CN104538477A - 一种硅基薄膜叠层太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基薄膜叠层太阳能电池，所述硅基薄膜叠层太阳能电池包括：PIN结构非晶硅薄膜电池和NIP结构微晶硅薄膜电池；所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池通过透明粘结层进行粘结。相应的，本发明还提供了一种硅基薄膜叠层电池的制备方法。本发明提供的硅基薄膜叠层太阳能电池最大输出功率高，光电转换效率高；制备方法工艺简单、易操作。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，具体地说涉及一种硅基薄膜叠层太阳能电池及其制备方法。
背景技术
薄膜太阳能电池是将一层薄膜制备成太阳能电池，其用硅量极少，易降低生产成本。同时它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。
目前常见的非晶硅/微晶硅薄膜叠层太阳能电池，是由非晶硅和微晶硅分别组成的子电池串联而成。这样，在非晶硅/微晶硅薄膜叠层太阳能电池的实际应用时，非晶硅电池和微晶硅电池的工作电流相等。因此，在进行非晶/微晶薄膜叠层太阳能电池的设计时，需要调节非晶硅电池和微晶硅电池的最大工作点电流(Imax)，使得两个子电池串联工作时具有较大的工作电流。这样，为了满足非晶硅电池和微晶硅电池工作电流的匹配性，需要对两个子电池同时进行调整，这就造成了非晶硅和微晶硅两个子电池的转化效率都会偏离各自原有的最优值。这样就会造成两个电池都不能达到各自独立工作时的最大输出功率，即表现为“1+1<2”的效应。
另外，调节两个电池的电流匹配时，需要同时考虑两个电池性能的改变，由于变量较多，因此调节工艺复杂、制造难度大。
发明内容
为了解决现有技术中，薄膜叠层太阳能电池最大输出功率不高，且制备工艺复杂、难度大的问题，本发明提供了一种硅基薄膜叠层太阳能电池及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种硅基薄膜叠层太阳能电池，所述硅基薄膜叠层电池包括：PIN结构非晶硅薄膜电池和NIP结构微晶硅薄膜电池；其中，
所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池通过透明粘结层进行粘结。
根据本发明的一个具体实施方式，所述透明粘结层的厚度为10μm～500μm。
根据本发明的另一个具体实施方式，所述透明粘结层由粘结材料构成。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述透明粘结层由两层粘结材料和一层透明绝缘薄膜组成，所述透明绝缘薄膜设置于上述两层粘结材料之间。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述粘结材料包括：EVA、PVB、TPO、TPU和/或透明硅胶。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述透明绝缘薄膜为绝缘塑料，包括ETFE、PFA、FEP、CTFE、PET。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述一层粘结材料的厚度为10μm～200μm；所述透明塑料的厚度为10μm～200μm。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述微晶硅薄膜电池的节结数可调。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述非晶硅薄膜电池的开路电压与所述微晶硅薄膜电池的开路电压相同；
所述非晶硅薄膜电池的最大功率点电压与所述微晶硅薄膜电池的最大功率点电压相同。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池的输出电极引线同极连接。
根据本发明的又一个具体实施方式，所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池的输出电极引线分别单独引出。
根据本发明的另一个方面，提供一种硅基薄膜叠层太阳能电池的制备方法，其中，所述制备方法包括：
a)制备PIN结构非晶硅薄膜电池；
b)制备NIP结构微晶硅薄膜电池；
c)采用透明粘结层对所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池进行粘结。
本发明提供的硅基薄膜叠层电池，先分别制备PIN结构非晶硅薄膜电池和NIP结构微晶硅薄膜电池，再用透明粘结层将上述两个电池进行粘结。这种硅基薄膜叠层电池制备过程中无需进行两个电池的电流匹配，工艺简单；且能显著提高硅基薄膜叠层电池的光电转化效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1所示为非晶硅薄膜电池的结构示意图；
