CN106024919B - 非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法，所述非晶硅薄膜太阳能电池由依次连接的柔性PET基片层、SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层组成。制备方法包括：提供柔性PET基片层；在柔性PET基片层上依次沉积SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层。本发明的非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率达到10~14%，较现有的单节非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率提高了3~8%，并有效防止本征层i型非晶硅层和n型非晶硅层受到污染，适于大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能开发技术领域，具体涉及一种非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法。
背景技术
非晶硅作为一种以非晶单质形式存在的半导体材料。相比于晶体硅它具有更宽的光学吸收范围而且产品制造成本低，可以用来大批量制造光伏电池。通过掺杂+5价和+3价元素如氮、磷可以分别得到p型和n型非晶硅。受设计、制造技术等因素的限制，目前产业化的单节非晶硅薄膜太阳能电池转换效率只能达到6~7%，有待进一步提高，此外，太阳能电池普遍存在的“光致光衰效应”，一直是严重影响电池使用寿命的问题。
对于单节或多节薄膜太阳能电池，抗反射结构层、 窗口层p层及吸收层i层对薄膜太阳能电池性能的影响尤为突出。p层作为窗口层需要具有较薄的厚度和较大的带隙以使得更多的光子被本征层吸收，因为只有本征层的光吸收对产生电流有贡献。因此，太阳能电池结构的最佳光吸收设计需要最大化本征层的吸收而最小化其他层的吸收，而这样的设计方式就需要有充分的陷光结构。陷光结构的作用是增加入射界面对光的散射作用以使得更多的光射入到电池中，同时作为抗反射结构的背电极能将部分未被吸收的光反射回电池内部形成光陷阱来增加电池的转换效率。除此之外，太阳能电池的性能对p-i界面区域很敏感。在p-i界面区域的异质节中，较宽带隙p型层和较窄带隙本征层的能带之间形成带阶，带阶会成为光生空穴进入p型掺杂层的势垒。p-i界面区域的载流子产生率是本征层中最高的。所以要对p-i界面进行优化以防止光生电子向p层反向扩散。以下为现有几种比较典型的薄膜太阳能电池。
中国专利CN201510407757.7公开的薄膜太阳能电池利用网状金属纳米线替代半导体透明导电膜，可以在透光条件下大大降低膜层的电阻，并提高太阳能电池的转换效率，但是，该电池的网状金属纳米线之间的宽度是5mm，会在纳米线中间产生空隙，同时导电层与基片和光电吸收层接触，会造成光电吸收层与基片之间存在污染，降低太阳能电池的使用寿命。
中国专利CN201210529409.3公开了一种p-i-n型薄膜太阳能电池，采用基板-电极层-p-i-n层-应力层-抗反射层-电极层结构，特点是第二掺杂类型非晶硅层表面形成应力层可以提高所述n型层内电子的迁移率，降低光生电子在n型层向第二电极层漂移的过程中被复合的几率，提高到达第二电极层处的电子数量。但是该太阳能电池不具有充分的陷光结构，也并未详细公开抗反射层的细节；
中国专利CN201110315055.8公开了一种采用物理气相沉积方法沉积硅基薄膜的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，具有工艺简单、污染低的优点，但该电池结构在设计时未考虑p-i界面的带隙差异作用；
中国专利CN201220678505.X公开了一种非晶硅薄膜太阳能电池，其采用抗反射层结构来增加光的入射率，但是采用等离子体增强化学气相沉积法制造硅基薄膜，该方法对环境污染严重，且缺少由电极层及背反射层组成的陷光结构。
美国专利US009040333B2公开了一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，采用等离子气相沉积技术，获得的单节电池结构为柔性基片-金属层-第一电极层-p-i-n层-第二电极层，由于应用了柔性基片使得该电池更加适用于大批量生产；该方法的缺陷也是采用了化学气相沉积技术，工艺复杂、成本较高且污染环境，并且该方法获得的非晶硅薄膜太阳能电池转换效率和使用寿命不高。
