CN108417651A - 薄膜太阳能电池、制作方法及隔热太阳能夹胶玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池包括透光衬底、过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转换层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，所述透光衬底为所述薄膜太阳能电池的入射面。本发明的所述红外控制层具有显著的吸收红光和近红外光的效果，能够显著降低所述薄膜太阳能电池对红外光的透过率。本发明还提供了一种包括所述薄膜太阳能电池的隔热太阳能夹胶玻璃，通过将所述红外控制层与具有红外阻隔效果的底层胶膜或透明背板相结合，显著降低了所述隔热太阳能夹胶玻璃的红外透过率和总太阳能能量透过率。本发明还公开了所述薄膜太阳能电池和所述隔热太阳能夹胶玻璃的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜太阳能电池及其制作方法，本发明还涉及一种隔热太阳能夹胶玻璃。
背景技术
在太阳光谱中，波长范围为780～2500nm的红外光占到总辐射能量的53％，是热量的主要来源，其次是波长范围为380～780nm且占总辐射能量的44％的可见光。为了减少建筑或者交通工具内部的热效应，需要对红外光进行阻隔，以降低建筑或者交通工具为调节温度而产生的能耗，达到节能和环保的作用；另一方面为了实现装饰的功能，也需要对可见光进行调节，以满足不同应用场景对透光和颜色的需求。
通常在建筑或者交通工具的外表面采用绿玻璃来阻隔红外线并实现可见光的透过效果，但是绿玻璃对红外光的阻隔率只有40～50％，要进一步降低建筑或者交通工具内部的热效应，必须提高红外阻隔率。
目前提高红外阻隔率的主要方法有低辐射镀膜(Low eradiation，简称Low-E镀膜)、采用聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl Butyral，PVB)隔热夹胶膜和隔热贴膜。其中，Low-E镀膜广泛应用在建筑外立面的平板玻璃上，其通过光学设计将多层纳米级别的金属和非金属膜进行交替沉积，从而实现红外阻隔和可见光透过的效果。Low-E镀膜也可以应用在弯曲玻璃上，如中国发明专利CN101168476A采用热弯工艺制备了可用于汽车前挡风玻璃的镀膜玻璃，但是对玻璃的热弯工艺要求高，控制不当很容易引起膜层光
学性质的变化，故在弯曲玻璃领域，应用较多的是隔热贴膜和PVB隔热夹胶膜。隔热贴膜采用将光学设计的具有红外阻隔和可见光透过的多层纳米级别的金属和非金属膜结构沉积在透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)膜上，再将PET膜黏贴到玻璃内表面，此方法初期的隔热效果跟采用Low-E镀膜的玻璃类似，但是耐久性差，PET膜容易划伤，并且贴合面容易起泡。如中国发明专利CN103214989A和中国发明专利CN104877582A所述，PVB隔热夹胶膜既可应用于平面玻璃，又能应用于弯曲玻璃，其通过在PVB树脂中均匀分散对红外线有吸收作用的纳米颗粒，使玻璃的红外透过率大幅下降。由于PVB隔热夹胶膜位于玻璃夹胶结构的两片玻璃中间，因此其耐用性和安全性均优于Low-E镀膜和隔热贴膜。
随着玻璃的应用向功能性方面扩展，将可见光和部分红外光转化成电能同时实现隔热和提供能量是近年来的新技术，如中国发明专利CN101661963A提供的应用在建筑领域，通常称为建筑光伏一体化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)的光伏组件以及中国发明专利CN103296114A揭示的应用在汽车领域的太阳天窗。安装在玻璃上以实现太阳能发电的薄膜太阳能电池通常对波长范围在380～780nm的可见光的吸收率很高，但对波长范围在780～2500nm的红外光的吸收率随波长的增加逐渐减弱。因此，目前很难找到合适的方法能够在不显著降低薄膜太阳能电池的发电效率的同时满足隔热和降低成本的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜太阳能电池及其制作方法，在不显著降低薄膜太阳能电池的发电效率的同时实现隔热功能，避免现有技术中的薄膜太阳能电池对红外线的透过率高的问题。
为实现上述目的，本发明的薄膜太阳能电池，包括依次排列的透光衬底、过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转换层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，所述红外控制层为掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％，所述红外控制层的厚度为30～150nm。
本发明所述薄膜太阳能电池的有益效果在于：所述薄膜太阳能电池包括红外控制层，其中，所述红外控制层为掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度＞60％且所述红外控制层的厚度为30～150nm，使所述红外控制层对波长范围为580～2500nm的红光和红外光波段具有较高的吸收率，能够将入射的红外光的能量控制在较低的水平，从而在显著降低所述薄膜太阳能电池的红外透过率和总太阳能能量透过率的同时保证了所述薄膜太阳能电池具有良好的转化效率，避免了由于薄膜太阳能电池对红外光的吸收不足所引发的所述薄膜太阳能电池颜色发红以及人眼造成的视疲劳问题。
另外，本发明所述薄膜太阳能电池可以用在节能建筑和交通工具的外表面，既能够将入射红外光的热量控制在一个较低的水平，又能够将另一部分热量的来源，即可见光转化成电，提供给建筑物或者交通工具使用，从这两方面对热量进行控制，更好的起到节能减排的作用。
