CN103296145A - 用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器 - Google Patents

用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器 Download PDF

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Abstract

一种用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器，由低折射率介质和高折射率介质周期性交叠构成，通过调整周期厚度，可在500-750nm、650-1100nm、700-1200nm波段分别取得96%、99%、99%的平均反射率，分别适合于用作单结非晶硅薄膜太阳电池、双结非晶硅/微晶硅和三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池的背反射器。本发明的优点是：采用光子晶体作为硅基薄膜太阳电池背反射器，克服了采用Ag背反射器成本高和其他金属背反射器反射率不够的问题，保证了高效率和降低原材料成本，有助于提高电池开路电压，提升电池稳定性；与电池工艺兼容，有助于降低设备投资和厂房面积，提升产能。

Description

用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器
技术领域
本发明涉及硅基薄膜太阳电池技术领域，特别是一种用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器。
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。硅基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。
目前已实现规模化生产的硅基薄膜太阳电池主要有单结非晶硅太阳电池、双结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池以及三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池等。
单结非晶硅薄膜太阳电池太阳光谱吸收范围为400-750nm，其厚度在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，造成电池效率下降。因此，需要在电池背后加背反射器，将500-750nm的光反射回电池内部，增加吸收，提高效率。
双结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池太阳光谱吸收范围为400-1100nm，顶电池非晶硅厚度一般在150-300nm之间，而底电池微晶硅厚度一般在1.5-2.5um之间，此时波长介于650-1100nm的光不能被电池完全吸收。故对于双结叠层太阳电池来说，同样需要一种背反射器，能将650-1100nm的光完全反射回电池内部，以增加吸收。
三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池光谱吸收范围为400-1200nm，三叠层总厚度在2-3.5um之间。此时，波长为700-1200nm的光不能被电池完全吸收，有部分光到达电池底部并透过电池，同样需要在电池后添加背反射器，要求在700-1200nm波段有高的反射。
在实验室中，不论是哪种类型的硅基薄膜太阳电池，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500-1200nm光谱吸收范围内的反射率高达95%以上。但Ag是贵重金属，若在产业化中使用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和不锈钢的反射率远不及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，电池开路电压下降，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，提供一种用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器，通过调整周期厚度，即可满足不同类型硅基薄膜太阳电池背反射器的要求，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：
一种用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器，由衬底和一维光子晶体组成叠层结构，其中一维光子晶体背反射器是由高折射率介质和低折射率介质周期性交叠构成，周期数大于等于2个整数周期，周期厚度为100-1200nm，通过改变周期厚度，可得到在不同波长范围内的禁带；所述低折射率介质折射率介于1.4-2.0，高折射率介质折射率介于3.0-5.0。
所述衬底为玻璃、不锈钢或塑料。
所述低折射率介质为氧化硅膜或氮化硅膜；所述高折射率介质为氢化非晶硅膜或氢化微晶硅膜。
一种所述用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器的制备方法，低折射率介质和高折射率介质采用PECVD设备沉积，沉积工艺与硅基薄膜太阳电池沉积工艺兼容，方法是：首先在玻璃衬底上沉积低折射率介质，而后沉积高折射率介质，二者作为一个周期，接着再沉积后续整数周期，制得一维光子晶体；采用PECVD设备沉积的工艺参数为：功率密度10-500mW/cm2；温度100-400℃；气压50-500Pa；硅烷流量5-100SCCM；氢气流量10-500SCCM；磷烷流量0-50SCCM；二氧化碳或氨气流量0-100SCCM；沉积时间1-100min。
一种所述用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器的应用，用于单结非晶硅、双结非晶硅/微晶硅或三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池，通过改变周期厚度，可得到在不同波长范围内的禁带；当周期厚度为100-200nm时，禁带位置位于500-750nm，适用于单结非晶硅薄膜太阳电池；当周期厚度介于150-300nm时，禁带位置位于650-1100nm，适用于双结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池；当周期厚度介于170-400nm时，禁带位置位于700-1200nm，适用于三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池。
本发明的有益效果是：
1）通过调整周期厚度，可分别在500-750nm、650-1100nm、700-1200nm波段取得高达96%、99%、99%的平均反射率，达到或超过Ag的反射率（95%），优于Al和不锈钢，分别适用于单结非晶硅、双结非晶硅/微晶硅和三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池；
2）禁带可调式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，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，通过和透明导电膜相结合作为背反射电极，可提高电池开路电压，提升电池稳定性；
3）禁带可调式一维光子晶体背反射器的沉积工艺与硅基薄膜太阳电池工艺兼容，即可以采用沉积硅基薄膜电池的设备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、氢气和二氧化碳或氨气等，相比于金属Ag，原材料成本大幅降低；
4）此外，高、低折射率介质层只关注光学性能，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是本发明禁带可调式光子晶体背反射器结构示意图。
图中：1.衬底      2.一维光子晶体  3.低折射率介质层
4.高折射率介质层  5.一个周期
图2是适用于单结非晶硅电池的一维光子晶体背反射器反射率谱线图；
图中：（a）光子晶体反射谱线；（b）Ag反射谱线；（c）Al反射谱线。
图3是适用于双结非晶硅/微晶硅叠层电池的一维光子晶体背反射器反射率谱线图；
图中：（a）光子晶体反射谱线；（b）Ag反射谱线；（c）Al反射谱线。
图4是适用于三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层电池的一维光子晶体背反射器反射率谱线图；
图中：（a）光子晶体反射谱线；（b）Ag反射谱线；（c）Al反射谱线。
图5是采用一维光子晶体作为背反射器的硅基薄膜太阳电池结构示意图。
图中：1.衬底  2.一维光子晶体   6.透明导电膜  7.n型氢化非晶硅8.本征氢化非晶硅  9.p型氢化非晶硅  10.透明前电极
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1：
一种禁带可调式光子晶体背反射器，适用于单结非晶硅薄膜太阳电池，如图1所示，包括衬底1，由低折射率的氧化硅膜3和高折射率的氢化非晶硅膜4周期性交叠构成，总周期数为5，周期厚度200nm。
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1.5，厚度170nm，沉积参数如下：功率密度150mW/cm2、温度200℃、气压200Pa、硅烷流量30SCCM、氢气流量60SCCM、二氧化碳流量20SCCM、沉积时间8min。
氢化非晶硅膜采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷、氢气，折射率4.5，厚度30nm，沉积参数如下：功率密度30mW/cm2、温度150℃、气压100Pa、硅烷流量50SCCM、氢气流量50SCCM、沉积时间5min。
该光子晶体结构在空气中的反射率见图2。在非晶硅太阳电池吸收光谱范围内（400nm-750nm），只有500nm-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。
实施例2：
一种禁带可调式光子晶体背反射器，适用于双结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，如图1所示，包括衬底1，由低折射率的氧化硅膜3和高折射率的氢化非晶硅膜4周期性交叠构成，总周期数为5，周期厚度250nm。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1.5，厚度200nm，沉积参数如下：功率密度150mW/cm2、温度200℃、气压200Pa、硅烷流量30SCCM、氢气流量60SCCM、二氧化碳流量20SCCM、沉积时间：11min。
氢化非晶硅膜采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷、氢气，折射率4.5，厚度50nm，沉积参数如下：功率密度30mW/cm2、温度150℃、气压100Pa、硅烷流量50SCCM、氢气流量50SCCM、沉积时间8min。
该光子晶体结构在空气中的反射率见图3。在到达双结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池底部的太阳光谱（650nm-1100nm）波段范围内，光子晶体的平均反射率达到99%，优于Ag，远超Al。
实施例3：
一种禁带可调式光子晶体背反射器，适用于三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池，如图1所示，包括衬底1，由低折射率的氧化硅膜3和高折射率的氢化非晶硅膜4周期性交叠构成，总周期数为5，周期厚度280nm。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1.5，厚度200nm，沉积参数如下：功率密度150mW/cm2、温度200℃、气压200Pa、硅烷流量30SCCM、氢气流量60SCCM、二氧化碳流量20SCCM、沉积时间11min。
氢化非晶硅膜采用RF-PECVD制备，气源采用硅烷、氢气，折射率4.5，厚度80nm，沉积参数如下：功率密度30mW/cm2、温度150℃、气压100Pa、硅烷流量50SCCM、氢气流量50SCCM、沉积时间10min。
该光子晶体结构在空气中的反射率见图4。在到达三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池底部的太阳光谱（700nm-1200nm）波段范围内，光子晶体的平均反射率达到99%，优于Ag，远超Al。
实施例4：
一种采用光子晶体作为背反射器的单结非晶硅薄膜太阳电池，如图5所示，包括衬底1、一维光子晶体2、透明导电膜6、n型氢化非晶硅7、本征氢化非晶硅8、p型氢化非晶硅9、透明前电极10，其中衬底1采用普通浮法玻璃，透明前电极10采用氧化铟锡（ITO），本征氢化非晶硅5厚度300nm。一维光子晶体采用实施例1，光辐照面积为0.31cm2。该光子晶体非晶硅薄膜太阳电池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%。采用相同工艺制备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%。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，采用光子晶体作为背反射器的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，但原材料成本比Ag低，同时稳定性和工艺兼容性得以提升，有助于提升产能。