图2所示为微晶硅薄膜电池的结构示意图；
图3所示为根据本发明提供的一种硅基薄膜叠层电池的一个具体实施方式的结构示意图；
图4所示为根据本发明提供的一种硅基薄膜叠层电池的另一个具体实施方式的结构示意图；
图5所示为根据本发明提供的一个硅基薄膜叠层电池的制备方法的一个具体实施方式的流程示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
参考图1～图4，本发明提供了一种硅基薄膜叠层电池，所述硅基薄膜叠层电池包括：PIN结构非晶硅薄膜电池(如图1所示)和NIP结构微晶硅薄膜电池(如图2所示)。其中，非晶硅薄膜电池的电学参数为：开路电压Voc1、最大功率点电压Vmpp1。微晶硅薄膜电池的电学参数为：开路电压Voc2、最大功率点电压Vmpp2。
所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池通过透明粘结层进行粘结，层压封装成组件。优选的，所述透明粘结层的厚度为10μm～500μm，例如：10μm、255μm或500μm。可选的，所述透明粘结层为单层结构，即由粘结材料构成。可选的，所述透明粘结层为复合结构，由两层粘结材料和一层透明塑料组成，所述透明塑料设置于上述两层粘结材料之间。
优选的，所述粘结材料包括但不限于：EVA(Ethylene/vinyl acetatecopolymer，乙烯-醋酸乙烯共聚物)、PVB(PolyVinyl Butyral，聚乙烯醇缩丁醛)、TPO(2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦)、TPU(Thermoplastic PolyUrethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)和/或透明硅胶。优选的，所述透明塑料为绝缘塑料，其包括但不限于：ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene，乙烯-四氟乙烯共聚物)、PFA(Poly Fluoro Alkoxy，四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)、FEP(氟塑料46)、CTFE(Chlorotrifluor Ethylene，三氟氯乙烯)、PET(Polyethylene terephthalate，涤纶树脂)。
优选的，当所述透明粘结层为复合结构时，其中每层粘结材料的厚度为10μm～200μm，例如：10μm、110μm和200μm；所述透明塑料的厚度为10μm～200μm，例如：10μm、110μm和200μm。
可选的，所述微晶硅薄膜电池的节结数可调。通过调节微晶硅薄膜电池的节结数，可使硅基薄膜叠层电池在工作时满足：非晶硅薄膜电池的开路电压与所述微晶硅薄膜电池的开路电压相同，所述非晶硅薄膜电池的最大功率点电压与所述微晶硅薄膜电池的最大功率点电压相同；即：Voc1＝Voc2，Vmpp1＝Vmpp2。非晶硅薄膜电池的输出电极引线与微晶硅薄膜电池的输出电极引线同极连接在一起，即非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池通过并联方式连接在一起，如图3所示。在这种连接方式下，在硅基薄膜叠层电池工作时，非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池的电压相同，二者电流相加，可有效提高整个硅基薄膜叠层电池的光电转化效率。
除了能像上文所述将非晶硅薄膜电池与微晶硅薄膜电池进行并联连接之外，还可以将非晶硅薄膜电池的输出电极引线和微晶硅薄膜电池的输出电极引线分别单独引出，使非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池分别成为两个独立的发电系统。在硅基薄膜叠层电池工作时，非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池相互独立工作，可有效提高硅基薄膜叠层电池的光电转化效率。
参考图5，图5所示为本发明提供的一种硅基薄膜叠层电池的制备方法的一个具体实施方式的流程示意图。
步骤S101，制备PIN结构非晶硅薄膜电池。
提供一衬底100，在所述衬底100上形成透明导电氧化物层200。优选的，衬底100为玻璃。可选的，透明导电氧化物层200采用化学气相沉积方法沉积的方法形成。可选的，透明导电氧化物层200的材料包括但不限于氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)等。
