CN201360010Y - 薄膜光伏器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种薄膜光伏器件，包括玻璃基板、透明导电前电极、背电极和保护背板，在所述透明导电前电极和背电极之间依次包括硼掺杂的非晶硅p层、本征i层和磷掺杂的非晶硅n层，所述本征i层具有起伏变化的表面结构。本实用新型的薄膜光伏器件能够使稳定性和光电转换效率两方面均得到较好地保证。
Description
技术领域
本实用新型涉及光伏器件技术领域，特别涉及一种薄膜光伏器件。
背景技术
近年来，随着能源的日益短缺，可再生绿色能源的开发和利用越来越引起人们的重视，特别是对太阳能的开发和利用。作为太阳能转换媒介的光伏(photovoltaic)器件，特别是基于氢化非晶硅(a-Si:H)和纳米晶硅(nano-crystalline Si，nc-Si)的薄膜光伏器件，以其大面积、低成本、易于铺设等优势受到世人的青睐。非晶硅薄膜光伏器件的用硅量少，更容易降低成本，在硅原材料持续紧张的情况下，薄膜光伏器件已成为太阳能电池发展的新趋势和新热点。
已知的薄膜光伏器件通常被设计为具有p-i-n型结构的光电转换单元，图1为薄膜光伏器件的典型结构示意图，如图1所示，薄膜光伏器件通常包括玻璃基板10、透明导电前电极11(通常由氟掺杂的氧化锡(SnO2:F)组成)、透明背电极15(通常由铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)组成)和保护板16，在透明导电前电极11和透明背电极15之间是由p层12、本征i层13和n层14组成的光电转换单元。其中p层12的材料通常是硼掺杂的宽带隙非晶硅合金，如非晶硅碳和纳米晶硅；非掺杂的本征i层13一般是由非晶硅，纳米晶硅或非晶锗硅合金组成；n层14通常是由磷掺杂的非晶硅或纳米晶硅组成。p层12和n层14在光电转换单元中建立内部电场，当光线19穿过p层12进入本征i层13时，在其中产生电子-空穴对，在内部电场的作用下，电子-空穴被分开，电子流向n层14，空穴流向p层12，形成光生电流和光生电压，由透明导电前电极11和背电极15收集。
对于薄膜光伏器件而言，初始光电转换效率随着p-i-n型结构的i层厚度的增加而提高。但随着i层厚度的增加，特别是当i层厚度超过300纳米时，会产生严重的光致衰退效应，导致非晶硅薄膜光伏器件稳定性降低，从而极大地限制了其应用。
由于薄i层光伏器件的转换效率通常比较低，一个流行的解决方法是采用多结串联技术，也就是将两个或更多个基于非晶硅的薄膜光伏器件叠加在一起。但是这种做法也具有诸多缺点，包括器件结构复杂、生产工艺复杂、设备及生产成本偏高等，所以很难被大规模地应用于太阳能发电中。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的在于提供一种薄膜光伏器件，能够使稳定性和光电转换效率两方面均得到较好地保证。
本实用新型提供了一种薄膜光伏器件，包括玻璃基板、透明导电前电极、背电极和保护背板，在所述透明导电前电极和背电极之间依次包括硼掺杂的非晶硅p层、本征i层和磷掺杂的非晶硅n层，所述本征i层具有起伏变化的表面结构。
可选的，所述表面结构为波浪型起伏变化的表面结构。
可选的，所述表面结构为凹槽和凸棱相间的表面结构。
可选的，所述表面结构为锯齿状起伏变化的表面结构。
可选的，所述本征i层的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5。
可选的，所述本征i层中的任何一点到所述n层的距离小于300纳米。
本实用新型提供了又一种薄膜光伏器件，包括玻璃基板、透明导电前电极、背电极和保护背板，在所述透明导电前电极和背电极之间依次包括硼掺杂的非晶硅p层、本征i层和磷掺杂的非晶硅n层，所述本征i层具有非均匀的厚度。
可选的，所述本征i层的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5。
可选的，所述本征i层中的任何一点到所述n层的距离小于300纳米。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：
本实用新型的薄膜光伏器件的非晶硅i层具有非均匀厚度的、起伏变化的表面形态，也就是说，本实用新型薄膜光伏器件的非晶硅i层的厚度在一定范围内以较大的幅度变化。这种结构的i层使后续沉积的n层得以嵌入到i层之中，p层与n层之间的最小距离远远小于i层的平均厚度，大大提高了对光致载流子的收集效率。此外，这种结构的i层使得本实用新型的薄膜光伏器件既因i层具有厚度较厚的部分而获得较高的光吸收率和光电转换效率，同时又因i层具有厚度较薄的部分而具有较好的稳定性。因此本实用新型的薄膜光伏器件达到了兼顾稳定性和光电转换效率的目的。
附图说明
通过附图中所示的本实用新型的优选实施例的更具体说明，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。在附图中，为清楚起见，放大了层的厚度。
图1为薄膜光伏器件的典型结构示意图；
图2为本实用新型薄膜光伏器件第一实施例的结构示意图；
图3为本实用新型薄膜光伏器件第二实施例的结构示意图；
图4为本实用新型薄膜光伏器件第三实施例的结构示意图。
所述示图是说明性的，而非限制性的，在此不能过度限制本实用新型的保护范围。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
下文中提及的非晶硅、非晶硅锗、纳米晶硅和非晶锗均是指这些物质的氢化材料，即氢化非晶硅、氢化非晶硅锗、氢化纳米晶硅和氢化非晶锗材料。
本实用新型的薄膜光伏器件的非晶硅i层具有非均匀的厚度，整体呈现为波浪型、起伏变化的表面结构。换句话说，本实用新型薄膜光伏器件的非晶硅i层的厚度在一定范围内以很大的幅度变化。
图2为本实用新型薄膜光伏器件第一实施例的结构示意图。如图2所示，根据本实用新型第一实施例的薄膜光伏器件包括玻璃基板100、由氟掺杂氧化锡(SnO2:F)组成的透明导电氧化物(TCO)前电极110、由氧化锌(ZnO)和金属薄膜(例如铝)组成的背电极150和保护背板160。透明导电前电极110表面为绒面，适合分散光线，从而增强对光的吸收能力。在透明导电前电极110的表面具有硼掺杂的宽带隙非晶硅合金p层120、非掺杂的本征非晶硅i层130和磷掺杂的非晶硅合金n层140。
