CN103296122A - 薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池，包括玻璃基板、前电极、多结硅基薄膜电池的各层系以及背电极，所述多结硅基薄膜电池的底电池的N层为复合叠层结构。本发明的薄膜太阳能电池能够进一步提高硅基薄膜太阳能电池的光电转换效率。

Description

薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及光伏太阳能电池技术领域，特别涉及一种薄膜太阳能电池。

背景技术

硅基薄膜太阳能电池，尤其是非晶硅与微晶硅相结合的多叠层电池结构，已经成为太阳能光伏领域中最有竞争力的一种替代电池，产业化的电池效率已经达到10％的水准。目前这种多叠层电池的光电转换效率仍然偏低，需要进一步将转换效率提高到12％以上。然而，效率的提高依赖于新工艺或新结构的引入，来提高光的有效吸收，降低电池的结构缺陷和增大电池的电压和电流。

在正极p层、发电层i层、负极n层形成的pin结构的单节电池或多叠层电池中，目前大量的研究和实验多数集中在电池的p层和i层方面。当然，这是由于pin型的电池结构中，p层作为太阳光入射的窗口层，减少p层的吸收和反射，对电池的性能有非常大的影响；而发电层i层作为电池的核心，其性能的好坏对电池的影响至关重要。唯独电池的负极n层，目前为止，对其要求还主要是电学性能。首先，作为电池的n层，理想的情况应该是能够将入射的光经过n层的反射再次进入到i层，同时n层本身不会对太阳光产生吸收；其次，n层作为电池的最后一层，尤其是微晶硅薄膜电池的最后一层，还应当起到对电池表面的保护和表面缺陷的钝化作用。除此之外，就n层本身的电学性能来说，需要有宽的光学带隙，可以提高电池的内建电场，以期获得高的光生电压，同时，由于此宽光学带隙的n层对没被i层吸收的光子吸收很小，因此可通过背电极经过多次反射，达到更有效的吸收。最后，n层与其后面的电流引出层(导流作用)接触时，还需要高的电导率来降低电池的接触电阻。

以上这些对n层的要求，对于进一步提高硅基薄膜太阳能电池光电转换效率具有重大的意义。因此，如何设计出这样一种具有以上多种功能的新型n层或其复合结构，实现在10％转换效率的基础上进一步将电池的效率提高到12％，显得尤为重要。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种薄膜太阳能电池，能够进一步提高硅基薄膜太阳能电池的光电转换效率。

本发明提高的一种薄膜太阳能电池，包括玻璃基板、前电极、多结硅基薄膜电池的各层系以及背电极，所述多结硅基薄膜电池的底电池的N层为复合叠层结构。

所述N层复合叠层结构依次包括非晶N型a-Si、纳米硅氧μc-SiOx或纳米硅碳μc-SiCx薄膜，和非晶N型a-Si或者N型微晶硅μc-Si层。

所述纳米硅氧μc-SiOx或纳米硅碳μc-SiCx薄膜的导电类型为N型。

所述纳米硅氧μc-SiOx或纳米硅碳μc-SiCx薄膜的制备采用射频等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术或甚高频等离子体增强化学气相沉积技术或电子回旋共振化学气相沉积技术或微波等离子体化学气相沉积技术。

所述复合叠层结构为a-Si/μc-SiOx/a-Si，或a-Si/μc-SiOx/μc-Si，或μc-Si/μc-SiOx/a-Si或a-Si/μc-SiCx/a-Si，或a-Si/μc-SiCx/μc-Si，或μc-Si/μc-SiCx/a-Si结构。

所述复合叠层结构中的SiOx或SiCx为掺杂的结晶化的导电层，晶化率在20-70％，厚度在2-150nm，折射率为1.8-2.8，电导率为10^-1-10^-8S/cm。

所述复合叠层结构中的a-Si，掺杂浓度在0.2％-10％，厚度在2-15nm。

所述复合叠层结构中的μc-Si，掺杂浓度在1％-5％，厚度在4-10nm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过采用一种新型n层复合结构来提高硅基薄膜电池光电转换效率，在硅基薄膜电池的底电池微晶硅电池中引入导电的纳米硅氧或硅碳薄膜，形成多层复合的n层薄膜，同时为了降低SiOx或SiCx前面或后面的n掺杂层对长波光的吸收以及为了提高电池的开路电压和填充因子，将其设计成非晶n型a-Si掺杂层，并对其掺杂、厚度、折射率、电导率等进行调整和优化，最终达到提高非晶硅与微晶硅多叠层电池转换效率的目的。本发明能够在0.7nm/s的高沉积速率和0.8m²的大尺寸基板上制备出转换效率12％以上的非晶硅/微晶硅双叠层电池和非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三叠层电池。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记未必指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚起见，放大了层的厚度。

