CN202217689U - 光伏器件以及包括其的光伏转换器面板 - Google Patents

光伏器件以及包括其的光伏转换器面板 Download PDF

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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
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Abstract

光伏器件包括:衬底;在所述衬底上沉积的:第一接触层;第二接触层;在所述第一和第二接触层之间的:第一层堆,包括第一p掺杂层、非晶氢化硅的第一至少基本本征层和第一n掺杂层;第二层堆,包括第二p掺杂层、微晶氢化硅的第二至少基本本征层和第二n掺杂层。第一至少基本本征层的厚度在160nm和400nm之间,而所述第二至少基本本征层的厚度在1μm和2μm之间。

Description

光伏器件以及包括其的光伏转换器面板
技术领域
本实用新型涉及光伏器件及其制造的领域。更具体地,本实用新型涉及具有所谓的串接结结构的基于硅的薄膜太阳能电池和模块并且涉及其总体制造工艺的改进。 
在本专利申请中使用的术语的定义 
●氢化微晶硅(μc-Si:H)(也被称作纳米晶体nc-Si:H)材料和氢化非晶硅(a-Si:H)材料
在本说明书和权利要求书中我们理解氢化微晶硅为一种具有至少5%(体积百分比)结晶度(嵌入在氢化非晶硅的或多或少多孔基体的晶粒)的材料。微晶颗粒具有5 nm到100nm的垂直于其长度范围的直径范围。
具有小于所提及的5%(体积百分比)结晶度的氢化硅材料被认为氢化非晶硅。 
在光伏器件中涉及作为i层材料的氢化微晶硅由在800 nm的波长和零偏压下的至少5%的绝对外量子效率表征。而如所提及的所涉及氢化非晶硅示出在800 nm的波长和零偏压下的绝对外量子效率在5%之下。 
●本征: 
如果层或材料是半导电的,其中费米能级至少基本位于其价带和导带之间的中部——即中间能隙,则其被称为“本征”。没有有意和/或无意地应用掺杂。
●基本本征: 
除了上面被定义为“本征”的层或材料之外,“基本本征”层或材料群另外包括有意和/或无意补偿的半导电层或材料,即其中费米能级由于有意和/或无意掺杂而至少近似为中间能隙的层和材料。
●i层: 
该术语用于提及基本本征层。
背景技术
也被称为光电转换器件或更具体地称为太阳能电池(当要转换源自太阳的光时)的光伏器件是把光特别是太阳光转换成直流(DC)电功率的器件。为了低成本的大规模生产,薄膜太阳能电池特别引人关注。 
太阳能电池层堆,即负责或能够进行光伏转换的层序列,被沉积为薄层序列。通常通过真空沉积工艺,诸如通过PVD(物理汽相沉积)、CVD(化学汽相沉积)、PECVD(等离子体增强化学汽相沉积)、LPCVD(低压CVD)、热丝CVD(它们所有或大部分被用于半导体科技中),执行该沉积。 
薄膜太阳能电池一般包括第一电极(诸如接触层)、一个或多个半导体薄膜p-i-n或n-i-p堆以及第二电极(诸如另一接触层),这些层相继层叠在衬底上。每个p-i-n或n-i-p堆包括夹在p掺杂层和n掺杂层之间的i层。i层占据薄膜p-i-n或n-i-p堆的大部分厚度。 
光电转换主要发生在i层中。 
现有技术图1示出光伏电池40,光伏电池40包括其上沉积一层透明导电氧化物(TCO)42的例如玻璃的透明衬底41。该层也被称作前接触“F/C”并且充当第一电极。随后层堆43包括三层,p-i-n。邻近TCO前接触42的层44被正p掺杂,随后层45是基本本征的,并且下面层46被负n掺杂。 
在可选的实施例中,如所描述的层序列p-i-n可以被颠倒为n-i-p。这是在该堆上的光照射方向被颠倒的情况下进行的。在这种情况下,衬底41是不透明的并且接触层42是反射的。层44然后被n掺杂,层45是至少基本本征的,并且层46被p掺杂。 
该电池包括第二接触层47。在如图1所示的p-i-n配置中,层47可以例如由氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)或ITO(氧化铟锡)制成并且接着是反射层48。 
在n-i-p配置中,第二接触层是透明的并且不提供反射层48。 
为说明目的,箭头指示p-i-n配置即其中光从衬底背面照射的配置的照射光。 
根据i层的材料结构,太阳能电池被称作非晶氢化硅电池或者微晶氢化硅电池,与p和n掺杂层的材料和材料结构无关。 