上述专利所公开的薄膜太阳能电池的制造方法多采用化学气相沉积技术，这种技术的反应气体为易燃易爆气体，如氢气、硅烷等，制造过程还会产生有毒的尾气污染环境，并且操作过程复杂，对操作人员的技术要求较高，因此生产成本高，不利于大批量低成本制造。此外，薄膜太阳能的寿命和转换效率仍有待进一步提高。
因此，亟需从简化制造工艺、降低成本、优化电池结构、提高转换效率、延长使用寿命和降低环境污染影响这些方面来考虑对非晶硅电池进行优化。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法，能够进一步提高硅基薄膜太阳能电池的光电转换效率和使用寿命，并降低电池制造过程对环境的污染。本发明的技术方案为：
一种非晶硅薄膜太阳能电池，由依次连接的柔性PET基片层、SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层组成。
所述柔性PET基片层厚度为0.001~0.125mm。
所述SiO2陷光层厚度为400~800nm。
所述第一电极TCO层厚度为400~600nm，第二电极TCO层厚度为70~130nm。
所述p型非晶硅层厚度为10~35nm，p型缓冲层厚度为5~20nm，i型非晶硅层厚度为200~400nm，n型非晶硅层厚度为15~30nm。
所述背反射层厚度为200~800nm，可以采用反射及电学性能较好的金属材料，如铝、金、银、铂、或铜等，或者采用透明的金属氧化物，如BZO、AZO、GZO、或ITO等。
所述非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括：提供柔性PET基片层；在柔性PET基片层上依次沉积SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层。
上述制备方法中，所述沉积SiO2陷光层后对SiO2陷光层表面进行刻蚀粗糙化处理，保证刻蚀出的所有凹陷均匀一致，并且凹陷横向宽度为1~5um。
上述制备方法中，所述沉积方法采用物理气相沉积方法。
本发明与现有技术相比，具有以下特点和有益效果：本发明以柔性PET为基片，通过一种新型 p层复合结构（p型非晶硅层加p型缓冲层），结合SiO2陷光结构来提高非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率至10~14%，较现有的单节非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率提高了3~8%，并有效防止了本征层i型非晶硅层受到污染，还优化了该区域的场强分布从而有效防止光生电子向p层反向扩散；并且，为了进一步提高电池的开路电压和填充因子，在SiO2陷光层上和n型非晶硅层上分别沉积第一电极TCO层和第二电极TCO层，有效防止n型非晶硅层受到污染的同时，并促使未吸收光散射到背反射层上，再通过背反射层反射到电池内部形成光陷阱，最终达到提高电池转换效率的目的；此外，本发明的太阳能电池及制备方法，制造成本低、操作简单易行，透明柔性基片和PVD技术的结合使得该电池的制造适用于大批量生产工艺的应用如卷对卷工艺、且制造工艺成熟、绿色环保、有较大的市场化前景。
附图说明
图1为本发明的非晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图，其中1-柔性PET基片层，2-SiO2陷光层，3-第一电极TCO层，4-p型非晶硅层，5-p型缓冲层，6-i型非晶硅层，7-n型非晶硅层，8-第二电极TCO层，9-背反射层。
图2为图1中SiO2陷光层的漫反射原理图。
图3为本发明的非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法的流程示意图，其中S1~S9表示反应步骤。
图4为本发明实施例进行物理气相沉积所采用的PVD装置，其中11-操作控制器，12-真空计，13-基片及基片托架，14-靶基座装配，15-溅射枪，16-观察窗，17-超高真空+RF/DC电源。
具体实施方式
本发明实施采用的PVD装置结构如图4所示，柔性PET基片固定在基片托架上，真空室抽到高真空后（＜10-3Pa）通入氩气，启动射频或直流电源以产生辉光放电并产生等离子体来轰击靶材进而沉积不同的功能层。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的具体实施过程进行叙述，但实施例的内容并不限制本发明的保护范围。
实施例1