图1为说明本发明的三叠层硅基薄膜太阳能电池结构示意图；

图2为根据本发明第一实施例的薄膜太阳能电池的结构示意图；

图3为根据本发明第二实施例的薄膜太阳能电池的结构示意图；

图4为根据本发明第三实施例的薄膜太阳能电池的结构示意图。

所述示图是说明性的，而非限制性的，在此不能过度限制本发明的保护范围。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的薄膜太阳能电池采用新型n层复合结构作为硅基薄膜太阳电池的n型掺杂层。适用于P/I/N型硅基薄膜太阳电池的底电池的N层。电池的类型针对本征i层而言，即包括非晶硅基(非晶硅、非晶硅锗、非晶硅碳或非晶硅氧等)、也包括微晶硅基(微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧等)、也包括纳米硅基(纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧等)的薄膜太阳能电池。此新型N层复合结构，其制备技术采用等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术或电子回旋共振化学气相沉积技术或微波等离子体化学气相沉积技术。

下面以制备三叠层P/I/N型非晶硅薄膜太阳能电池为例来说明本发明薄膜太阳能电池的结构。

图1为说明本发明的三叠层硅基薄膜太阳能电池结构示意图。如图1所示，三叠层硅基薄膜太阳能电池包括在玻璃基板1上采用化学气相沉积法沉积的900nm的SnO₂:F薄膜2，作为电池的前电极。在2上采用等离子体增强化学气相沉积法依次沉积的10nm的非晶硅p1层3、100nm的非晶硅i1层4、20nm的非晶硅n1层5；接着继续沉积的20nm的非晶硅p2层6；在6上继续沉积的200nm的非晶硅锗i2层7以及20nm的纳米硅n2层8；纳米硅n2层8的沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为1.2％，晶化率为66％；接着继续沉积的20nm的纳米硅p3层9，纳米硅p3层9的沉积过程采用硅烷、氢气和三甲基硼烷作为反应气体，三甲基硼烷与硅烷的比率为0.8％，晶化率为58％；在纳米硅p3层9上继续沉积的2000nm的纳米硅i3层10以及40nm的纳米硅n3层11。在11上溅射的60nm的ZnO:Al和100nm的Ag复合薄膜12，12作为电池的背电极层。制备好的电池进行层压封装和后处理，制备的三叠层的电池的转换效率为10.5％。

图2为根据本发明第一实施例的薄膜太阳能电池的结构示意图。如图2所示，根据本发明第一实施例的薄膜太阳能电池包括在玻璃基板1上采用化学气相沉积法制备的900nm的SnO2:F薄膜2，作为电池的前电极。在2上采用等离子体增强化学气相沉积法依次沉积的10nm的非晶硅p1层3、100nm的非晶硅i1层4、20nm的非晶硅n1层5；接着继续沉积的20nm的非晶硅p2层6；在6上继续沉积的200nm的非晶硅锗i2层7以及20nm的纳米硅n2层8，8沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为1.2％，晶化率为66％；接着继续沉积的20nm的纳米硅p3层9，9沉积过程中采用硅烷、氢气和三甲基硼烷作为反应气体，三甲基硼烷与硅烷的比率为0.8％，晶化率为58％；在9上继续沉积的2000nm的纳米硅i3层10；2-10nm的非晶硅层111，111沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为2.1％；10nm的SiOx层112，112的反应气体为硅烷、氢气、磷烷与二氧化碳，晶化率为30％，折射率为2.0，电导率为10^-6S/cm；接着沉积的4nm的纳米硅层113，113沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为2.1％，晶化率为72％。

非晶硅层111、SiOx层112和纳米硅层113，该三层复合层作为n3层13，也就是说，n3层为复合叠层结构。

在n3上溅射的60nm的ZnO:Al和100nm的Ag复合薄膜12，12作为电池的背电极层；制备好的电池进行层压封装和后处理，制备的三叠层的电池的转换效率为11.3％。

