CN106057924A - 一种复合层电极及其制备方法以及使用该复合层电极的透光太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合层电极及其制备方法以及使用该复合层电极的透光太阳能电池。本发明复合层电极包括前电极和背电极，所述前电极和背电极均是由上下两层透明导电薄膜和位于其间的金属膜层复合，构成复合层结构，用于制作透光太阳能电池的前电极和背电极；透明导电薄膜由透明导电氧化物制成，金属膜层由金属纳米颗粒构成。本发明通过在前电极和背电极中加入金属纳米颗粒等离激元，利用这种陷光结构有效增强电池的光吸收，提高透光电池的转换效率。本发明在不影响透光电池透过率的前提下，可增强透光太阳能电池的光吸收率，提高透光太阳能电池的转换效率，透光率可达20~40%，转换效率达5.5~7.5%，光致衰减小于6%。
Description
技术领域
本发明涉及一种透光太阳能电池，具体地说是一种复合层电极及其制备方法以及使用该复合层电极的透光太阳能电池。
背景技术
透光太阳能电池主要以薄膜太阳能组件为主。硅基薄膜太阳能电池以其低成本、低能耗并可大面积集成等优势在薄膜太阳能电池中占据一定的市场份额。非晶硅薄膜电池为了实现组件的透光率，除了通过增加额外的制作工艺可以实现外，还可以通过减少薄膜电池发电层的厚度来实现，发电层厚度的减少将会直接导致相对转换效率降低（电池光电转换效率小于4.5%，光致衰减小于15%），电池组件成本大幅增加，这是制约透光太阳能电池发展的关键因素。
近年来，金属表面等离激元在太阳能电池中的应用成为研究的热点之一。表面等离激元是指在金属和电介质界面处电磁波与金属中的自由电子耦合产生的振动效应。在金属表面比较粗糙时，表面等离激元会受到强烈的散射，被局域在金属表面，称为局域表面等离激元。通过调整金属纳米颗粒的尺寸、形状、间距等可以增强光的散射及近场光密度，这种光陷阱作用可以有效增强光的吸收。
非晶硅材料光学带隙在1.7eV左右，对太阳辐射光谱短波段吸收较强，但是对长波段吸收较弱，且其载流子扩散长度比较有限，在非晶硅薄膜透光电池中直接采用减薄薄膜厚度来实现透光率及降低成本，其光电转换效率很低。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种复合层电极，以解决非晶硅薄膜透光太阳能电池透光性差和光电转换效率低的问题。
本发明是目的之二就是提供一种复合层电极的制备方法，以利于制备光电转换效率高的透光太阳能电池。
本发明的目的之三就是提供一种透光太阳能电池，以提高透光太阳能电池的透光率和光电转换效率，满足光伏市场的使用需要。
本发明是的目的之一是这样实现的：一种复合层电极，由上、下两层透明导电薄膜和位于两层透明导电薄膜之间的金属膜层复合，构成复合层结构，用于制作透光太阳能电池的前电极和背电极，所述透明导电薄膜由透明导电氧化物制成，所述金属膜层由金属纳米颗粒构成。
制作前电极的复合层电极的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%。
制作背电极的复合层电极的厚度为300nm~400nm，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
通过在透光电池的前电极和背电极中同时加入金属纳米颗粒等离激元，前电极的增强效应和背电极的散射效应，增加了光子在透光太阳能电池中的光程，利用这种陷光结构，可有效增强透光太阳能电池的光吸收，提高透光太阳能电池的光电转换效率。
本发明是的目的之二是这样实现的：一种复合层电极的制备方法，包括以下步骤：
a、溅射第一层透明导电薄膜：将透明绝缘基板清洗并预热后，放入磁控溅射设备的反应腔室中在透明绝缘基板的暴露面进行溅射，或是将已沉积P-I-N发电层薄膜的基板放入磁控溅射设备的反应腔室中，在P-I-N发电层薄膜的暴露面进行溅射，形成第一层的透明导电薄膜；磁控溅射设备的反应腔室的压强为0.003Torr~0.005Torr，功率为80W~150W，衬底温度150℃~200℃，溅射时间为20min ~30min。
b、溅射金属膜层：使用磁控溅射设备，在已溅射好的第一层的透明导电薄膜上溅射金属膜层，磁控溅射设备的反应腔室的压强为0.004Torr ~0.005Torr，功率为150W~200W，衬底温度为50℃~100℃，溅射时间为30s ~100s。
c、退火制备金属纳米颗粒：制备完成的金属薄膜在磁控溅射设备的反应腔室中直接进行退火处理，反应腔室中的真空度为1×10-3Pa~5×10-3Pa以上，温度为200℃~400℃，退火时间为20min ~90min；制作前电极复合层的中间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%；制作背电极复合层的中间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
