CN104300017B - 具有多孔高电阻层的薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜和一种新结构薄膜太阳能电池。本发明提出了一种在薄膜太阳能电池光入射前电极处，增加一层多孔高电阻薄膜的新结构薄膜太阳能电池。通过在半导体材料和前导电电极材料之间增加一层多孔高电阻薄膜(以下简称高电阻薄膜)，既可以实现高电阻薄膜有效阻挡漏电通道的作用，同时又给光生载流子的传输保留了低阻通道。

Description

具有多孔高电阻层的薄膜太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能光伏器件制备领域，特别涉及一种具有多孔高电阻薄膜的新结构薄膜太阳能电池。

背景技术

一般而言，薄膜太阳能电池的结构主要包括以下部分：透明导电层(作为电池的前电极负极)、N型半导体层(又叫窗口层)、P型半导体层(吸收层)和电池背电极层(正极)，如图1所示。作为太阳光入射处的窗口层，N型半导体薄膜通常很薄，以尽可能减少短波长光在此薄膜中的吸收损失。窗口层薄膜越薄，薄膜就越容易出现孔洞、不连续等缺陷，使得透明导电层和吸收层，即P型半导体层直接接触，形成电池器件短路通道。短路通道所引起的漏电是高转换效率太阳能电池制造面临的关键技术问题之一。为了克服短路通道引起的漏电，人们常常在电池中加入一层厚度和导电均匀的高电阻薄膜，阻挡漏电通道的形成，电池的漏电大为减少，电池的并联电阻增大，电池性能得到提高。然而，加入高电阻薄膜之后，对光生载流子的正常输运同样起到阻碍效果，导致电池的串联电阻相应增大，而这对于器件性能的提高是不利的。

为了发挥高电阻薄膜阻挡光伏器件漏电通道的作用，同时减小其对光生载流子传输造成的电阻增大效应，本发明通过在薄膜太阳能电池中引入一种多孔高电阻薄膜材料的方法，在保持高电阻薄膜减小漏电的前提下，降低其对载流子传输造成的电阻效应，因而可以提高太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的一个方面提供一种用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜是多孔的，并且所述高电阻薄膜具有室温(300K)下高于5×10²Ω·cm的电阻率，优选高于1×10³Ω·cm的电阻率，再优选高于1×10⁴Ω·cm的电阻率，最优选高于1×10⁵Ω·cm的电阻率，并且具有高于90％的太阳光谱宽谱透光率，优选高于95％的太阳光谱宽谱透光率，再优选高于97％的太阳光谱宽谱透光率，最优选高于99％的太阳光谱宽谱透光率。

在本发明的一个实施方式中，孔隙的大小和孔隙在薄膜中的分布是均匀的。

在本发明的一个实施方式中，孔隙的大小和孔隙在薄膜中的分布是不均匀的。

在本发明的一个实施方式中，光生载流子在电极与半导体间的低电阻输运通道为所述高电阻薄膜的孔隙处，光生载流子在高电阻薄膜中的传输主要通过高电阻薄膜中的低阻输运通道传导到电池前电极。

在本发明的一个实施方式中，高电阻薄膜的材料选自本征的宽禁带氧化物或者半导体和绝缘体。

在本发明的一个实施方式中，高电阻薄膜的材料为SnO₂、ZnO、Zn₂SnO₄或Al₂O₃。

在本发明的一个实施方式中，高电阳薄膜的厚度为1纳米至200纳米，优选1纳米至100纳米，再优选1纳米至50纳米，最优选5纳米至30纳米。

在本发明的一个实施方式中，高电阻薄膜材料通过物理溅射、热蒸发、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、物理气相沉积或喷涂热解法形成。

在本发明的一个实施方式中，高电阻薄膜的不连续结构通过以下方法形成：在制备过程中自发形成；或对连续高电阻薄膜进行后续处理以对其形貌进行调控；或者采用光刻或电子束刻蚀技术获得具有几何孔隙的高电阻薄膜。

本发明的另一个方面涉及一种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池在入射光前电极与半导体之间具有根据本发明的高电阻薄膜。

附图说明

本发明上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：为薄膜太阳能电池结构示意图。1-入射光；2-透明导电层；3-N型半导体层；4-P型半导体层；5-背电极层，6-玻璃衬底，7-入射光。

