CN1180486C - 透明导电膜前电极晶体硅太阳能电池 - Google Patents

Abstract

透明导电膜前电极晶体硅太阳电池属于一种的新结构的光伏电池。其要点是用透明导电薄膜作前电极，来代替栅状前电极及减反射层。本发明的透明导电膜前电极是迭层结构，即先在已形成n-p结的硅基底上，制作厚度小于100nm的高电阻透明导电膜，然后按电导和减反射的要求制作厚度大于150nm的高电导透明导电膜。可使转换效率提高25-35%。制作成本比现有技术有所降低。

Description

透明导电膜前电极晶体硅太阳能电池

一、技术领域

本发明属于新结构的光伏电池。

二、背景技术

现有的晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳能电池的基本结构如图1所示。它是由一个制有平面半导体n-p结(C)的晶体硅(B)，加上背电极(A)和前电极(E)所构成。前电极十分关键，它既不能遮挡入射光以保证大部分入射光进入n-p结内，又要对光生载流子有充分的收集。这是两个互相矛盾的要求。目前的技术是采用金属栅状电极来解决这对矛盾。

为了减少太阳光在硅表面的反射，通常使用了光学减反射层(F)。它们是折射率在2.0～2.2之间的一氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)等绝缘薄膜。

由图1可以看出：栅状前电极留出大量表面，以接受入射光。而光生电流则依靠光生载流子在太阳电池表层(D)的横向运动，被栅状前电极收集而形成。对n-p型晶体硅太阳能电池而言，光生载流子之所以能作较长距离的横向运动，是因为它们在n-Si表层有较长的扩散长度。当然，也要求表层有足够的厚度，以尽可能降低表层的电阻。这样，在采用栅状前电极的情况下，还要处理好另一对矛盾：一方面，希望表层薄，即结浅，这对提高太阳能电池的短波响应、短路电流，以及对提高电池的性能都有利；另一方面，又希望增加表层厚度，以减小表层横向电阻，从而电增加短路电流和填充因子。晶体硅太阳能电池的现有技术是将表层控制在1微米左右。因此，现在晶体硅太阳能电池所用的栅状前电极，各条电极间的距离可以比较宽，即栅的密度比较稀，形状可以不太精确。

晶体硅太阳能电池中，还有一种结构称为MIS的太阳电池。MIS太阳电池的基本结构如图2所示。它是以金属和半导体形成的肖特基结(J)来驱动光生载流子而产生电动势。在金属和半导体之间，还须有一层很薄的(约几十埃)、品质很好的氧化物绝缘层(I)，如SiO₂、Al₂O₃等。

由于肖特基结很浅，而表层很薄，还由于需要金属电极和半导体形成的肖特基结复盖整个半导体表面，因此就要求各条栅状电极(E)间的距离必须相当小，即栅的密度相当高，形状必须很精确。

综上所述，现有技术存在如下问题：

采用的栅状前电极大约要覆盖6～10％的表面积，使太阳电池的有效面积减小，从而使转换效率降低。

(1)使用栅状前电极的结果是，光生载流子必须在表层作横向运动。这带来了额外的串联电阻，使短路电流和填充因子下降。计算表明：当表层电阻为245Ω.cm²时，等效于太阳电池的有效面积下降为40％；表层电阻为4.6Ω.cm²时，有效面积下降为60％；表层电阻为1Ω.cm²时，有效面积也仅有80％左右。另一方面，为改善光谱响应，要制作浅结。随之而来的，就得制作密栅。计算表明：当表层厚度为0.15μ时，便需要30条/cm的密栅，这只有用光刻技术才能实现。于是使得太阳电池的成本大大增加。

(2)为了使表层的电阻低，表层必须比较厚，一般为1μ左右。这样厚的高掺杂层，被称为“死层”。它能吸收不少入射光(例如：0.5μ的硅可吸收9％的太阳光；2μ厚时太阳光几乎完全被吸收)，但又不能转换为电力。它还有大量的结构缺陷，会捕获光生载流子，使之不能对光生电流作出贡献。因此，厚的表层，也是对提高太阳电池转换效率的不可忽视的限制。