优选的，所述红外控制层的厚度范围为45～60nm。其有益效果在于：当所述红外控制层的厚度为45nm以上，对红外光的吸收率有显著增加；所述红外控制层的厚度越大，所述红外控制层对红外光的吸收率越大，但也会吸收部分可见光，影响所述薄膜太阳能电池的转化效率；当所述红外控制层的厚度为60nm以下，能够保证所述薄膜太阳能电池的转化效率最高。
优选的，所述透光衬底为厚度在0.2～1.0mm的透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯，或者厚度在0.2～1.0mm的透光的薄玻璃；所述透光衬底对可见光的透过率在88％以上。其有益效果在于：所述透光衬底对可见光的透过率在88％以上，保证了尽量多的可见光能够透过所述薄膜太阳能电池，从而满足应用场景对可见光透过效果的需求。
优选的，所述过渡层的厚度为3～30nm。其有益效果在于，具有一定厚度的所述过渡层能够提高后续沉积的所述透明导电氧化物上电极在所述透光衬底上的附着力。
优选的，所述透明导电氧化层上电极和/或所述透明导电氧化层下电极的厚度为500～2000nm，对可见光的透过率在85％以上。其有益效果在于：厚度为500～2000nm的所述透明导电氧化层上电极和/或所述透明导电氧化层下电极的方块电阻为10～20ohm/sq，有利于自由载流子通过所述透明导电氧化层上电极和所述透明导电氧化层下电极，从而实现良好的导电效果；所述透明导电氧化层上电极和/或所述透明导电氧化层下电极对可见光透过率在85％以上，保证了所述透明导电氧化层上电极和所述透明导电氧化层下电极在导电的同时不影响可见光的穿透，并且能够吸收绝大部分紫外光，从而适用于节能环保的应用场合。
优选的，所述光电转换层、所述红外控制层和所述透明导电氧化层下电极开设有透光线槽，所述透光线槽的宽度为30～500um，相邻所述透光线槽之间的距离小于2mm。其有益效果在于：通过设置一系列宽度为30～500um的所述透光线槽并保证相邻所述透光线槽之间的距离小于2mm，使得所述透光线槽的总面积占所述薄膜太阳能电池总面积的10～20％，从而能够在保证所述光电转化层具有很高的可见光吸收率的情况下实现一定比例的可见光透过。
本发明提供了一种薄膜太阳能电池的制作方法，包括：提供镀膜设备和透光衬底，将所述透光衬底放入所述镀膜设备的反应腔中，在所述透光衬底上依次沉积过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转化层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，得到薄膜太阳能电池；所述红外控制层由反应气体硅烷和磷烷制备而成，所述磷烷与所述硅烷的体积比为1：100～3：100，得到掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％，所述红外控制层的厚度为30～150nm。
本发明提供的所述薄膜太阳能电池的制作方法，其有益效果在于：所述红外控制层由反应气体硅烷和磷烷制备而成，所述硅烷和所述磷烷是硅基薄膜制备工艺中常见的反应气体且成本低廉；所述磷烷与所述硅烷的体积比控制为1：100～3：100，通过适当的磷掺杂，利用磷原子形成的自由载流子吸收红外光，降低了所述薄膜太阳能电池的红外光透过率；将所述红外控制层的厚度控制在30～150nm，在保证所述红外控制层对红外线的吸收效果的同时降低了由所述红外控制层的厚度增加造成的所述薄膜太阳能电池的转化效率显著降低的影响。
优选的，所述红外控制层的制作工艺包括：将包含所述硅烷、所述磷烷及氢气的反应气体通入所述反应腔中，其中所述氢气与所述硅烷的体积比为50：1～150：1，使所述反应腔达到1.5～3mBar的反应压力，在所述反应腔的上下极板之间施加功率密度为1400～2500W/m2的等离子体射频电源，使所述反应气体发生反应，形成所述红外控制层。其有益效果在于：所述制作工艺形成的所述红外控制层的结晶度在60％以上，高的结晶度保证了高的电导率，避免了因增加所述红外控制层厚度造成的所述薄膜太阳能电池的串联电阻的增加。
本发明还提供了一种隔热太阳能夹胶玻璃，包括所述薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池的上表面设置有顶层胶膜，所述顶层胶膜的上表面设置有顶层玻璃，所述薄膜太阳能电池的下表面设置有底层胶膜，所述底层胶膜的下表面设置有透光背板，从而形成夹胶玻璃的结构。
本发明所述隔热太阳能夹胶玻璃的有益效果在于：本发明将具有所述红外控制层的所述薄膜太阳能电池与具有红外隔热效果的所述底层胶膜或者对红外光吸收性能较好的所述透光背板结合，显著降低了所述太阳能夹胶玻璃的红外透过率和总太阳能能量透过率，同时避免了现有技术中由于薄膜太阳能电池对红外光的吸收不足所引发的所述薄膜太阳能电池颜色发红以及人眼造成的视疲劳问题。
优选的，所述顶层玻璃采用可见光透过率＞90％，红外透过率＞75％的玻璃。其有益效果在于：保证了所述薄膜太阳能电池能够获得尽可能多的太阳光用于发电。
优选的，所述顶层胶膜为可见光透过率＞85％的透明胶膜。其有益效果在于：保证了所述薄膜太阳能电池能够获得尽可能多的太阳光用于发电。
优选的，所述底层胶膜为红外透过率低于20％，可见光透过率＞70％的红外隔热胶膜；且所述透光背板为可见光透过率＞90％，红外透过率＞75％的玻璃。其有益效果在于：通过将红外透过率较低的所述红外隔热胶膜与所述玻璃相结合，进一步降低了所述隔热太阳能夹胶玻璃的红外透过率，从而使所述隔热太阳能夹胶玻璃实现了低于15％的红外透过率，低于10％的直接能量透过率以及低于30％的总太阳能量透过率，同时避免了现有技术中由于薄膜太阳能电池对红外光的吸收不足所引发的所述薄膜太阳能电池颜色发红以及人眼造成的视疲劳问题，扩大了所述薄膜太阳能电池的功能和应用场合。
优选的，所述底层胶膜为红外透过率低于20％，可见光透过率＞70％的红外隔热胶膜，且所述透光背板为透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯或透光的聚碳酸酯，所述透光背板的表面涂敷有抗刮涂层或者进行表面硬化处理。其有益效果在于：所述底层胶膜低于20％的红外透过率进一步降低了所述隔热太阳能夹胶玻璃的红外透过率；采用所述透光背板替代玻璃可以降低所述隔热太阳能夹胶玻璃的整体重量。