d、溅射第二层透明导电薄膜：使用磁控溅射设备，按照与步骤a相同的控制条件，在已溅射好的金属膜层上溅射，形成第二层的透明导电薄膜；制作前电极复合层的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上；制作背电极复合层的厚度为300nm~400nm。
本发明是的目的之三是这样实现的：一种透光太阳能电池，包括透明绝缘基板、前电极、P-I-N发电层薄膜、背电极和透明绝缘背板；所述前电极和所述背电极均是由上、下两层透明导电薄膜和位于两层透明导电薄膜之间的金属膜层复合构成的复合层结构，所述透明导电薄膜由透明导电氧化物制成，所述金属膜层由金属纳米颗粒构成；所述前电极的复合层的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%；所述背电极的复合层的厚度为300nm~400nm，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
所述P-I-N发电层薄膜是由P型掺杂层、I层本征吸收层与N型掺杂层叠合组成的P-I-N发电层结构；
所述P型掺杂层是用P型nc-SiOx:H薄膜材料制成，所述P型nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.8eV~2.0eV，暗电导为1×10-2 S/cm~5×10-2 S/cm，晶化率为30%~40%，薄膜材料的厚度为15 nm~25nm；
所述I层本征吸收层是用I层nc-SiOx:H薄膜材料制成，所述I层nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.5eV~2.0eV，光敏性为1×102~5×102，晶化率为30%~50%，薄膜材料的厚度为100nm~200nm；
所述N型掺杂层是用N型nc-SiOx:H薄膜材料制成，所述N型nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.8eV~2.0eV，暗电导为1×10-2S/cm~5×10-2S/cm，晶化率为30%~40%，薄膜材料的厚度为20 nm~35nm。
纳米硅氧nc-SiOx:H是nc-Si镶嵌在a-SiOx:H基质中的混合相材料，由于纳米硅的量子限制效应，对纳米粒子尺寸和密度进行调整，可以改变薄膜材料的光学带隙，实现对太阳光谱较宽范围的可调吸收。这种光学带隙的拓宽调整，使得制备的材料具有透光性，而透光材料正是制备透光电池所追求的。同时，在纳米硅氧材料中，由于纳米硅晶粒的存在，薄膜结构的中程有序度得到改善，光生载流子通过纳米硅晶粒复合并传输，具有远高于非晶硅材料的光电导率并可显著抑制光致衰退，材料具有较高的光敏性和吸收系数，兼具非晶硅材料及微晶硅材料的优势，具有较好的稳定性、较低的温度系数、较高的透光度以及较低的折射率等特点，更适合于制备透光太阳能电池。
本发明中的P-I-N发电层薄膜结构是采用纳米SiOx薄膜材料作为发电层，通过调节沉积参数可以实现薄膜材料带隙与光电特性的调制，得到宽带隙材料并转化成电池高开路电压；薄膜材料中氧键的引入，有助于提高电池在接近实际使用温度下的光电转换性能，用其制成透光太阳能电池，具有很好的稳定性。
本发明提供的金属纳米颗粒表面等离激元，金属纳米颗粒尺寸及覆盖率均可进行不同程度的调整，将纳米颗粒独特的光学吸收作为透光电池的陷光结构，借助纳米颗粒的强散射及近场增强效应，增强透光电池对光的吸收，从而提高透光电池的转换效率，前电极和背电极采用这种复合层结构，可使透光太阳能电池的透光率达到20%~40%，光电转换效率达到5.5%~7.5%，光致衰减小于6%，因而能够广泛应用于光伏建筑一体化、光伏透光窗口及阳光大棚上，具有很高的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明透光太阳能电池的结构示意图。
图中：1、透明绝缘基板，2、透明绝缘背板，3、透明导电薄膜，4、金属膜层，5、P-I-N发电层薄膜，6、前电极，7、背电极。
具体实施方式
实施例1：复合层电极。
