CN201562684U - 硅基薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种硅基薄膜太阳能电池，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层和所述非晶硅n层之间具有硅基薄膜缓冲层。本实用新型的薄膜太阳能电池能够进一步提高大面积p-i-n型薄膜太阳能电池的光电转换效率。

Description

硅基薄膜太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及光伏太阳能电池技术领域，特别涉及一种硅基薄膜太阳能电池。
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太阳能电池，特别是基于氢化非晶硅(a-Si:H)和纳米晶硅(nano-crystalline Si，nc-Si)的薄膜太阳能电池，以其大面积、低成本、易于铺设等优势受到世人的青睐。非晶硅薄膜太阳能电池的用硅量少，更容易降低成本，在硅原材料持续紧张的情况下，薄膜太阳能电池已成为太阳能电池发展的新趋势和新热点。
已知的半导体薄膜太阳能电池通常被设计为具有p-i-n型结构的光电转换单元，图1为硅基薄膜太阳能电池的典型结构示意图，如图1所示，薄膜太阳能电池通常包括玻璃基板10、透明导电前电极11(通常由氟掺杂的氧化锡(SnO2:F)组成)、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或纳米晶硅；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在光电转换单元中的i层13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，形成光生电流并产生光生电压，光生载流子由透明导电前电极11和背电极15收集。
对于硅基薄膜太阳能电池而言，性能良好的关键在于要尽量避免载流子(电子和空穴)的复合，从而使载流子可以有效被外部电路所吸收。掺杂层与本征层的界面通常都有较高的电子缺陷，导致电子和空穴比较容易在界面复合，从而减少光生电流并降低太阳能电池的输出功率。另外，在i/n界面(在i层13和n层14相接的区域)，n层14的带隙通常比i层13稍小，原因是由于n层14具有比较重的磷掺杂，使带隙变低。这种情况造成在i层13中产生的空穴会比较容易的扩散进入n层14而与电子复合，从而降低太阳能电池对光致载流子的吸收。同时包括针孔导致的短路缺陷对于大面积光伏器件的光电转换效率而言也是一个非常严重的问题。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的在于提供一种硅基薄膜太阳能电池，能够进一步提高p-i-n型薄膜太阳能电池的光电转换效率，特别是帮助大批量生产中的大面积硅基薄膜太阳能电池提高光电转换效率和良率。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种硅基薄膜太阳能电池，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p层、本征i层和磷掺杂的n层，所述本征i层和所述n层之间具有硅基薄膜缓冲层。
可选的，所述p层和本征i层之间还具有硅基薄膜缓冲层。
可选的，所述硅基薄膜缓冲层包括非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或其他非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合。
可选的，所述硅基薄膜缓冲层的带隙包括1.75～1.9eV的范围。
可选的，所述硅基薄膜缓冲层的带隙可随着该层的厚度的变化而任意变化。
本实用新型还提供了一种硅基薄膜太阳能电池，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包括至少一结由硼掺杂的p层、本征i层和磷掺杂的n层组成的电池单元，在任意一结电池单元的i/n界面处具有硅基薄膜缓冲层。
可选的，在任意一结电池单元的i/n界面和p/i界面处具有硅基薄膜缓冲层。
可选的，所述硅基薄膜缓冲层包括非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或其他非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合。
可选的，所述硅基薄膜缓冲层的带隙包括1.75～1.9eV的范围。
可选的，所述硅基薄膜缓冲层的带隙可随着该层的厚度的变化而任意变化。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：
本实用新型的硅基薄膜太阳能电池在p-i-n型结构的i层和n层之间增加了具有宽带隙层硅基薄膜缓冲层，有效地减小了i/n接触面载流子的复合，增加了光电流。由于加入了该缓冲层，薄膜太阳能电池的性能得到了改良，使其在长时间的运行过程中能够保持比较高的光电转换效率，也就是说初始的转换效率和光照之后电池的转换效率都会由于i/n界面的硅薄膜缓冲层的存在而得到改善。此外，非晶硅缓冲层会使器件具有更高的串联电阻，对于硅基(非晶硅、微晶硅、纳米晶硅以及各种硅基合金)薄膜太阳能电池的短路现象造成的光电转换效率的下降具有明显的抑制作用，从而有效地减少短路现象造成的在大规模生产中大面积硅基薄膜太阳能电池良率的下降。
本实用新型的硅基薄膜太阳能电池还可以在i层和n层、以及p层和i层之间均设置具有宽带隙层的硅基薄膜缓冲层，进一步降低了p/i接触面的载流子复合率，从而进一步提高硅基薄膜太阳能电池的初始光电转换效率。
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为薄膜太阳能电池的典型结构示意图；
图2为本实用新型薄膜太阳能电池第一实施例的结构示意图；
图3为本实用新型薄膜太阳能电池第二实施例的结构示意图；
图4为本实用新型薄膜太阳能电池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。
图2为本实用新型薄膜太阳能电池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太阳能电池包括玻璃基板200、氧化锡透明导电前电极210、由氧化锌和金属薄膜(例如铝)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，从而增强对的光吸收能力。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、非掺杂的本征非晶硅或纳米晶硅i层230和磷掺杂的非晶硅合金n层240。