优选的，所述底层胶膜为可见光透过率＞85％的透明胶膜；且所述透光背板为可见光透过率＞80％，红外透过率＜40％的玻璃。其有益效果在于：可见光透过率＞80％，红外透过率＜40％的所述透光背板替代了所述红外隔热胶膜起到了隔离红外光并降低成本的作用；将所述透光背板与所述薄膜太阳能电池结合，同样能够实现高的红外阻隔效果。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的所述薄膜太阳能电池包括所述红外控制层，其中，所述红外控制层为掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％且所述红外控制层的厚度为30～150nm，保证了所述红外控制层对波长范围为580～2500nm的红光和红外光具有较高的吸收率，能够将入射的红外光的能量控制在较低的水平，从而显著降低所述薄膜太阳能电池的红外透过率和总太阳能能量透过率，同时避免了现有技术中由于薄膜太阳能电池对红外光的吸收不足所引发的所述薄膜太阳能电池颜色发红以及人眼造成的视疲劳问题。
(2)本发明提供的所述薄膜太阳能电池的制作方法，采用包含硅烷和磷烷的反应气体制备所述红外控制层，使得到的所述红外控制层为所述掺磷的微晶硅层；将所述磷烷与所述硅烷的体积比控制为1：100～3：100，控制了磷的掺杂浓度，使所述红外控制层通过掺杂的磷原子形成的自由载流子来吸收红外光，从而降低了所述薄膜太阳能电池的红外光透过率；结合所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％来保证高的电导率，以及控制所述红外控制层的厚度为30～150nm，使制备的所述红外控制层能够在降低红外光透过率的同时不显著降低所述薄膜太阳能电池的转化效率。
(3)本发明提供的所述隔热太阳能夹胶玻璃包括所述薄膜太阳能电池，将具有所述红外控制层的所述薄膜太阳能电池与具有红外隔热效果的所述底层胶膜或者对红外光吸收性能较好的所述透光背板结合，显著降低了所述太阳能夹胶玻璃的红外透过率和总太阳能能量透过率，同时满足了发电和隔热的要求，可应用于交通工具的车顶和建筑的外立面，起到更好的节能减排效果。
附图说明
本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本发明的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本发明的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的发明构思。
结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与上文的总体说明和下列附图的详细说明一起用于解释本发明的原理。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明不含红外控制层的薄膜太阳能电池的结构示意图；
图3是本发明的薄膜太阳能电池与不含红外控制层的参比薄膜太阳能电池的透过率曲线对比图；
图4是本发明薄膜太阳能电池的红外控制层厚度与透过率之间的关系图；
图5a是本发明薄膜太阳能电池的红外控制层厚度与峰值功率百分比之间的关系图；
图5b是本发明薄膜太阳能电池的红外控制层厚度与短路电流百分比之间的关系图；
图5c是本发明薄膜太阳能电池的红外控制层厚度与开路电压百分比之间的关系图；
图5d是本发明薄膜太阳能电池的红外控制层厚度与填充因子百分比之间的关系图；
图6是本发明薄膜太阳能电池的制作方法流程图；
图7是本发明薄膜太阳能电池中厚度为100nm的红外控制层的拉曼谱线示意图；
图8是本发明薄膜太阳能电池的红外控制层的沉积过程中磷烷与硅烷的体积比与薄膜太阳能电池的透过率之间的关系图；
图9是本发明隔热太阳能夹胶玻璃的结构示意图；
图10是本发明参比隔热太阳能夹胶玻璃的结构示意图；
图11是本发明第一实施例的隔热太阳能夹胶玻璃与不含红外控制层的参比隔热太阳能夹胶玻璃的透过率曲线对比图；
图12是本发明第二实施例的隔热太阳能夹胶玻璃与不含红外控制层的参比隔热太阳能夹胶玻璃的透过率曲线对比图；
图13是本发明第三实施例的隔热太阳能夹胶玻璃的结构示意图；
图14是本发明隔热太阳能夹胶玻璃的制作方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1所示，本发明实施例提供的薄膜太阳能电池1，包括由上至下依次排列的透光衬底11、过渡层12、透明导电氧化层上电极13、光电转换层14、红外控制层15和透明导电氧化层下电极16。所述透光衬底11是所述薄膜太阳能电池1制备过程中的载体，保证了所述薄膜太阳能电池1对可见光的透过效果，以满足应用场合的采光需求。
本发明一些实施例中，所述透光衬底11是厚度为0.2～1.0mm的透光的聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)。本发明另一些实施例中所述透光衬底11是厚度为0.2～1.0mm的透光的薄玻璃。本发明中所述“透光”或“透光衬底”是指对可见光透过率大于85％。
本发明一些实施例中，所述透光衬底11是厚度为0.2～1.0mm的透光的PET衬底或厚度为0.2～1.0mm的透光的薄玻璃，且所述PET和所述薄玻璃具有可弯曲性，具体的，所述PET衬底的曲率半径≥200mm，所述薄玻璃的曲率半径≥1000mm。
本发明一些实施例中，所述过渡层12的厚度为3～30nm，能够提高后续沉积的所述透明导电氧化物上电极13在所述透光衬底101上的附着力。
本发明一些实施例中，所述过渡层12为二氧化硅。本发明另一些实施例中所述过渡层12是氮氧化硅。