图2：为不加入高电阻薄膜的碲化镉薄膜太阳能电池结构示意图。1-金属背电极；2-CdTe；3-CdS；4-TCO前电极；5-玻璃衬底；6-漏电通道。

图3：为采用连续均匀高电阻薄膜的碲化镉薄膜太阳能电池的示意图。1-金属背电极；2-CdTe；3-CdS；4-高电阻薄膜；5-TCO前电极；6-玻璃衬底。

图4：为采用多孔高电阻薄膜的碲化镉薄膜太阳能电池的示意图。1-金属背电极；2-CdTe；3-CdS；4-多孔高电阻薄膜层；5-TCO前电极；6-玻璃衬底；7-被阻挡的漏电通道；8-未被阻挡的漏电通道。

图5：为加入多孔高电阻薄膜的新结构碲化镉薄膜太阳能电池的串联电阻随多孔高电阻薄膜厚度变化的示意图。该电池的多孔高电阻薄膜为SnO₂氧化物薄膜。

图6：为加入多孔高电阻SnO₂薄膜的新结构碲化镉薄膜太阳能电池的并联电阻随多孔高电阻SnO₂薄膜厚度变化的示意图。

图7：为加入多孔高电阻SnO₂薄膜的新结构碲化镉薄膜太阳能电池的转化效率随多孔高电阻SnO₂薄膜厚度变化的示意图。

图8：具有多孔高电阻薄膜的新结构薄膜太阳能电池结构示意图。1-背电极；2-P型半导体；3-N型半导体2；4-多孔高电阻薄膜；5-前电极；6-衬底；7-光照；8-被阻挡的漏电通道；9-未被阻挡的漏电通道。

具体实施方式

本发明旨在解决上述问题，即在采用高电阻薄膜降低短路通道引起漏电的同时，减小高电阻薄膜对光生载流子输运的阻碍作用。为了实现以上目的，本发明的一个具体实施方式提供一种具有多孔高电阻薄膜的新结构薄膜太阳能电池，其特征在于：

高电阻薄膜薄膜是不连续的，即薄膜中存在孔隙，孔隙在拓扑结构上分布均匀。

在本发明的一个具体实施方式中，载流子在高电阻薄膜传输时的密度分布是不均匀的，对于不连续的多孔高电阻薄膜，载流子在电极与半导体间的低阻输运通道为孔隙处。载流子在高电阻薄膜中的传输集中于低阻输运通道。

在本发明的一个具体实施方式中，高电阻薄膜材料具有较高的电阻率，高阻材料可以是本征的宽禁带半导体，也可以是绝缘体。

在本发明的一个具体实施方式中，对于太阳光谱中能量相对集中的波段，高电阻薄膜在作为窗口层的一部分时具有很高的透光率，太阳光谱的吸收损失非常小。

在本发明的一个具体实施方式中，高电阻薄膜材料可以通过物理溅射、热蒸发、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、物理气相沉积、喷涂热解法等其他薄膜制备方法制备。

在本发明的一个具体实施方式中，通过加入多孔高电阻薄膜，光伏器件的漏电通道被有效阻挡，但同时给光生载流子的正常输运留下低阻通道，器件的并联电阻可以大大提高，而串联电阻没有增大，或者没有明显增大。这种新电池结构，在保持高电阻薄膜作用的前提下避免了引入高电阻薄膜后引起串联电阻的增大，从而综合效果是太阳能电池的转换效率提高。

在本发明的一个具体实施方式中，多孔高电阳薄膜的引入，有效地阻挡了漏电通道，同时又给载流子正常输运保留了低阻通道。电池器件的并联电阻大大提高，而串联电阻没有明显增加，提高了太阳能电池的转换效率。具体效果见本发明的CdTe薄膜电池实例验证。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的新电池结构及实际器件性能在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是实例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

我们以碲化镉薄膜太阳能电池为例，展示本发明所述的多孔高电阻薄膜对于提高太阳能电池转换效率的作用。

参考图2所示，传统的碲化镉薄膜太阳能电池由玻璃衬底，透明导电氧化物(TCO)前电极，硫化镉(CdS)层，碲化镉(CdTe)层和金属背电极组成，光从前电极一侧入射。为使光在硫化镉层中的吸收尽可能小，该层的厚度需要尽可能薄，一般在几十纳米到三百纳米之间。在后续CdTe沉积和热处理过程中，CdS和CdTe之间发生相互扩散反应，CdS薄膜中有较大的几率出现针孔。碲化镉通过这些针孔与前电极产生直接接触，形成短路通道，引起电池漏电。为此，人们常常在TCO上沉积一层均匀的高电阻薄膜，参考图3所示。加入高电阻薄膜后，漏电通道被阻挡，电池的漏电大为减少，电池的并联电阻大幅度增大，电池性能得到改善。然而，加入高电阻薄膜之后，正常的载流子输运也会受到一定程度的阻碍，导致电池的串联电阻相应增大，这对于器件性能是不利的。