Claims (5)

1.一种用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器，其特征在于：由衬底和一维光子晶体组成叠层结构，其中一维光子晶体背反射器是由高折射率介质和低折射率介质周期性交叠构成，周期数大于等于2个整数周期，周期厚度为100-1200nm，通过改变周期厚度，可得到在不同波长范围内的禁带；所述低折射率介质折射率介于1.4-2.0，高折射率介质折射率介于3.0-5.0。
2.根据权利要求1所述用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器，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所述用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器，其特征在于：所述低折射率介质为氧化硅膜或氮化硅膜；所述高折射率介质为氢化非晶硅膜或氢化微晶硅膜。
4.一种如权利要求1所述用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器的制备方法，其特征在于：低折射率介质和高折射率介质采用PECVD设备沉积，沉积工艺与硅基薄膜太阳电池沉积工艺兼容，方法是：首先在玻璃衬底上沉积低折射率介质，而后沉积高折射率介质，二者作为一个周期，接着再沉积后续整数周期，制得一维光子晶体；采用PECVD设备沉积的工艺参数为：功率密度10-500mW/cm2；温度100-400℃；气压50-500Pa；硅烷流量5-100SCCM；氢气流量10-500SCCM；磷烷流量0-50SCCM；二氧化碳或氨气流量0-100SCCM；沉积时间1-100min。
5.一种如权利要求1所述用于硅基薄膜太阳电池的禁带可调式光子晶体背反射器的应用，其特征在于：用于单结非晶硅、双结非晶硅/微晶硅或三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池，通过改变周期厚度，可得到在不同波长范围内的禁带；当周期厚度为100-200nm时，禁带位置位于500-750nm，适用于单结非晶硅薄膜太阳电池；当周期厚度介于150-300nm时，禁带位置位于650-1100nm，适用于双结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池；当周期厚度介于170-400nm时，禁带位置位于700-1200nm，适用于三结非晶硅/非晶硅锗/微晶硅叠层太阳电池。
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