所述透明导电氧化层上电极13或所述透明导电氧化层下电极16的厚度为500～2000nm，使得所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16的方块电阻均为10～20ohm/sqr，结合所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16在可见光范围内透过率在85％以上，使得所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16在实现良好导电性能的同时不影响可见光的透过，且所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16能够吸收绝大部分紫外光，从而使所述薄膜太阳能电池1适用于节能环保的应用场合。
本发明一些实施例中，所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16均为掺锡氧化铟(Indium doped Tin Oxide，ITO)、掺铝氧化锌(Aluminized zincoxide，AZO)、掺硼氧化锌(Boron doped Zinc Oxide，BZO)、掺镓氧化锌(Gallium dopedZinc Oxide，GZO)或掺氟氧化锡(Fluorine doped Tin Oxide，FTO)中的任意一种。本发明另一些实施例中，所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16为AZO、BZO、GZO或FTO中的任意两种的组合。
所述光电转换层14为具有光电转化作用的半导体多层结构。
本发明一些实施例中，所述光电转化层14是由非晶硅、微晶硅、非晶硅锗薄膜中的一种或多种组成的PIN或NIP结构。
所述光电转化层14具有很高的可见光吸收率，去除一部分所述光电转化层14以形成如图1所示的宽度为30～500um的透光线槽17，且相邻所述透光线槽17之间的距离小于2mm，使得所述透光线槽17的总面积占所述薄膜太阳能电池1总面积的10～20％，从而能够在保证所述光电转化层14具有很高的可见光吸收率的情况下实现一定比例的可见光透过。在去除所述光电转化层14的局部区域的同时，由于激光的消融作用，所述光电转化层14以下的各膜层，即所述红外控制层15和所述透明导电氧化层下电极16的对应区域也一起被去除。
本发明一些实施例中采用如中国发明专利CN1723573A所述的激光消融的方法来去除局部区域内的所述光电转化层14。本发明另一些实施例中采用如中国发明专利CN101771091B所述的湿法或者干法刻蚀，使所述透光线槽17均匀分布在所述薄膜太阳能电池1的表面。
本发明实施例提供了参比薄膜太阳能电池2与所述薄膜太阳能电池1作对比，以说明所述红外控制层15对所述薄膜太阳能电池1的红外透过率的影响，所述参比薄膜太阳能电池2的结构示意图如图2所示。参照图1和图2，所述参比薄膜太阳能电池2包括透光衬底11、过渡层12、透明导电氧化层上电极13、光电转换层14、透明导电氧化层下电极16和透光线槽17，所述参比薄膜太阳能电池2与所述薄膜太阳能电池1的区别在于所述参比薄膜太阳能电池2不包括所述红外控制层15。
图3为本发明的所述薄膜太阳能电池1与不含所述红外控制层15的所述参比薄膜太阳能电池2的透过率曲线对比图。参照图1和图3，所述薄膜太阳能电池1对红外波段，特别是波长范围在780～1500nm范围的红外光的透过率相比不含所述红外控制层15的所述参比薄膜太阳能电池2下降了10～15％，可见所述薄膜太阳能电池1中的所述红外控制层15可以有效抑制红外光的透过。
图4为所述红外控制层15的厚度与所述薄膜太阳能电池1的透过率之间的关系图。参照图4，所述薄膜太阳能电池1的所述红外控制层15的厚度为0，即所述薄膜太阳能电池1不包括所述红外控制层15时，所述薄膜太阳能电池1对780～1200nm的红外光的红外透过率在40～50％之间；在所述薄膜太阳能电池1中加入所述红外控制层，当所述红外控制层15的厚度为45nm时，所述红外透过率下降到了30～35％之间；继续增加所述红外控制层15的厚度，所述红外透过率继续小幅下降；所述红外控制层15的厚度为135nm时，所述红外透过率基本上维持在30％左右。可见，控制所述红外控制层15的厚度为30～150nm，可以抑制红外线的透过。
虽然增加所述红外控制层15的厚度能够抑制红外线的透过，但是所述红外控制层15在吸收红外光的同时，也会吸收掉一部分可见光，造成所述薄膜太阳能电池1的转化效率下降。图5a至图5d分别为所述红外控制层15的厚度与所述薄膜太阳能电池1的峰值功率百分比、短路电流百分比、开路电压百分比以及填充因子百分比之间的关系图。具体的，以图5a为例，图5a将所述红外控制层15厚度为0的所述薄膜太阳能电池1的峰值功率值作为100％，所述红外控制层15厚度分别为45nm、90nm和135nm的所述薄膜太阳能电池1的峰值功率值分别占所述红外控制层15厚度为0的所述薄膜太阳能电池1的峰值功率值的百分比作为所述峰值功率百分比，以表示所述薄膜太阳能电池1的峰值功率随所述红外控制层15厚度的变化趋势。
如图5a至图5d所示，随着所述红外控制层15厚度的增加，所述薄膜太阳能电池1的所述峰值功率、所述短路电流、所述开路电压以及所述填充因子均有不同程度的下降，尤其是由于所述红外控制层15吸收了一部分本应该参与发电的红光和近红外光，造成所述薄膜太阳能电池1的所述短路电流和所述峰值功率的显著下降；所述红外控制层15的厚度为45nm时，所述峰值功率的下降幅度为10％，所述短路电流的下降幅度为7％；所述红外控制层15的厚度增加到135nm，所述峰值功率的下降幅度达到了20％，所述短路电流的下降幅度达到15％。因此，进一步控制所述红外控制层15的厚度范围为30～60nm，能够使所述薄膜太阳能电池1在满足隔热和颜色需求的情况下保证对所述薄膜太阳能电池1的转化效率影响最低。
本发明一些实施例中，所述红外控制层15的厚度为30nm、45nm、75nm、90nm、100nm、135nm或150nm中的任意一种。