在所述透明导电氧化物层200上形成非晶硅PIN结300，其依次包括：非晶硅P型层300P，非晶硅I型层300I和非晶硅N型层300N。在PIN结构非晶硅电池中，非晶硅P型层300P是受光面，不仅要有高的电导率，小的串联电阻，还要有较高的光透射率。通常，非晶硅P型层300P选用P型硼掺杂非晶硅材料制成。可选的，非晶硅I型层300I采用化学气相沉积法沉积非晶硅材料形成。在PIN结构非晶硅电池中，非晶硅N型层300N一般要求重掺杂，以便有较高的电导率。可选的，采用激光脉冲沉积法、分子束外延法、溅射法和/或其他合适的方法形成所述非晶硅N型层300N。
在非晶硅PIN结300上形成背电极层400。非晶硅薄膜电池中，背电极层400高效的捕光能力是提高太阳电池性能的重要因素。可选的，上述背电极层400采用氧化锌/银(ZnO/Ag)材料沉积形成或者采用二氧化硅、氧化锡、氧化锌组合形成的复合透明导电膜代替氧化铟锑或单层透明导电膜形成。
之后，在背电极层400上形成输出电极引线600。
可以理解，在制备该PIN结构非晶硅薄膜电池的过程中，还需进行划线操作，以使该非晶硅薄膜电池形成串联结构。该划线操作使用常规方式进行，包括但不限于激光烧蚀或者化学刻蚀。
非晶硅薄膜电池的电学参数为：开路电压Voc1、最大功率点电压Vmpp1。
步骤S102，制备NIP结构微晶硅薄膜电池。
提供一衬底100，在所述衬底100上形成透明导电氧化物层200。相对于PIN结构而言，NIP结构对衬底100的透明性几乎没有要求，可以使用许多廉价的材料作为衬底100，例如可以使用聚合物、不锈钢等不透明材料作为衬底100。优选的，衬底100为玻璃。可选的，透明导电氧化物层200采用化学气相沉积方法沉积的方法形成。可选的，透明导电氧化物层200的材料包括但不限于氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)等。
在所述透明导电氧化物层200上形成微晶硅NIP结500，其依次包括：微晶硅N型层500N，微晶硅I型层500I和微晶硅P型层500P。在NIP结构微晶硅电池中，微晶硅N型层500N特别重要。由于本征层(微晶硅I型层500I)形成于微晶硅N型层500N上，因此，微晶硅N型层500N的特性会直接影响本征层的特性，从而影响整个电池的性能。微晶硅I型层500I作为本征层需要有良好的光学吸收性能和良好的输运特性，尽量低的缺陷态密度，尽量长的扩散长度。微晶硅P型层选用P型硼掺杂微晶硅材料制成。
在微晶硅NIP结500上形成背电极层400。微晶硅薄膜电池中，电极层400高效的捕光能力是提高太阳电池性能的重要因素。可选的，上述电极层400采用氧化锌/银(ZnO/Ag)材料沉积形成或者采用二氧化硅、氧化锡、氧化锌组合形成的复合透明导电膜代替氧化铟锑或单层透明导电膜形成。
之后，在背电极层400上形成输出电极引线700。
可以理解，在制备该NIP结构微晶硅薄膜电池的过程中，还需进行划线操作，以使该非晶硅薄膜电池形成串联结构。该划线操作使用常规方式进行，包括但不限于激光烧蚀或者化学刻蚀。
可选的，所述微晶硅薄膜电池的节结数可调。可以通过调节节结数来调节微晶硅薄膜电池的电学参数。微晶硅薄膜电池的电学参数为：开路电压Voc2、最大功率点电压Vmpp2。
步骤S103，采用透明粘结层对所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池进行粘结。优选的，所述透明粘结层的厚度为10μm～500μm，例如：10μm、255μm或500μm。
可选的，所述透明粘结层为单层结构，即由粘结材料构成。在粘结时，首先敷设PIN结构非晶硅薄膜太阳能电池，然后敷设透明粘结层，之后将所述NIP结构微晶硅薄膜太阳能电池敷设于所述透明粘结层之上，最后进行层压。
可选的，所述透明粘结层为复合结构，由两层粘结材料和一层透明塑料组成，所述透明塑料设置于上述两层粘结材料之间。在使用复合结构的透明粘结层进行粘结时，首先敷设PIN结构非晶硅薄膜太阳能电池，然后敷设一层粘结材料，再敷设一层透明塑料，在透明塑料上再敷设一层NIP结构微晶硅薄膜太阳能电池，最后进行层压。
优选的，所述粘结材料包括但不限于：EVA(Ethylene/vinyl acetatecopolymer，乙烯-醋酸乙烯共聚物)、PVB(PolyVinyl Butyral，聚乙烯醇缩丁醛)、TPO(2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦)、TPU(ThermoplasticPolyUrethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)和/或透明硅胶。优选的，所述透明塑料为绝缘塑料，其包括但不限于：ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene，乙烯-四氟乙烯共聚物)、PFA(Poly Fluoro Alkoxy，四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)、FEP(氟塑料46)、CTFE(Chlorotrifluor Ethylene，三氟氯乙烯)、PET(Polyethylene terephthalate，涤纶树脂)。