采用多孔高电阻薄膜可以很好地解决以上问题。高电阻薄膜的多孔性体现为高电阻薄膜不连续，即薄膜中存在孔隙。我们假定孔隙处以外其他部分的厚度相同，作为本发明的实施例进行说明，参考图4所示电池结构。由于电池前电极TCO薄膜表面的大部分区域有高电阻薄膜覆盖，因而大部分的漏电通道被阻挡。与此同时，未被高电阻薄膜覆盖的孔隙部分在沉积了硫化镉后，却可以作为光生载流子输运的低阻通道，孔隙周围的载流子不需要穿过高电阻薄膜，通过较短距离的、薄膜平面内的横向漂移后，通过孔隙传输到前电极TCO，因此该结构电池由于加入高电阻薄膜引起的串联电阻的增加远小于图3所示的均匀高电阻薄膜的情况，有利于电池转换效率的提升。

我们采用射频磁控溅射方法制备多孔高电阻薄膜。衬底采用Nippon Sheet GlassCo.，Ltd.生产的SnO₂：F(FTO)导电玻璃。高电阻薄膜材料选用二氧化锡，因其透光率高，电阻率高，与FTO衬底的晶格匹配好。溅射靶材采用纯度为99.99％二氧化锡靶材。实验采用Beijing Technol Science Co.，LTD生产的磁控溅射设备，射频溅射正向功率为60W，溅射过程中氧气流量为2.0sccm，氩气流量为8.0sccm。我们生长了厚度为5nm，10nm，20nm，30nm的二氧化锡高电阻薄膜。原子力显微镜的结果显示，样品的表面粗糙度在生长了二氧化锡高电阻薄膜后有明显改变。因此，对于较薄的薄膜，如5nm的高电阻薄膜，薄膜是不连续的，即存在孔隙。透射光谱测量显示，高电阻薄膜的引入对导电玻璃透光率基本没有影响。

碲化镉薄膜太阳能电池的制备步骤是，在高电阻薄膜覆盖的FTO导电玻璃上，依次利用化学水浴法制备硫化镉层，近空间升华法制备碲化镉层，Cu/Au金属背接触层通过热蒸发法制备。至此，完成了本发明实施例的具有不均匀高电阻薄膜的碲化镉薄膜太阳能电池结构的制备。

为了更好地理解本发明的效果，以下结合实验数据进行说明。参考图5-7所示，在高电阻薄膜厚度为5nm和10nm时，相比于没有高电阻薄膜的情况，电池并联电阻显著增加，说明大量漏电通道被有效阻挡，电池漏电受到明显抑制；与此同时，电池串联电阻相比于没有高电阻薄膜的情况却未见明显增加，说明低阻通道的存在有效地避免了载流子的输运受到阻碍。这样的实验结果与前述理论模型是相符合的。更重要的是，在高电阻薄膜厚度为5nm和10nm时，电池光电转换效率相比于没有高电阻薄膜的情况有大幅提升，这说明我们采用的多孔高电阻薄膜确实可以有效提高电池转化效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜是多孔的，厚度为1纳米至10纳米，具有高于500Ω·cm的电阻率和高于90％的太阳光谱宽谱透光率，所述高电阻薄膜位于前电极与半导体之间，并且所述高电阻薄膜的多孔结构是在制备过程中自发形成的。

2.如权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜的孔隙的大小和孔隙在薄膜中的分布是均匀的。

3.如权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜的孔隙的大小和孔隙在薄膜中的分布是不均匀的。

4.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，其中光生载流子在电极与半导体间的低电阻输运通道为所述高电阻薄膜的孔隙处，光生载流子在高电阻薄膜中的传输主要通过高电阻薄膜中的低阻输运通道传导到电池前电极。

5.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜的材料选自半导体和绝缘体。

6.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜的材料选自本征的宽禁带氧化物。

7.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜的材料为SnO₂、ZnO、Zn₂SnO₄或Al₂O₃。

8.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的高电阻薄膜，所述高电阻薄膜材料通过物理溅射、热蒸发、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、物理气相沉积或喷涂热解法形成。

9.一种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池具有如权利要求1至8中的任一项所述的高电阻薄膜。