本发明一些实施例中，所述红外控制层15为掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％，以减轻由于厚度增加带来的所述薄膜太阳能电池1的串联电阻升高的问题。
本发明实施例提供了所述薄膜太阳能电池1的制作方法，参照图6，包括：
步骤S1：提供镀膜设备和透光衬底，清洗所述透光衬底；
步骤S2：将所述透光衬底放入所述镀膜设备的反应腔中，在所述透光衬底上依次沉积过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转化层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，得到薄膜太阳能电池；
步骤S3：去除所述光电转化层的部分区域，以形成透光线槽。
本发明一些实施例中，所述过渡层12、所述光电转化层14和所述红外控制层15的沉积在第一等离子体增强化学气相沉积设备的反应腔中进行，所述透明导电氧化层上电极13和所述透明导电氧化层下电极16的沉积在磁控溅射镀膜机、低压化学气相沉积设备或金属有机化学气相沉积设备中任意一种的反应腔中进行。
本发明一些实施例中，所述光电转化层14和所述红外控制层15的沉积在所述第一等离子体增强化学气相沉积设备的反应腔中进行，所述过渡层12的沉积在第二等离子体增强化学气相沉积设备的反应腔中进行。
本发明一些实施例中，所述红外控制层15由反应气体硅烷(SiH4)和磷烷(PH3)制备而成，PH3与SiH4的体积比为1：100～3：100，所述红外控制层15为掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％，所述红外控制层15的厚度为30～150nm。
具体的，采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma-enhanced chemical vapordeposition，PECVD)法制备所述红外控制层15，所述红外控制层15的厚度由沉积速率和反应时间控制。将包含SiH4、氢气(H2)和PH3的反应气体通入反应腔中，其中H2与SiH4的体积比为50：1～150：1，PH3与SiH4的体积比为1：100～3：100；使所述反应腔达到1.5～3mBar的反应压力，在所述反应腔的上下极板之间施加功率密度在1400～2500W/m2的等离子体射频电源，使所述反应气体解离成具有反应活性基团的等离子体，所述活性基团之间发生反应，形成微晶硅结构的所述红外控制层15。采用拉曼(Raman)光谱法表征所述微晶硅的结晶度，得到的Raman谱线如图7所示。图7是厚度为100nm的所述红外控制层15的Raman谱线示意图，对所述Raman谱线进行分峰拟合，拆分成480cm-1位移处对应的非晶硅成分峰，500～510cm-1位移处对应的晶界成分峰以及510～520cm-1位移处对应的微晶硅成分峰，计算微晶硅成分和晶界成分之和在三者中所占比重度，可以得到所述红外控制层15的结晶度在60％以上。
图8为所述红外控制层15的沉积过程中PH3与SiH4的体积比与所述薄膜太阳能电池1的红外透过率之间的关系图。参照图8，所述红外控制层15的厚度为45nm，当PH3与SiH4的体积比为1：100时，所述薄膜太阳能电池1对780～1200nm的红外光的红外透过率约为40％，，当PH3与SiH4的体积比增加到2：100，所述红外透过率降低到30～35％之间。可见，通过调整所述红外控制层15在沉积过程中PH3与SiH4的体积比，能够显著降低所述薄膜太阳能电池1的红外透过率，所述薄膜太阳能电池1对红外光的隔离效果随着所述红外控制层15中磷原子的掺杂浓度，即PH3与SiH4的体积比的增加而提高，当PH3与SiH4的体积比为3：100时所述薄膜太阳能电池1对红外光的隔离效果趋于饱和。进一步的，通过控制PH3与SiH4的体积比为2～3：100，可以显著降低所述薄膜太阳能电池1对红外光的透过率。
本发明一些实施例中PH3与SiH4的体积比为1：100或3：100。本发明另一些实施例中，PH3与SiH4的体积比为1.5：100、2：100或2.5：100中的任意一种。
所述红外控制层15吸收红外光的机理如下：所述红外控制层15为掺磷的微晶硅层，所述红外控制层15通过掺杂的磷原子形成的自由载流子来吸收红外光，磷的掺杂浓度越高，红外光吸收率越高；其中磷的掺杂浓度是由反应气体中PH3与SiH4的体积比决定的；所述红外控制层15除了吸收红外光作用以外，还具有导电的作用，其结构与所述光电转化层14的PIN或NIP结构中的N型层类似，故可将所述红外控制层15视为所述光电转化层14的所述N型层的一部分。所述红外控制层15的厚度是所述N型层的5倍以上，为了减轻由于厚度增加带来的所述薄膜太阳能电池1的串联电阻升高的问题，需要控制所述掺磷的微晶硅层中微晶硅的结晶度，以获得最佳的电导率。另外，虽然磷的掺杂浓度越高，所述红外控制层15的电导率越高，但是当磷的掺杂浓度高到一定程度的时候，所述红外控制层15会转变成非晶硅薄膜，导致电导率急剧下降，为了获得具有高电导率的所述红外控制层，也需要控制所述掺磷的微晶硅层的结晶度。所述掺磷的微晶硅层的结晶度是通过PH3的掺杂浓度、SiH4和H2的比例、反应压力和等离子体功率等反应条件共同控制的。所述掺磷的微晶硅层的结晶度控制在60％以上，能够获得具有高电导率的所述红外控制层15并避免因增加所述红外控制层15的厚度造成的所述薄膜太阳能电池1的串联电阻升高，转化效率下降问题。
本发明实施例提供了一种隔热太阳能夹胶玻璃3。参照图9，所述隔热太阳能夹胶玻璃包括所述透光衬底11、所述过渡层12、所述透明导电氧化层上电极13、所述光电转换层14、所述红外控制层15、所述透明导电氧化层下电极16和所述透光线槽17，所述透光衬底11的上表面设置有顶层胶膜32，所述顶层胶膜32的上表面设置有顶层玻璃31；所述透明导电氧化层下电极16的下表面设置有底层胶膜33，所述底层胶膜33的下表面设置有透光背板34，从而形成夹胶玻璃的结构。