综合上述因素，粗略的计算表明：现有的晶体硅太阳能电池即使采用一个恰当的栅浅密度和与之匹配的表层厚度，仍会使太阳电池的转换效率损失30％左右。

三、发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的缺点，得到一种转换效率高、制作成本低的晶体硅太阳能电池。

本发明采用的技术手段是，对结构为背电极/制有n-p结的晶体硅/前电极的太阳能电池，采用的前电极为透明导电膜前电极，以取代栅状前电极。恰当的选择透明导电膜的种类和制备方法，能使其折射率为1.8～2.0，再加上制备到恰当的厚度就将具有减反射作用。所以，本发明采用的透明导电膜前电极将起着前电极和减反射的双重作用。

为了使本发明取得的更好的效果，考虑到透明导电膜如果采用高电导透明导电膜，它是一种掺杂浓度很高的宽带隙简并半导体，它和高掺杂硅之间会产生大量界面态。因此，本发明在高电导透明导电膜和n-型硅之间引入一个阻挡层，即是以一层足够厚的高电导透明导电膜导电层和一层足够薄的高电阻透明导电膜阻挡层构成透明导电膜前电极，来取代栅状前电极和减反射层。

为实现本发明，根据现有的制备技术，透明导电膜前电极中的高电导透明导电膜导电层可以采用ITO(In₂O₃:SnO₂)，SnO₂、ZnO或Cd₂SnO₄等多晶薄膜，掺杂浓度为10¹⁹-10²¹/cm³。它们的能隙宽度在3.3～4.2eV之间，体电导率为10³～10⁴(Ω.cm)^-1，折射率为1.8～2.00。薄膜可以做成300--900nm厚。用它作前电极有三个作用，并带来显著的效果：

(1)让入射光通过。在现有技术中，透明导电膜的光吸收系数很小；500～600nm厚的透明导电膜的透过率为95％左右。

(2)作为减反射层，增加光的入射。计算表明，在硅表面复盖折射率为1.95左右的透明介质，当透明介质层的光学厚度满足关系nL＝K(λ₀/4)时，对波长为λ₀的光有增透作用。式中，n为透明介质折射率，L为其厚度，λ₀为选定的光波波长，K为正整数。当n取2时，λ₀取为600nm，那么透明导电膜厚度为L＝75、150、225、300、375、525、600……nm时具有最佳的减反射效果。这是在本发明中，选择透明导电膜厚度的基本原则。

(3)作为导电电极，收集光生电流。对600nm厚的透明导电膜，其膜层电阻约6Ω.cm²，不足浅结硅表层电阻的十分之一，小于深结硅表层电阻的三分之一。因此，能大大改善了对光生电流的收集。

透明导电膜前电极中的高电阻透明导电膜阻挡层可以是不掺杂的SnO₂、ZnO或Zn₂SnO₄等多晶薄膜或不掺杂的SnO₂、ZnO等非晶态薄膜(在制作过程中允许有《10¹⁶/cm³的杂质浓度》。随制备工艺、组份及微结构的改变，其电阻率为1～1000Ω.cm。它对高掺杂硅表面起钝化作用，会大大减小高电导透明导电膜/高掺杂硅界面上的界面态，也会对这个界面的能带结构有修饰作用。因此，把它称之为阻挡层。阻挡层的厚度由它的本身的电阻率来确定。基本的考虑是，既要起钝化和能带修饰作用，又不会带来额外的串联电阻。如，电阻率为1-10Ω.cm时，厚度以100nm为宜。当体电阻率为100-1000Ω.nm时，厚度减少为10nm或更薄。

本发明使晶体硅太阳电池的性能有如下改善：

(a)提高了入射光的量约5％；

(b)通过改善横向的电导，等效于增加太阳电池的有效面积约15～20％；

(c)可以使晶体硅太阳电池制作成浅结，改善短波光谱响应，使输出功率有5～10％的提高。

以上三点作用综合起来，可使转换效率提高35～40％。可以相信，随着透明导电膜性能的改进，它的作用还会更加显著。此外，实施本发明使晶体硅太阳电池的成本下降。由于制作透明导电膜的成本与制作减反射膜的成本相当，而前电极的制备成本比用光刻技术制作密栅低得多，也比丝网印刷技术制作普通栅状电极低。因此，成本将降低10％以上。