现今,所谓的串接结太阳能电池越来越引入关注。串接结太阳能电池(也被称为串接电池)是具有一个堆叠在另一个上的至少两个薄膜单电池的电池。这样,可以组合具有光谱上不同转换效率的电池以产生与每个单电池的光谱效率相比在较宽光谱带中有效的总体光谱转换效率。单电池敏感光谱可以彼此不同或者在一定范围相互重叠。在本领域中已知非晶氢化硅电池与微晶氢化硅电池的组合,因为后者比前者对太阳光的更长波长敏感。 
图2示出这种已知的串接结构50。在与单电池的图1所示的类似的p-i-n配置中,串接结构50包括衬底41、作为第一电极的一层透明导电氧化物TCO 42、与图1的电池的层堆类似的三层44、45、46的p-i-n堆43、作为第二电极的后接触层47和反射层48。属性和要求一般如上面针对图1的电池所描述的那样:i层为基本本征的微晶氢化硅。 
串接结构50还包括分别被p掺杂、基本本征(i型)和n掺杂的p-i-n层52、53、54的第二堆51。p-i-n堆51的i层为非晶氢化硅。 
在图2中,对于在衬底41背面上照射光而言,两个堆51和43处于p-i-n配置。 
如果照射光的方向被反向,则这些堆以n-i-p配置被实现并且堆51和43的顺序相对于现在的不透明衬底被反向。 
实用新型内容
所提及的目标是通过根据本发明的器件和方法获得的。 
该光伏器件包括:衬底; 
在所述衬底上沉积的:
第一接触层;
第二接触层;
在所述第一和第二接触层之间的:
第一层堆,包括第一p掺杂层、非晶氢化硅的第一至少基本本征层和第一n掺杂层;
第二层堆,包括第二p掺杂层、微晶氢化硅的第二至少基本本征层和第二n掺杂层;
其中所述第一至少基本本征层的厚度在160 nm和400 nm之间,而所述第二至少基本本征层的厚度在1μm和2μm之间。
发现这样获得特别高的初始效率以及还有特别高的稳定效率。 
在一个实施例中,第一接触层基本由TCO制成。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,第一至少基本本征层是氢化硅的本征非晶层。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,第二至少基本本征层是氢化硅的本征微晶层。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,在入射光的方向上这些层的顺序是: 
第一接触层
第一p掺杂层
非晶氢化硅的第一至少基本本征层
第一n掺杂层
第二p掺杂层
微晶氢化硅的第二至少基本本征层
第二n掺杂层
第二接触层。
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,所述第一至少基本本征层和所述第二至少基本本征层的厚度之和在2μm之下。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,第二接触层包括TCO具体地基本由TCO组成。具体地,该TCO为ZnO,这对被应用为第一接触层的TCO也可以有效。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,所述第一至少基本本征层的厚度是250 nm或230 nm。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,所述第二至少基本本征层的厚度是1.28μm。 
在一个实施例中,衬底是商用的可能TCO预涂布的玻璃,且所述第一至少基本本征层的厚度是210 nm并且所述第二至少基本本征层的厚度是1.41μm。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,所述衬底是透明衬底,具体地是玻璃衬底。 
在可以与前面提及的实施例中的一个或多个实施例组合的一个实施例中,所述第一和第二层堆借助于PECVD进行沉积。 
光伏转换器面板包括至少一个根据本实用新型的光伏器件,具体地是多个光伏器件。 
在一个实施例中,光伏转换器面板具有至少2500 cm2的表面范围,更具体地为至少1.4 m2的表面范围。 
制造光伏器件的方法包括以下步骤: 
提供在其上沉积第一接触层的衬底;
以预定顺序沉积:
●第一层堆,通过沉积第一p掺杂层、非晶氢化硅的第一至少基本本征层和第一n掺杂层;
●第二层堆,通过沉积第二p掺杂层、微晶氢化硅的第二至少基本本征层和第二n掺杂层;
沉积第二接触层;
其中实施沉积以使得所述第一至少基本本征层的厚度结果是在160 nm和400 nm之间而所述第二至少基本本征层的厚度结果是在1μm和2μm之间
在该方法的一个实施例中,该方法包括例如通过沉积或提供一层ZnO而在衬底上沉积或提供TCO层的步骤。
在一个实施例中,实施该沉积以使得所述第一至少基本本征层的厚度是250 nm而所述第二至少基本本征层的厚度是1.28μm。 
本实用新型的目标是提供串接电池且提供具有增加的光伏转换效率的相应转换器面板并且提供制造这种电池和面板的方法。 
