化层的折射率，n₃-晶体硅的折射率。

如图3所示，光经陷光膜两次反射吸收后，晶体硅电池的总反射率可近似为

R＝1-[1-R₁+R₁(1-R₁)](1-R₂)(1-R₃)(6)

以R极小值为目标选择高透陷光膜1及氧化膜钝化层2的材料，并优化高透陷光膜1的表面微结构尺寸参数使得光面晶体硅太阳能电池的减反射损失尽量小。

取θ₀＝45°，空气的折射率n₀＝1，陷光膜材料的折射率n₁＝1.8，氧化膜钝化层拟采用TiO₂，其折射率n₂＝2.4，硅的折射率n₃＝3.4，联立式(1)、(2)、(4)、(5)、(6)可得太阳能电池的总反射率R＝5.8％。

本发明高透陷光膜1制作过程如下：

1)首先制定原始模具的微结构尺寸，并采用超声波微切削加工技术，加工出原始模具，不同的进刀方向F形成的表面微结构，如图4A所示，为三面锥体；如图4B所示，为四面锥体；如图4C所示，为六面锥体。

2)在数字扫描电镜下测量原始模具表面微结构形状、尺寸和表面粗糙度，并与理想模型进行比对，优化超声波切削加工参数，加工出高品质的原始模具；

3)通过该模具进行精密电铸制作出加工模具，经过对加工模具电铸处理，结合压印技术加工出高透陷光膜，所以陷光膜表面微结构与原始模具的表面微结构一致。

通过选取合适的高透陷光膜1、氧化膜钝化层2材质，使得两者与光面晶体硅3的折射率梯度增大，入射光在高透陷光膜1表面微结构上经过多次反射和折射后，绝大部分通过高透陷光膜1和氧化膜钝化层2进入光面晶体硅3内。

综上所述，经优化后的光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池的反射损失减少到8％以下，且该电池采用光面晶体硅，无需经过复杂的制绒处理过程，可有效保护晶体硅材料的表面性能，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

Claims (1)

1.一种光面晶体硅-陷光膜复合太阳能电池，其特征在于:它包括光面晶体硅、氧化膜钝化层、高透陷光膜;所述的高透陷光膜、氧化膜钝化层、光面晶体硅由上至下层叠，其折射率由上至下梯度增大；所述的氧化膜钝化层溅射于光面晶体硅的朝阳面上，所述的高透陷光膜复合在氧化膜钝化层上；所述的高透陷光膜为添加微量元素的高透PVC或PU材料，高透陷光膜的膜表面微结构为球形、圆锥或金字塔形，陷光膜厚为100-200μm；所述高透陷光膜的金字塔微结构谷底夹角α为36°。