四、附图说明

图1为现有晶体硅太阳电池的结构图；

图2为MIS太阳电池的结构图；

图3为本发明晶体硅太阳电池的结构图。

五、具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施方式。

根据图3所示的太阳电池结构：背电极(A)/制有n-p结(C)的晶体硅(B)/高电阻透明导电膜阻挡层(G)/高电导透明导电膜导电层(H)/金属电极(K)，制作晶体硅太阳电池透明导电膜前电极的顺序为：在已形成n-p结的晶体硅基片上，先沉积10-100nm的高电阻透明导电膜阻挡层，然后沉积300--900nm厚的高电导透明导电膜导电层，最后制作金属电极。根据硅片的大小，可以制作一条或几条并联的金属电极，条形金属电极间的宽度可以等于或大于10mm。

下述实施过程均在已形成n-p结(C)的硅基底(B)上进行。

实施例1：

高电阻透明导电膜阻挡层采用非晶态SnO₂ ，用PECVD制备，可获得很高的电阻率。一般为电阻率≥10⁴Ω.cm。高电导透明导电膜导电层采用掺杂的SnO₂。具体实施如下：先用PECVD技术制备5～10nm厚的阻挡层(G)。再用溅射方法、低压CVD方法或常压CVD方法制备高电导透明导电膜导电层(H)。厚度按减反射条件，控制为150～750nm，或者更厚。最后用丝网印刷、溅射或真空蒸发制作金属前电极(K)。一般前电极条的密度为0.5-2条/cm。

当非晶态SnO₂阻挡层的电阻率为10⁴Ω.cm，厚度为5nm；掺杂的SnO₂透明导电膜导电层的电导率为10⁴(Ω.cm)^-1，厚度为600nm时，转换效率比使用栅状前电极高30％左右。

实施例2：

高电阻透明导电膜阻挡层采用非晶态SnO₂，高电导透明导电膜导电层采用ITO薄膜，也可以用掺杂的ZnO薄膜或Cd₂SnO₄薄膜。先用PECVD技术制备5～10nm的阻挡层(G)。再用溅射方法或APCVD方法制备高电导透明导电膜导电层(H)，厚度为150～750nm或者更厚。最后，制备金属前电极(K)，方法如例1所述。

当非晶态SnO₂阻挡层的电阻率为10⁴Ω.cm，厚度为5nm；ITO透明导电膜导电层的电导率为1.5×10⁴(Ω.cm)^-1，厚度为600nm时，转换效率比使用栅状前电极高35％左右。

实施例3：

高电阻透明导电膜阻挡层SnO₂采用多晶薄膜，高电导透明导电膜导电层采用掺杂的SnO₂薄膜或ITO膜，或掺杂的ZnO薄膜、Cd₂SnO₄薄膜。先用低压CVD或常压CVD方法制备不掺杂的高电阻透明导电膜阻挡层(G)。由于其电阻率在5～10Ω.cm之间，其厚度控制在100nm左右。然后按例1或例2所述的技术，制作高电导透明导电膜导电层(H)，厚度为150～750nm，也可以更厚。即可用溅射方法、低压CVD方法或常压CVD方法制备SnO₂多晶薄膜透明导电膜导电层；或用溅射方法，常压CVD方法制备ITO膜；或用其它方法制备掺杂的ZnO薄膜、Cd₂SnO₄薄膜。最后，按例1的方法制作金属前电极(K)。

当不掺杂SnO₂阻挡层的电阻率为1～10Ω.cm，厚度为50～100nm；ITO层的电导率为1.5×10⁴(Ω.cm)^-1，厚度为600nm时，转换效率比使用栅状电极高25％左右。

实施例4：

高电阻透明导电膜阻挡层采用Zn₂SnO₄薄膜，高电导透明导电膜导电层采用的材料可与实施例3相同。先用溅射法或其它方法制备阻挡层(G)。由于其电阻率在10～1000Ω.nm之间，阻挡层厚度控制在20～50nm之间。然后，按例1或例2的技术制作150～750nm或更厚的透明导电膜导电层(H)。最后，按例1的技术制作金属前电极(K)。