图3为根据本发明第二实施例的薄膜太阳能电池的结构示意图。如图3所示，本发明第二实施例的薄膜太阳能电池包括在玻璃基板1上采用化学气相沉积法制备的900nm的SnO₂:F薄膜2，作为电池的前电极。在2上采用等离子体增强化学气相沉积法依次沉积的10nm的非晶硅p1层3、100nm的非晶硅i1层4、20nm的非晶硅n1层5；接着继续沉积的20nm的非晶硅p2层6；在6上继续沉积的200nm的非晶硅锗i2层7以及20nm的纳米硅n2层8，8沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为1.2％，晶化率为66％；接着继续沉积的20nm的纳米硅p3层9，9沉积过程中采用硅烷、氢气和三甲基硼烷作为反应气体，三甲基硼烷与硅烷的比率为0.8％，晶化率为58％；在9上继续沉积的2000nm的纳米硅i3层10。

本实施例中，n3层11为复合叠层结构，其包括3nm的纳米硅n3层114，114沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为2.5％，晶化率为68％；和10nm的SiOx层115，115的反应气体为硅烷、氢气、磷烷与二氧化碳，晶化率为40％；折射率为2.4，电导率为10^-5S/cm；以及2-15nm的非晶硅层116，116沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为2.1％。

此外，还包括在n3层11上溅射的60nm的ZnO:Al和100nm的Ag复合薄膜12，12作为电池的背电极层；制备好的电池进行层压封装和后处理，制备的三叠层的电池的转换效率为11.8％。

图4为根据本发明第三实施例的薄膜太阳能电池的结构示意图。如图4所示，根据本发明第三实施例的薄膜太阳能电池包括在玻璃基板1上采用化学气相沉积法制备的900nm的SnO₂:F薄膜2，作为电池的前电极。在2上采用等离子体增强化学气相沉积法依次沉积的10nm的非晶硅p1层3、100nm的非晶硅i1层4、20nm的非晶硅n1层5；接着继续沉积的20nm的非晶硅p2层6；在6上继续沉积的200nm的非晶硅锗i2层7以及20nm的纳米硅n2层8，8沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为1.2％，晶化率为66％；接着继续沉积的20nm的纳米硅p3层9，9沉积过程中采用硅烷、氢气和三甲基硼烷作为反应气体，三甲基硼烷与硅烷的比率为0.8％，晶化率为58％；在9上继续沉积的2000nm的纳米硅i3层10。

本实施例中，n3层11为复合叠层结构，其包括2-10nm的非晶硅层117，117沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为2.1％；10nm的SiOx层118，118的反应气体为硅烷、氢气、磷烷与二氧化碳，晶化率为40％；折射率为2.4，电导率为10^-5S/cm；接着沉积的2-15nm的非晶硅层119，119的沉积过程中采用硅烷、氢气和磷烷作为反应气体，其中磷烷与硅烷的比例为2.1％。

此外，还包括在n3层11上溅射的60nm的ZnO:Al和100nm的Ag复合薄膜12，12作为电池的背电极层；制备好的电池进行层压封装和后处理，制备的三叠层的电池的转换效率为12.4％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种薄膜太阳能电池，包括玻璃基板、前电极、多结硅基薄膜电池的各层系以及背电极，其特征在于：所述多结硅基薄膜电池的底电池的N层为复合叠层结构。

2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述N层复合叠层结构依次包括非晶N型a-Si、纳米硅氧μc-SiOx或纳米硅碳μc-SiCx薄膜，和非晶N型a-Si或者N型微晶硅μc-Si层。

3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述纳米硅氧μc-SiOx或纳米硅碳μc-SiCx薄膜的导电类型为N型。

4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述纳米硅氧μc-SiOx或纳米硅碳μc-SiCx薄膜的制备采用射频等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术或甚高频等离子体增强化学气相沉积技术或电子回旋共振化学气相沉积技术或微波等离子体化学气相沉积技术。

5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述复合叠层结构为a-Si/μc-SiOx/a-Si，或a-Si/μc-SiOx/μc-Si，或μc-Si/μc-SiOx/a-Si或a-Si/μc-SiCx/a-Si，或a-Si/μc-SiCx/μc-Si，或μc-Si/μc-SiCx/a-Si结构。

6.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述复合叠层结构中的SiOx或SiCx为掺杂的结晶化的导电层，晶化率在20-70％，厚度在2-150nm，折射率为1.8-2.8，电导率为10^-1-10^-8S/cm。

7.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述复合叠层结构中的a-Si，掺杂浓度在0.2％-10％，厚度在2-15nm。

8.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述复合叠层结构中的μc-Si，掺杂浓度在1％-5％，厚度在4-10nm。

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