通过对示例的以下描述,本实用新型的进一步实施例和优点对技术人员变得显而易见。
附图说明
下面,借助于示例和图更详细地描述实用新型。这些图示出: 
图1通过目前工艺水平的单结光伏器件或太阳能电池的示意截面图;
图2通过根据本实用新型的串接结光伏器件或串接太阳能电池的示意截面图;
图3包含本实用新型的a-Si:H/μc-Si:H串接太阳能电池的V-I图示。
所描述的实施例打算作为示例并且不应约束本实用新型。 
具体实施方式
本实用新型涉及薄膜光伏器件尤其是太阳能电池面板并且涉及其制造方法。尽管可应用于其他光伏器件,但是我们现在将指代太阳能电池。太阳能电池面板可以例如用于建造应用。我们在图2的背景下描述了太阳能电池串接结构。这种结构通常组合a-Si:H和μc-Si:H太阳能电池,即包括非晶氢化硅的i层的p-i-n或n-i-p堆以及相应地包括微晶氢化硅的i层的p-i-n或n-i-p堆。 
如技术人员完全已知的,在太阳能电池薄膜半导体电池中i层被夹在p和n掺杂层之间。 
用于太阳能电池面板的衬底可以为用于接收导电接触和随后层堆的任何合适材料。衬底一般是平坦的并且可以是玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷或者其他玻璃状材料、诸如聚酰亚胺的塑料、或者诸如铝、钢、钛、铬、铁等的金属膜。为了满足太阳能电池面板的高效生产的目标,标准化是期望的。在当今的市场中普遍的一个尺寸是基于1.1 m×1.3 m范围的1.4 m2玻璃衬底。然而,本实用新型不限于该尺寸并且可以成功地应用于其他尺寸和形状,无论是矩形或方形。 
在本文中描述的制造工艺产生高转换效率η的串接电池结构。 
遵循图2所示的结构,在玻璃衬底41上已沉积由ZnO制成的TCO层42。随后,沉积具有本征的非晶氢化硅层的p-i-n堆51,然后是具有本征的微晶氢化硅层的p-i-n堆43。然后,进一步TCO层被应用为背接触47。本征的非晶氢化硅层具有250 nm的厚度,本征的微晶氢化硅层的厚度为1.28μm。串接电池的初始效率是ηi=11.16%并且稳定效率ηst=9.5%。 
当使用商用TCO预涂布的玻璃时,可以达到ηi=11.6%的初始效率。在这种情况下,本征的非晶氢化硅层的厚度为210 nm并且本征的微晶氢化硅层的厚度为1.41μm。 
使用可从Oerlikon Solar购买的KAI PECVD沉积系统来执行层堆51和43的沉积工艺。ZnO(TCO)层被沉积在也来自Oerlikon Solar的系统TCO 1200上。 
在KAI-M反应器中制备了具有非晶和微晶电池(被称作微形态串接件)的进一步串接太阳能电池,其示出12.1%的初始效率。将这种微形态串接件提高(up-scale)到小型模块和提高到1.4 m2面积模块产生显著高的效率。 
表I总结其中Asahi SnO2和LPCVD沉积的ZnO分别作为前TCO(参考图2的标号42)的、1 cm2面积的a-Si:H/μc-Si:H串接电池的AM1.5 I-V结果。利用Asahi SnO2,我们获得了显著的12.1%初始电池效率,而利用ZnO为11.8%。 
表I 
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
表I:分别用LPCVD沉积的ZnO和Asahi SnO2获得的微形态串接电池的AM1.5 I-V太阳能电池初始特性。(Voc:开路电压;Jsc:短路电流密度。)
1.4 m2的一个模块获得125.8 W的初始功率(参见图3)。由于该模块可以用厚度230 nm的相当薄的微晶氢化硅本征层来获得,所以预期大约110 W的稳定模块功率。本征层的总体厚度在2μm之下。

Claims (6)

1.一种光伏器件,包括:衬底;
在所述衬底上沉积的:
第一接触层;
第二接触层;
在所述第一和第二接触层之间的:
第一层堆,包括第一p掺杂层、非晶氢化硅的第一至少基本本征层和第一n掺杂层;
第二层堆,包括第二p掺杂层、微晶氢化硅的第二至少基本本征层和第二n掺杂层;
其中其中所述第一至少基本本征层的厚度是210 nm并且所述第二至少基本本征层的厚度是1.41μm。
2.根据权利要求1的光伏器件,其中商用TCO预涂布的玻璃被用作所述衬底。
3.根据权利要求1的光伏器件,其中所述衬底是玻璃衬底。
4.根据权利要求1的光伏器件,其中所述第一和第二层堆借助于PECVD进行沉积。
5.一种光伏转换器面板,包括至少一个根据权利要求1的光伏器件。
6.根据权利要求5的光伏转换器面板,具有至少2500 cm2的表面范围。
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