当Zn₂SnO₄阻挡层的电阻率为1000Ω.cm，厚度为10nm；Cd₂SnO₄层的电导率为1.5×10⁴(Ω.cm)^-1，厚度为600nm时，转换效率比使用栅状电极高35％左右。

实施例5：

高电阻透明导电膜阻挡层采用不掺杂的ZnO非晶态薄膜，高电导透明导电膜导电层可以是掺杂的ZnO薄膜，或上述实施例中的ITO、掺杂SnO₂或Cd₂SnO₄等。先用PECVD或其它方法制备作阻挡层(G)。由于电阻率在1～100Ω.nm之间，ZnO阻挡层厚度控制在5～50nm之间，然后制作150～750nm或更厚的透明导电膜导电层(H)。最后，按例1制作金属前电极(K)。

当ZnO阻挡层的电阻率为1000Ω.cm，厚度为10nm；掺杂的ZnO层的电导率为0.8×10⁴(Ω.cm)^-1，厚度为600nm时，转换效率比使用栅状电极高25％左右。

实施例6：

高电阻透明导电膜阻挡层可以是电阻率更高的氧化物薄膜，如：TiO₂或Al₂O₃，SiO₂薄膜。高电导透明导电膜导电层可以用上述实施例采用的ITO或其他材料。先制作透明导电膜阻挡层(G)，厚度控制为2～10nm。然后再按上述实施例采用的方法，制作150～750nm或更厚的透明导电膜导电层(H)。最后按例1制作金属前电极(K)。

当TiO₂阻挡层的电阻率高于1000Ω.cm，厚度为2nm；ITO层的电导率为0.8×10⁴(Ω.cm)^-1，厚度为600nm时，转换效率比使用栅状电极高35％左右。

Claims (6)

1.一种晶体硅太阳能电池，结构为背电极/制有n-p结的晶体硅/前电极，前电极为透明导电膜，其特征是透明导电膜前电极由透明导电膜导电层和透明导电膜阻挡层构成，透明导电膜导电层采用掺杂浓度为10¹⁹-10²¹/cm³的ITO或ZnO或SnO₂或Cd₂SaO₄多晶薄膜；透明导电膜阻挡层采用不掺杂的SnO₂或ZnO或Zn₂SnO₄多晶薄膜或者SnO₂或ZnO非晶态薄膜或者TiO₂或Al₂O₃或SiO₂薄膜；透明导电膜导电层电导率为10³～10⁴(Ω.cm)^-1，透明导电膜阻挡层电阻率为1～1000Ω.cm。

2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征是透明导电膜导电层采用电导率10⁴(Ω.cm)^-1掺杂的SnO₂薄膜，透明导电膜阻挡层采用电阻率为10⁴Ω.cm的非晶态SnO₂。

3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征是透明导电膜导电层采用电导率1.5×10⁴(Ω.cm)^-1掺杂的ZnO或Cd₂SaO₄薄膜，透明导电膜阻挡层采用电阻率为10⁴Ω.cm的非晶态SnO₂。

4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征是透明导电膜导电层采用电导率1.5×10⁴(Ω.cm)^-1掺杂的SnO₂或ITO或ZnO或Cd₂SaO₄薄膜，透明导电膜阻挡层采用电阻率为1-10Ω.cm的多晶态SnO₂。

5.如权利要1所述的太阳能电池，其特征是透明导电膜导电层采用电导率1.5×10⁴(Ω.cm)^-1掺杂的Cd₂SaO₄薄膜，透明导电膜阻挡层采用电阻率为1000Ω.cm的Zn₂SnO₄薄膜。

6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征是透明导电膜导电层采用电导率0.8×10⁴(Ω.cm)^-1掺杂的ZnO或SnO₂或Cd₂SaO₄或ITO薄膜，透明导电膜阻挡层采用电阻率为1000Ω.cm的不掺杂的ZnO非晶态薄膜。

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