本发明一些实施例中，所述顶层玻璃31为太阳光的入射面，所述顶层玻璃31为可见光透过率＞90％，红外透过率＞75％的玻璃，以保证所述光电转换层14能够获得尽量多的太阳光用于发电。
本发明一些实施例中，所述顶层胶膜32为可见光透过率＞85％的透明胶膜，以保证尽量多的可见光能够到达所述光电转换层14的表面进行光电转化，所述透明胶膜是乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)膜，聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral，PVB)膜或者聚烯烃弹性体(Polyolefin elastomer，POE)膜中的任意一种。
本发明一些实施例中，所述底层胶膜33是红外透过率低于20％且可见光透过率＞70％的红外隔热胶膜，以降低所述隔热太阳能夹胶玻璃3的红外光透过率，所述红外隔热胶膜是EVA膜、PVB膜或者POE膜中的任意一种。本发明另一些实施例中，所述底层胶膜33是所述透明胶膜。
本发明一些实施例中，所述透光背板34是可见光透过率＞90％且红外透过率＞75％的玻璃。本发明一些实施例中，所述透光背板34是透光的有机封装材料，所述有机封装材料是聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)或聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，以满足应用场景对可见光的透过需求。本发明一些实施例中，所述透光背板34是可见光透过率＞80％且红外透过率＜40％的玻璃，以进一步阻隔红外光，降低所述隔热太阳能夹胶玻璃3的红外光透过率并满足应用场景对可见光的透过需求。
本发明一些实施例中，所述透光背板34为透光的所述有机封装材料且所述透光背板34的表面涂覆有抗刮涂层或者进行过表面硬化处理，以提高其外表面的耐磨性。
本发明一些实施例中，所述透光背板34为可见光透过率＞90％且红外透过率＞75％的玻璃，所述底层胶膜33为红外透过率低于20％，可见光透过率＞70％的所述红外隔热胶膜。
本发明一些实施例中，所述透光背板34为可见光透过率＞80％且红外透过率＜40％的玻璃，所述底层胶膜33为所述透明胶膜。
本发明一些实施例中，所述透光背板34为具有可弯曲性的所述有机封装材料，同时所述透光衬底11具有可弯曲性，能在平面镀膜之后进行适应性弯曲，且所述顶层玻璃31预先热弯成型，使得所述隔热太阳能夹胶玻璃3可以应用到不同的曲面场合。
本发明实施例提供了参比隔热太阳能夹胶玻璃4与所述隔热太阳能夹胶玻璃3作对比，以说明所述红外控制层15对所述隔热太阳能夹胶玻璃3的红外透过率的影响。图10为所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的结构示意图。
参照图9和图10，所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4包括所述顶层玻璃31、所述顶层胶膜32、所述透光衬底11、所述过渡层12、所述透明导电氧化层上电极13、所述光电转换层14、所述透明导电氧化层下电极16、所述透光线槽17、所述底层胶膜33和所述透光背板34，所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4与所述隔热太阳能夹胶玻璃3的区别在于所述隔热太阳能夹胶玻璃4不包括所述红外控制层15。
具体的，本发明第一实施例中，参照图9，所述隔热太阳能夹胶玻璃3的所述顶层玻璃31和所述透光背板34均为白玻璃；所述顶层胶膜32为所述透明胶膜，所述底层胶膜33为所述红外隔热胶膜。本发明第一实施例中的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4与本发明第一实施例中的所述隔热太阳能夹胶玻璃3的区别在于，本发明第一实施例中的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4不包括所述红外控制层15。
图11为本发明第一实施例的所述隔热太阳能夹胶玻璃3与不含红外控制层15的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的透过率曲线对比图，参照图11，所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的透过率曲线在720nm附近出现了一个明显的尖峰，使得所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的整体透光效果偏红；包括所述红外控制层15的所述隔热太阳能夹胶玻璃3在720nm附近的红外透过率被控制在15％以下，且对720～1800nm波段的红外透过率也下降了5～10％。
本发明第二实施例中，参照图9和图10，所述隔热太阳能夹胶玻璃3的所述透光背板34为绿玻璃，所述绿玻璃对可见光的透过率＞80％且红外透过率＜40％，所述绿玻璃为美国专利US7094716所述的加入四氧化三铁/氧化亚铁、二氧化钛、三氧化二铈或二氧化锰中的任意一种调色离子的绿玻璃；所述底层胶膜33采用所述透明胶膜；制造成本低的所述绿玻璃替代了本发明第一实施例的所述红外隔热胶膜，起到隔离红外光的作用。本发明第二实施例中的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4与本发明第二实施例中的所述隔热太阳能夹胶玻璃3的区别在于，本发明第二实施例中的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4不包括所述红外控制层15。