本实施例中，i层230和n层240之间具有宽带隙的硅基薄膜缓冲层231。所述硅基薄膜缓冲层231包括非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或其他非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合，其带隙包括1.75～1.9eV(电子伏)的范围，优选为氧含量在原子百分比2～12％之间的非晶硅氧合金。硅基薄膜缓冲层231的带隙可随着该层的厚度的变化而任意变化，其可以是整个层的带隙均在1.75～1.9eV之间，也可以是该层中至少一个子层的带隙在1.75～1.9eV之间，从低带隙逐渐过渡到宽带隙的缓冲层。通过沉积过程中在某一阶段增加加入氢气的浓度可以实现逐步提高该阶段沉积的子层的带隙。带隙在1.75～1.9eV的非晶硅氧合金作为i/n界面缓冲层具有良好的稳定性。由于加入该缓冲层231，有效地减少了电子和空穴的复合，使得薄膜太阳能电池的长期稳定性，包括初始光电转换效率和光照之后的光电转换效率都得到改善。此外，宽带隙缓冲层231提高了薄膜太阳能电池p-i-n叠层结构的串联电阻，能够减少器件的短路现象。
在本实用新型的其他实施例中，硅基薄膜缓冲层231可以是宽带隙的非晶硅氟合金，这种合金的带隙可以随着氟的含量发生可连续性的变化。
图3为本实用新型薄膜太阳能电池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太阳能电池包括玻璃基板300、氧化锡透明导电前电极310、由氧化锌和金属薄膜(例如铝)组成的背电极350和保护背板360。透明导电前电极310表面为绒面，适合分散光线，从而增强对的光吸收能力。在透明导电前电极310的表面具有硼掺杂的非晶硅合金p层320、非掺杂的本征非晶硅或纳米晶硅i层330和磷掺杂的非晶硅合金n层340。本实施例中，宽带隙硅基薄膜缓冲层同时设置在p层和i层之间，以及i层和n层之间，包括p层320和i层330之间的缓冲层331，以及i层330和n层340之间的缓冲层332。缓冲层331和332的材料为非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或其他非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合，例如缓冲层331和332为宽带隙(1.75～1.9eV)的非晶硅碳或非晶硅氮合金。缓冲层331和332可以是整个层的带隙均为宽带隙，也可以是带隙不断加宽，也就是说缓冲层的带隙至少有一个子层在1.75～1.9eV，也就是说硅基薄膜缓冲层331和332的带隙可随着该层的厚度的变化而任意变化。本实施例中，硅基薄膜缓冲层331和332优选为氧含量在原子百分比2～12％之间的非晶硅氧合金或非晶硅氟合金。本实施例的薄膜太阳能电池较仅具有i/n缓冲层的薄膜太阳能电池具有更高的光电转换效率。
图4为本实用新型薄膜太阳能电池第三实施例的结构示意图。如图4所示，本实施例为双结薄膜太阳能电池，包括玻璃基板400、氧化锡透明导电前电极410、由氧化锌和金属薄膜组成的背电极480，以及保护背板490。在前电极410和背电极480之间是由p层420、i层430、n层440组成的第一结电池，和由p层450、i层460、n层470组成的第二结电池。在第二结电池的p层450和i层460之间具有硅基薄膜缓冲层461，i层460和n层470之间具有硅基薄膜缓冲层462。所述硅基薄膜缓冲层461和462为非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或其他非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合，其带隙包括1.75～1.9eV的范围。
本实施例中，将前述p/i界面和i/n界面均具有宽带隙硅基薄膜缓冲层的电池结构放置于第二结。在其他多结太阳能电池的实施例中，在任意一结电池单元的i/n界面，或任意一结电池单元的i/n界面和p/i界面处具有硅基薄膜缓冲层。放置于第二结和/或末结的硅基薄膜缓冲层，由于光线大部分已被顶结电池吸收，到达第二结和末结的光强度较低，对硅基薄膜缓冲层的稳定性的要求相比于单结电池中的缓冲层稳定性要求要低得多。
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 (8)

1.一种硅基薄膜太阳能电池，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p层、本征i层和磷掺杂的n层，其特征在于：所述本征i层和所述n层之间具有硅基薄膜缓冲层。
2.如权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述p层和本征i层之间还具有硅基薄膜缓冲层。
3.如权利要求1或2所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅基薄膜缓冲层包括非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合。
4.如权利要求3所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅基薄膜缓冲层的带隙包括1.75～1.9eV的范围。
5.一种硅基薄膜太阳能电池，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包括至少一结由硼掺杂的p层、本征i层和磷掺杂的n层组成的电池单元，其特征在于：在任意一结电池单元的i/n界面处具有硅基薄膜缓冲层。
6.如权利要求5所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于：在任意一结电池单元的i/n界面和p/i界面处具有硅基薄膜缓冲层。
7.如权利要求5或6所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅基薄膜缓冲层包括非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氮、非晶硅氧、非晶硅氟或非晶硅合金、微晶硅或纳米晶硅合金中的任意一种或组合。
8.如权利要求7所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅基薄膜缓冲层的带隙包括1.75～1.9eV的范围。
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