参看图1，本发明复合层电极是由上、下两层透明导电薄膜3和位于两层透明导电薄膜之间的金属膜层4复合，构成复合层结构，用于制作透光太阳能电池的前电极和背电极。其中，透明导电薄膜3由透明导电氧化物制成，金属膜层4由金属纳米颗粒构成。制作前电极的复合层电极的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上，其间的金属膜层4中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%。制作背电极的复合层电极的厚度为300nm~400nm，其间的金属膜层4中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
在前电极和背电极中加入金属膜层，其金属纳米颗粒构成等离激元，增加了光子在透光太阳能电池中的光程，形成一种陷光结构，利用这种陷光结构，可有效增强透光太阳能电池的光吸收率，提高透光太阳能电池的光电转换效率。
实施例2：复合层电极的制备方法。
参看图1，本发明复合层电极的制备方法包括以下步骤：
一、溅射第一层透明导电薄膜：将透明绝缘基板1清洗并预热后，放入磁控溅射设备的反应腔室中，在透明绝缘基板1的暴露面进行溅射；也可以将已沉积P-I-N发电层薄膜5的基板放入磁控溅射设备的反应腔室中，在P-I-N发电层薄膜5的暴露面进行溅射，形成第一层的透明导电薄膜3。磁控溅射设备的反应腔室的压强为0.003Torr~0.005Torr，功率为80W~150W，衬底温度为150℃~200℃，溅射时间为20min ~30min。
二、溅射金属膜层：使用磁控溅射设备，在已溅射好的第一层的透明导电薄膜3上溅射金属膜层4，磁控溅射设备的反应腔室的压强为0.004Torr ~0.005Torr，功率为150W~200W，衬底温度为50℃~100℃，溅射时间为30s ~100s。
三、退火制备金属纳米颗粒：制备完成的金属膜层4在磁控溅射设备的真空腔室中直接进行退火处理，反应腔室中的真空度为1×10-3Pa~5×10-3Pa以上，温度为200℃~400℃，退火时间为20min ~90min。如果是制作前电极复合层，则金属膜层4中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%。如果是制作背电极复合层，则金属膜层4中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
四、溅射第二层透明导电薄膜：使用磁控溅射设备，按照与步骤一相同的控制条件，在已溅射好的金属膜层4上溅射，形成第二层的透明导电薄膜3。制作前电极复合层的厚度控制在300nm~400nm，透过率为80%以上；制作背电极复合层的厚度控制在300nm~400nm。
最后，对已制备背电极复合层的电池基板进行边缘处理，进行电极连接后铺设封装材料和背板进行固化封装，安装电气连接原件，形成透光太阳能电池组件。
实施例3：带复合层电极的透光太阳能电池。
如图1所示，本发明透光太阳能电池包括透明绝缘基板1、前电极6、P-I-N发电层薄膜4、背电极7和透明绝缘背板5。前电极6和背电极7均是由上、下两层透明导电薄膜3和位于两层透明导电薄膜之间的金属膜层4复合所构成的复合层结构。透明导电薄膜3是由透明导电氧化物制成。金属膜层4是由金属纳米颗粒构成。其中，前电极6的复合层的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上，其间的金属膜层4中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%；背电极7的复合层的厚度为300nm~400nm，其间的金属膜层4中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
透光太阳能电池电池中的P-I-N发电层薄膜4是由P型掺杂层、I层本征吸收层与N型掺杂层叠合组成的P-I-N发电层结构。
P型掺杂层是用P型nc-SiOx:H薄膜材料制成，P型nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.8eV~2.0eV，暗电导为1×10-2 S/cm~5×10-2 S/cm，晶化率为30%~40%，薄膜材料的厚度为15 nm~25nm。I层本征吸收层是用I层nc-SiOx:H薄膜材料制成，I层nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.5eV~2.0eV，光敏性为1×102~5×102，晶化率为30%~50%，薄膜材料的厚度为100 nm~200nm。N型掺杂层是用N型nc-SiOx:H薄膜材料制成，N型nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.8eV~2.0eV，暗电导为1×10-2 S/cm~5×10-2 S/cm，晶化率为30%~40%，薄膜材料的厚度为20 nm~35nm。