图12为本发明第二实施例的所述隔热太阳能夹胶玻璃3与不含红外控制层15的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的透过率曲线对比图，参照图12，所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的透过率曲线在750nm附近也存在一个明显的尖峰，使得所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的整体透光效果偏红；包括所述红外控制层15的所述隔热太阳能夹胶玻璃3对750nm附近的红外光的透光率被控制在15％以下，且对720～1800nm波段的红外光的透过率也下降了5～10％。
由图11和图12可知，所述红外控制层15可以降低所述隔热太阳能夹胶玻璃3的红外透过率，提高红外隔离率，同时可以消除所述隔热太阳能夹胶玻璃3颜色发红的问题，使其更倾向与中性灰色。
本发明实施例用一种参比太阳能夹胶玻璃与本发明第一实施例的所述隔热太阳能夹胶玻璃3和所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4以及本发明第二实施例的所述隔热太阳能夹胶玻璃3和所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的实验数据在表1中做汇总对比，以说明本发明实施例所述隔热太阳能夹胶玻璃3的有益效果。所述参比太阳能夹胶玻璃的结构如图10所示。所述参比太阳能夹胶玻璃与本发明第一实施例的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的区别在于，所述参比太阳能夹胶玻璃的所述底层胶膜33为不具备隔热效果的所述透明胶膜。
表1
参照图10，所述参比太阳能夹胶玻璃的所述顶层玻璃31和所述透光背板34均为不具有隔热效果的所述白玻璃，所述顶层胶膜32和所述底层胶膜33均为对红外光无阻隔效果的所述透明胶膜，且所述参比太阳能夹胶玻璃中不包含所述红外控制层15，如表1的第一栏所示，所述参比太阳能夹胶玻璃的红外透过率为26.3％，总能量透过率为35.5％，虽然所述参比太阳能夹胶玻璃的隔热性能仍优于普通的PVB夹胶玻璃，但仍有很大的改进空间。
结合表1的第二栏和图9所示，由于本发明第一实施例的所述隔热夹胶玻璃3包括所述红外控制层15，且所述底层胶膜33为所述红外隔热胶膜，本发明第一实施例的所述隔热夹胶玻璃3的红外透过率可以低至3.8％，总能量透过率低至28.2％。
结合表1的第三栏和图9所示，本发明第二实施例的所述隔热夹胶玻璃3的所述底层胶膜33为所述透明胶膜，本发明第二实施例的所述隔热夹胶玻璃3将所述绿玻璃作为所述透明背板34，结合设置所述红外控制层15来阻隔红外线，虽然所述绿玻璃的红外阻隔率低于本发明第一实施例的所述隔热夹胶玻璃3的所述底层胶膜33采用的所述红外隔热胶膜，本发明第二实施例的所述隔热夹胶玻璃3的红外透过率仍然可以控制在11.7％，TTS控制在30.3％。
通过对比表1的第二栏和第四栏，以及对比第三栏和第五栏可以看出，本发明第一实施例和本发明第二实施例中，包括所述红外控制层15的所述隔热太阳能夹胶玻璃3的红外透过率和直接能量透过率均比不包括所述红外控制层15的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的对应数值低3％，总能量透过率比不包括所述红外控制层15的所述参比隔热太阳能夹胶玻璃4的对应数值低2～3％，说明设置有所述红外控制层15的所述隔热太阳能夹胶玻璃3能够使进入建筑物或者车内的太阳光热辐射明显下降，以显著地降低内部的热效应，减少温度调节的能耗。
本发明第三实施例提供了一种只适用于平面的应用场合的隔热太阳能夹胶玻璃5，所述隔热太阳能夹胶玻璃5的结构示意图如图13所示。参照图13，所述隔热太阳能夹胶玻璃5包括衬底51，所述过渡层12、所述透明导电氧化层上电极13、所述光电转换层14、所述红外控制层15、所述透明导电氧化层下电极16、所述透光线槽17、所述底层胶膜33和背板52。
本发明一些实施例中，所述衬底51是可见光透过率＞90％且红外透过率＞75％的白玻璃，所述白玻璃的厚度为2.0～4.0mm，所述白玻璃为钢化白玻璃、半钢化白玻璃或热强化白玻璃中的任意一种。
本发明一些实施例中，所述背板53是厚度为2.0～4.0mm且可见光透过率>85％的玻璃，所述玻璃是钢化玻璃、半钢化玻璃或者热强化玻璃中的任意一种。
由于作为所述隔热太阳能夹胶玻璃5的入射面的所述衬底51是不能弯曲的白玻璃，且所述过渡层12、所述透明导电氧化层上电极13、所述光电转换层14、所述红外控制层15和所述透明导电氧化层下电极16依次沉积在所述衬底51的表面，而现有技术中对镀膜后的玻璃进行热弯并保持镀膜的性能不发生改变的难度较大，因此所述隔热太阳能夹胶玻璃5只适用于平面的应用场合。
本发明实施例提供了所述隔热太阳能夹胶玻璃3的制作方法，参照图14，包括：
步骤S1：提供镀膜设备、薄玻璃、顶层玻璃、顶层胶膜、底层胶膜和透光背板，切割所述薄玻璃以形成透光衬底并清洗所述透光衬底；
步骤S2：将所述透光衬底放入所述镀膜设备的反应腔中，在所述透光衬底的一面依次沉积过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转化层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，以形成薄膜太阳能电池；
步骤S3：去除所述光电转化层的部分区域，以形成透光线槽；
步骤S4：在所述薄膜太阳能电池上粘接金属导线以形成正极引线和负极引线；
步骤S5：在所述顶层玻璃的表面依次铺设所述顶层胶膜、所述薄膜太阳能电池、所述底层胶膜和所述透光背板，以形成堆叠结构；
步骤S6：对所述堆叠结构进行合片处理以得到所述隔热太阳能夹胶玻璃。
具体的，所述步骤S2中，所述红外控制层的制备方法与所述薄膜太阳能电池1的所述红外控制层15的制备方法相同。
具体的，所述步骤S3中，所述透光线槽的形成方法与所述薄膜太阳能电池1的所述透光线槽17的制备方法相同。