一种非晶硅薄膜太阳能电池，其结构如图1所示，由依次连接的柔性PET基片层、SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层组成；其中柔性PET基片层厚度为0.028mm，SiO2陷光层厚度为500nm，第一电极TCO层厚度为500nm，第二电极TCO层厚度为84nm，p型非晶硅层厚度为25nm，p型缓冲层厚度为15nm，i型非晶硅层厚度为270nm，n型非晶硅层厚度为17nm，背反射层厚度为310nm。
图2提供了本发明的SiO2陷光层的漫反射原理图，从图中可以看出：光线入射基片层后，从SiO2陷光层的内部界面发生散射，相比于平面度好未经处理的陷光层表面会有更多的光会入射到电池内部。
所述第一电极TCO层和第二电极TCO层采用AZO（氧化锌掺杂铝）材质，背反射层采用ITO材质。
所述非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，如图3所示，工艺步骤为：
（1）提供柔性PET基片；
（2）在柔性PET基片上沉积SiO2陷光层，并进行表面刻蚀粗糙化处理，其中沉积过程的工作压力为1.0Pa，溅射功率为80W，工作温度为100℃，沉积时间为1h；沉积完成后用氢氧化钠溶液对表面进行刻蚀粗糙化处理20min，保证刻蚀后所得的凹陷均匀一致并且横向宽度为4.3um；
（3）在SiO2陷光层上沉积第一电极TCO层，条件为：工作压力1.2Pa，溅射功率100W，工作温度100℃，沉积时间1h；
（4）在第一电极TCO层上沉积p型非晶硅层，条件为：工作压力1.5Pa，溅射功率80W，工作温度120℃，沉积时间0.5h；
（5）在p型非晶硅层上沉积p型缓冲层，条件为：工作压力1.4Pa，溅射功率100W，工作温度120℃，沉积时间0.2h；
（6）在p型缓冲层上沉积i型非晶硅层，条件为：工作压力1.0Pa，溅射功率100W，工作温度120℃，沉积时间1h；
（7）在i型非晶硅层上沉积n型非晶硅层，条件为：工作压力1.2Pa，溅射功率80W，工作温度100℃，沉积时间0.4h；
（8）在n型非晶硅层上沉积第二电极TCO层，条件为：工作压力1.6Pa，溅射功率60W，工作温度100℃，沉积时间0.2h；
（9）在第二电极TCO层上沉积背反射层，条件为：工作压力1.0Pa，溅射功率80W，工作温度室温，沉积时间0.6h，既得本实施例的非晶硅薄膜太阳能电池，转换效率达到11.4%。
实施例2
一种非晶硅薄膜太阳能电池，其结构如图1所示，由依次连接的柔性PET基片层、SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层组成；其中柔性PET基片层厚度为0.018mm，SiO2陷光层厚度为500nm，第一电极TCO层厚度为500nm，第二电极TCO层厚度为83nm，p型非晶硅层厚度为17nm，p型缓冲层厚度为10nm，i型非晶硅层厚度为300nm，n型非晶硅层厚度为15nm，背反射层厚度为325nm。
所述第一电极TCO层和第二电极TCO层采用BZO（氧化锌掺杂硼）材质，背反射层采用Ag材质。
所述非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，如图3所示，工艺步骤为：
（1）提供柔性PET基片层；
（2）在柔性PET基片层上沉积SiO2陷光层，并进行表面刻蚀粗糙化处理，其中沉积过程的工作压力为1.0Pa，溅射功率为80W，工作温度为100℃，沉积时间为1h；沉积完成后用氢氟酸溶液对表面进行刻蚀粗糙化处理25min，保证刻蚀后所得的凹陷均匀一致并且横向宽度为2.6um；
（3）在SiO2陷光层上沉积第一电极TCO层，条件为：工作压力1.2Pa，溅射功率100W，工作温度100℃，沉积时间1h；
（4）在第一电极TCO层上沉积p型非晶硅层，条件为：工作压力1.8Pa，溅射功率80W，工作温度80℃，沉积时间0.5h；
（5）在p型非晶硅层上沉积p型缓冲层，条件为：工作压力1.4Pa，溅射功率100W，工作温度100℃，沉积时间0.15h；
（6）在p型缓冲层上沉积i型非晶硅层，条件为：工作压力1.2Pa，溅射功率100W，工作温度100℃，沉积时间0.5h；
（7）在i型非晶硅层上沉积n型非晶硅层，条件为：工作压力1.2Pa，溅射功率80W，工作温度80℃，沉积时间0.3h；
（8）在n型非晶硅层上沉积第二电极TCO层，条件为：工作压力1.6Pa，溅射功率60W，工作温度100℃，沉积时间0.2h；
（9）在第二电极TCO层上沉积背反射层，条件为：工作压力1.0Pa，溅射功率80W，工作温度室温，沉积时间0.6h，既得本实施例的非晶硅薄膜太阳能电池，转换效率达到13.2%。
实施例3