透明绝缘基板1作为光入射侧，采用玻璃基板、塑料基板等在可见光波段具有高透光性的材料，厚度一般为3.2mm、2.0mm等。透明导电薄膜3为掺氟氧化锡FTO、掺铝氧化锌AZO、铟锡氧化物ITO等透明导电氧化物中的一种或组合。
Claims (4)
1.一种复合层电极，其特征是，由上、下两层透明导电薄膜和位于两层透明导电薄膜之间的金属膜层复合，构成复合层结构，用于制作透光太阳能电池的前电极和背电极，所述透明导电薄膜由透明导电氧化物制成，所述金属膜层由金属纳米颗粒构成；
制作前电极的复合层电极的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%；
制作背电极的复合层电极的厚度为300nm~400nm，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
2.一种复合层电极的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
a、溅射第一层透明导电薄膜：将透明绝缘基板清洗并预热后，放入磁控溅射设备的反应腔室中在透明绝缘基板的暴露面进行溅射，或是将已沉积P-I-N发电层薄膜的基板放入磁控溅射设备的反应腔室中，在P-I-N发电层薄膜的暴露面进行溅射，形成第一层的透明导电薄膜；磁控溅射设备的反应腔室的压强为0.003Torr~0.005Torr，功率为80W~150W，衬底温度150℃~200℃，溅射时间为20min ~30min；
b、溅射金属膜层：使用磁控溅射设备，在已溅射好的第一层透明导电薄膜上溅射金属膜层，磁控溅射设备的反应腔室的压强为0.004Torr ~0.005Torr，功率为150W~200W，衬底温度为50℃~100℃，溅射时间为30s ~100s；
c、退火制备金属纳米颗粒：制备完成的金属薄膜在磁控溅射设备的反应腔室中直接进行退火处理，反应腔室中的真空度为1×10-3Pa~5×10-3Pa以上，温度为200℃~400℃，退火时间为20min ~90min；制作前电极复合层的中间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%；制作背电极复合层的中间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%；
d、溅射第二层透明导电薄膜：使用磁控溅射设备，按照与步骤a相同的控制条件，在已退火处理的金属膜层上溅射，形成第二层的透明导电薄膜；制作前电极复合层的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上；制作背电极复合层的厚度为300nm~400nm。
3.一种透光太阳能电池，包括透明绝缘基板、前电极、P-I-N发电层薄膜、背电极和透明绝缘背板，其特征是，所述前电极和所述背电极均是由上、下两层透明导电薄膜和位于两层透明导电薄膜之间的金属膜层复合构成的复合层结构，所述透明导电薄膜由透明导电氧化物制成，所述金属膜层由金属纳米颗粒构成；所述前电极的复合层的厚度为300nm~400nm，透过率为80%以上，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为10nm~50nm，覆盖率为5%~10%；所述背电极的复合层的厚度为300nm~400nm，其间的金属膜层中的金属纳米颗粒的平均粒径为150nm~200nm，覆盖率为20%~30%。
4.根据权利要求3所述的透光太阳能电池，其特征是，所述P-I-N发电层薄膜是由P型掺杂层、I层本征吸收层与N型掺杂层叠合组成的P-I-N发电层结构；
所述P型掺杂层是用P型nc-SiOx:H薄膜材料制成，所述P型nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.8eV~2.0eV，暗电导为1×10-2 S/cm~5×10-2 S/cm，晶化率为30%~40%，薄膜材料的厚度为15 nm~25nm；
所述I层本征吸收层是用I层nc-SiOx:H薄膜材料制成，所述I层nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.5eV~2.0eV，光敏性为1×102~5×102，晶化率为30%~50%，薄膜材料的厚度为100nm~200nm；
所述N型掺杂层是用N型nc-SiOx:H薄膜材料制成，所述N型nc-SiOx:H薄膜材料的能带隙为1.8eV~2.0eV，暗电导为1×10-2 S/cm~5×10-2 S/cm，晶化率为30%~40%，薄膜材料的厚度为20 nm~35nm。
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