本发明一些实施例中，所述薄玻璃的厚度为0.4mm，由于所述隔热太阳能夹胶玻璃3中的所述透光衬底11的表面沉积有具光电转化能力和导电能力的各种功能层，切割所述薄玻璃，使形成的所述透光衬底11的每条边的长度相对所述顶层玻璃31的对应边长度缩短10～20mm，以保证制备所述隔热太阳能夹胶玻璃3的过程中所述透光衬底11不会露出所述顶层玻璃的边缘，从而不影响所述隔热太阳能夹胶玻璃3的安全性和可靠性。
本发明一些实施例中，所述步骤S4采用低温银胶将金属导线分别粘在所述薄膜太阳能电池的正极和负极上，预留出足够的长度以伸出所述顶层玻璃之外，然后在120～150℃的温度下烘烤低温银胶10～30分钟以使低温银胶固化，以形成正极引线和负极引线。
本发明一些实施例中，所述步骤S6中，先固定所述堆叠结构并采用硅胶套、硅胶套环或者热辊压中的任意一种方式对所述堆叠结构进行预抽气；预抽气结束后，再将所述堆叠结构放置于高压釜中进行所述合片处理，以形成隔热太阳能夹胶玻璃。
本发明一些实施例中，所述合片处理的温度为125～145℃，对所述高压釜内部施加的压力为0.8～1.2Mpa，所述合片处理的时间为30～60分钟。
本发明实施例还提供了所述隔热太阳能夹胶玻璃5的制作方法，所述隔热太阳能夹胶玻璃5的制作方法与所述隔热太阳能夹胶玻璃3的制作方法的区别在于：所述步骤S5中，在所述薄膜太阳能电池有镀膜的一面依次铺设所述底层胶膜和所述透光背板，以形成堆叠结构。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (14)
1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于：所述薄膜太阳能电池包括依次排列的透光衬底、过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转换层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，所述红外控制层为掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％；所述红外控制层的厚度为30～150nm。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述红外控制层的厚度为45～60nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透光衬底为厚度在0.2～1.0mm的透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯，或者厚度在0.2～1.0mm的透光的薄玻璃；所述透光衬底对可见光的透过率在88％以上。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述过渡层的厚度为3～30nm。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电氧化层上电极和/或所述透明导电氧化层下电极的厚度为500～2000nm，对可见光的透过率在85％以上。
6.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光电转换层、所述红外控制层和所述透明导电氧化层下电极开设有透光线槽，所述透光线槽的宽度为30～500um，相邻所述透光线槽之间的距离小于2mm。
7.一种薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括：
提供镀膜设备和透光衬底，将所述透光衬底放入所述镀膜设备的反应腔中，在所述透光衬底上依次沉积过渡层、透明导电氧化层上电极、光电转化层、红外控制层和透明导电氧化层下电极，得到薄膜太阳能电池；
所述红外控制层由反应气体硅烷和磷烷制备而成，所述磷烷与所述硅烷的体积比为1：100～3：100，得到掺磷的微晶硅层，所述掺磷的微晶硅层的微晶硅结晶度大于60％，所述红外控制层(105)的厚度为30～150nm。
8.根据权利要求7所述的薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述红外控制层的制作工艺包括：将包含所述硅烷、所述磷烷及氢气的反应气体通入所述反应腔中，其中所述氢气与所述硅烷的体积比为50：1～150：1，使所述反应腔达到1.5～3mBar的反应压力，在所述反应腔的上下极板之间施加功率密度为1400～2500W/m2的等离子体射频电源，使所述反应气体发生反应，形成所述红外控制层。
9.一种隔热太阳能夹胶玻璃，其特征在于：包括权利要求1所述的薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池的上表面设置有顶层胶膜，所述顶层胶膜的上表面设置有顶层玻璃，所述薄膜太阳能电池的下表面设置有底层胶膜，所述底层胶膜的下表面设置有透光背板，从而形成夹胶玻璃的结构。
10.根据权利要求9所述的隔热太阳能夹胶玻璃，其特征在于：所述顶层玻璃采用可见光透过率＞90％，红外透过率＞75％的玻璃。
11.根据权利要求9所述的隔热太阳能夹胶玻璃，其特征在于：所述顶层胶膜为可见光透过率＞85％的透明胶膜。
12.根据权利要求9所述的隔热太阳能夹胶玻璃，其特征在于：所述底层胶膜为红外透过率低于20％，可见光透过率＞70％的红外隔热胶膜，且所述透光背板为可见光透过率＞90％，红外透过率＞75％的玻璃。
13.根据权利要求9所述的隔热太阳能夹胶玻璃，其特征在于：所述底层胶膜为红外透过率低于20％，可见光透过率＞70％的红外隔热胶膜，且所述透光背板为透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯或透光的聚碳酸酯，所述透光背板的表面涂敷有抗刮涂层或者进行表面硬化处理。
14.根据权利要求9所述的隔热太阳能夹胶玻璃，其特征在于：所述底层胶膜为可见光透过率＞85％的透明胶膜，且所述透光背板为可见光透过率＞80％，红外透过率＜40％的玻璃。
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