优选的，当所述透明粘结层为复合结构时，其中每层粘结材料的厚度为10μm～200μm，例如：10μm、110μm和200μm；所述透明塑料的厚度为10μm～200μm，例如：10μm、110μm和200μm。
由于所述微晶硅薄膜电池的节结数可调，因此可以通过调节微晶硅薄膜电池的节结数，使硅基薄膜叠层电池在工作时满足：非晶硅薄膜电池的开路电压与所述微晶硅薄膜电池的开路电压相同，所述非晶硅薄膜电池的最大功率点电压与所述微晶硅薄膜电池的最大功率点电压相同；即：Voc1＝Voc2，Vmpp1＝Vmpp2。
在粘结时，可将非晶硅薄膜电池的输出电极引线与微晶硅薄膜电池的输出电极引线同极连接在一起，即非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池通过并联方式连接在一起，如图3所示。在这种连接方式下，在硅基薄膜叠层电池工作时，非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池的电压相同，二者电流相加，可有效提高整个硅基薄膜叠层电池的光电转化效率。
除了能像上文所述将非晶硅薄膜电池与微晶硅薄膜电池进行并联连接之外，还可以将非晶硅薄膜电池的输出电极引线和微晶硅薄膜电池的输出电极引线分别单独引出，使非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池分别成为两个独立的发电系统(如图4)。在硅基薄膜叠层电池工作时，非晶硅薄膜电池和微晶硅薄膜电池相互独立工作，可有效提高硅基薄膜叠层电池的光电转化效率。
本发明提供的硅基薄膜叠层电池最大输出功率高，光电转换效率高；制备方法工艺简单、易操作。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (12)
1.一种硅基薄膜叠层太阳能电池，所述硅基薄膜叠层太阳能电池包括：PIN结构非晶硅薄膜电池和NIP结构微晶硅薄膜电池；其中，
所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池通过透明粘结层进行粘结。
2.根据权利要求1所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述透明粘结层的厚度为10μm～500μm。
3.根据权利要求1所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述透明粘结层由粘结材料构成。
4.根据权利要求1所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述透明粘结层由两层粘结材料和一层透明绝缘薄膜组成，所述透明绝缘薄膜设置于上述两层粘结材料之间。
5.根据权利要求3或4所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述粘结材料包括：EVA、PVB、TPO、TPU和/或透明硅胶。
6.根据权利要求4所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述透明绝缘薄膜为绝缘塑料，包括ETFE、PFA、FEP、CTFE、PET。
7.根据权利要求4所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，
所述一层粘结材料的厚度为10μm～200μm；
所述透明塑料的厚度为10μm～200μm。
8.根据权利要求1所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述微晶硅薄膜电池的节结数可调。
9.根据权利要求1或2所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，通过调节微晶硅薄膜的节数使得所述非晶硅薄膜电池的开路电压与所述微晶硅薄膜电池的开路电压相同；
所述非晶硅薄膜电池的最大功率点电压与所述微晶硅薄膜电池的最大功率点电压相同。
10.根据权利要求3所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池的输出电极引线同极连接。
11.根据权利要求1～4任意一项所述的硅基薄膜叠层太阳能电池，其中，所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池的输出电极引线分别单独引出。
12.一种硅基薄膜叠层太阳能电池的制备方法，其中，所述制备方法包括：
a)制备PIN结构非晶硅薄膜太阳能电池；
b)制备NIP结构微晶硅薄膜太阳能电池；
c)采用透明粘结层对所述非晶硅薄膜电池和所述微晶硅薄膜电池进行粘结。
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