本实施例中，本征非晶硅i层(光吸收层)130具有波浪型起伏、连续变化的表面结构。非晶硅合金n层140形成于i层130表面，使其覆盖i层130并具有与i层130类似的表面形态，所述本征i层130的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5，本征i层130中的任何一点到所述n层140的距离小于300纳米。p层120与n层140之间的最小距离小于i层130的平均厚度，增强了光致载流子的吸收能力。本征i层130的厚度较厚的部分决定了其具有较高的光吸收率和光电转换效率；本征i层130厚度较薄的部分决定了其又具有较低的光致衰退效应，即具有较好的稳定性。因此这种薄膜光伏器件的i层结构达到了稳定性和光吸收率、光电转换效率兼顾的目的。
图2中所示的i层130的起伏结构可以由多种办法获得，一种方法是直接生长在特殊的可导致粗糙表面的种子层上，而这个基于硅的种子层可以在高气压高功率的化学气相沉积过程中得到。另一种获得具有微米级粗糙表面i层的方法是在均匀较厚的i层形成之后用等离子体刻蚀的办法，采用较高的气压在大功率下获得，高气压下的刻蚀很容易导致非均匀的刻蚀速率。
图3为本实用新型薄膜光伏器件第二实施例的结构示意图。如图3所示，根据本实用新型第二实施例的薄膜光伏器件包括玻璃基板200、由氟掺杂氧化锡(SnO2:F)组成的透明导电前电极210、由氧化锌(ZnO)和金属薄膜组成的背电极250和保护背板260。透明导电前电极210表面为绒面，适合分散光线，从而增强光电转换单元的光吸收能力。在透明导电前电极210的表面具有硼掺杂的宽带隙非晶硅合金p层220、本征非晶硅i层230和磷掺杂的非晶硅合金n层240。
本实施例中，非晶硅i层(光吸收层)230具有凹槽和凸棱起伏变化的表面结构，在其表面沉积的n层240能够更深地穿插嵌入i层230的主体中，使得i层230中的光电子在很短的距离内就可以达到n层240。所述本征i层230的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5，本征i层230中的任何一点到所述n层240的距离小于300纳米。本实施例中的i层230的最小厚度可以做得小于前述第一实施例的i层130，而i层230的平均厚度和最大厚度均可以做得高于前述第一实施例的i层130，因此本实施例的薄膜光伏器件能够获得更高的光吸收率和光电转换效率，同时并不增加光致衰退效应，从而兼顾了薄膜光伏器件的稳定性和光吸收率、光电转换效率。
图3中所示的i层230的凹槽和凸棱起伏变化的表面结构可以利用常规半导体制造工艺，例如光刻(photolithography)和刻蚀工艺获得。
图4为本实用新型薄膜光伏器件第三实施例的结构示意图。如图4所示，根据本实用新型第三实施例的薄膜光伏器件包括玻璃基板300、由氟掺杂氧化锡(SnO2:F)组成的透明导电前电极310、由氧化锌(ZnO)和金属薄膜组成的背电极350和保护背板360。在本实施例中，非晶硅i层(光吸收层)330的表面结构为锯齿状的起伏结构。在其表面沉积的n层340嵌入i层330的主体中，使得i层330中的光电子在很短的距离内就可以达到n层340。所述本征i层330的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5，本征i层330中的任何一点到所述n层340的距离小于300纳米。与前述实施例相似，本实施例的薄膜光伏器件亦能够获得较高的光吸收率和光电转换效率，同时并不增加光致衰退效应，使稳定性和光吸收率、光电转换效率均较高。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。例如，尽管在附图中所示的各层皆是平整的且厚度几乎相等，但这仅仅是为了方便和清楚地说明本实用新型的原理。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1、一种薄膜光伏器件，包括玻璃基板、透明导电前电极、背电极和保护背板，在所述透明导电前电极和背电极之间依次包括硼掺杂的非晶硅p层、本征i层和磷掺杂的非晶硅n层，其特征在于：所述本征i层具有起伏变化的表面结构。
2、如权利要求1所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述表面结构为波浪型起伏变化的表面结构。
3、如权利要求1所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述表面结构为凹槽和凸棱相间的表面结构。
4、如权利要求1所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述表面结构为锯齿状起伏变化的表面结构。
5、如权利要求1、2、3或4所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述本征i层的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5。
6、如权利要求5所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述本征i层中的任何一点到所述n层的距离小于300纳米。
7、一种薄膜光伏器件，包括玻璃基板、透明导电前电极、背电极和保护背板，在所述透明导电前电极和背电极之间依次包括硼掺杂的非晶硅p层、本征i层和磷掺杂的非晶硅n层，其特征在于：所述本征i层具有非均匀的厚度。
8、如权利要求7所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述本征i层的最大厚度与最小厚度的比例大于1.5。
9、如权利要求8所述的薄膜光伏器件，其特征在于：所述本征i层中的任何一点到所述n层的距离小于300纳米。
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