一种非晶硅薄膜太阳能电池，其结构如图1所示，由依次连接的柔性PET基片层、SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层组成；其中柔性PET基片层厚度为0.032mm，SiO2陷光层厚度为400nm，第一电极TCO层厚度为500nm，第二电极TCO层厚度为87nm，p型非晶硅层厚度为20nm，p型缓冲层厚度为7nm，i型非晶硅层厚度为330nm，n型非晶硅层厚度为20nm，背反射层厚度为326nm。
所述第一电极TCO层和第二电极TCO层采用AZO制作，背反射层采用Au制作。
所述非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，如图3所示，工艺步骤为：
（1）提供柔性PET基片层；
（2）在柔性PET基片层上沉积SiO2陷光层，并进行表面刻蚀粗糙化处理，其中沉积过程的工作压力为1.0Pa，溅射功率为80W，工作温度为100℃，沉积时间为1h；沉积完成后用氢氟酸溶液对表面进行刻蚀粗糙化处理25min，保证刻蚀后所得的凹陷均匀一致并且横向宽度为3.4um；
（3）在SiO2陷光层上沉积第一电极TCO层，条件为：工作压力1.4Pa，溅射功率120W，工作温度100℃，沉积时间1h；
（4）在第一电极TCO层上沉积p型非晶硅层，条件为：工作压力1.4Pa，溅射功率60W，工作温度80℃，沉积时间0.7h；
（5）在p型非晶硅层上沉积p型缓冲层，条件为：工作压力1.7Pa，溅射功率120W，工作温度80℃，沉积时间0.1h；
（6）在p型缓冲层上沉积i型非晶硅层，条件为：工作压力1.0Pa，溅射功率120W，工作温度60℃，沉积时间0.5h；
（7）在i型非晶硅层上沉积n型非晶硅层，条件为：工作压力1.3Pa，溅射功率100W，工作温度100℃，沉积时间0.3h；；
（8）在n型非晶硅层上沉积第二电极TCO层，条件为：工作压力1.6Pa，溅射功率60W，工作温度100℃，沉积时间0.2h；
（9）在第二电极TCO层上沉积背反射层，条件为：工作压力1.0Pa，溅射功率80W，工作温度室温，沉积时间0.6h，既得本实施例的非晶硅薄膜太阳能电池，转换效率达到12.6%。
Claims (7)
1.一种非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于由依次连接的柔性PET基片层、SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层组成，其中所述柔性PET基片层厚度为0.001～0.125mm，所述SiO2陷光层厚度为400～800nm，并且在沉积SiO2陷光层后对SiO2陷光层表面进行刻蚀粗糙化处理，保证刻蚀出的所有凹陷均匀一致，并且凹陷横向宽度为1～5um；所述p型缓冲层厚度为5～20nm。
2.根据权利要求1所述的一种非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于所述第一电极TCO层厚度为400～600nm，第二电极TCO层厚度为70～130nm。
3.根据权利要求1所述的一种非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于所述p型非晶硅层厚度为10～35nm，i型非晶硅层厚度为200～400nm，n型非晶硅层厚度为15～30nm。
4.根据权利要求1所述的一种非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于所述背反射层厚度为200～800nm，采用铝、金、银、铂、或铜材质，或者采用透明的金属氧化物：BZO、AZO、GZO、或ITO材质。
5.权利要求1所述的一种非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括：提供柔性PET基片层；在柔性PET基片层上依次沉积SiO2陷光层、第一电极TCO层、p型非晶硅层、p型缓冲层、i型非晶硅层、n型非晶硅层、第二电极TCO层和背反射层。
6.根据权利要求5所述的一种非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于所述方法还包括在沉积SiO2陷光层后对SiO2陷光层表面进行刻蚀粗糙化处理，保证刻蚀出的所有凹陷均匀一致，并且凹陷横向宽度为1～5um。
7.根据权利要求5所述的一种非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于所述沉积方法采用物理气相沉积方法。
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