增加薄膜太阳能电池光吸收的方法技术

本发明专利技术公开了一种增加薄膜太阳能电池光吸收的方法。首先在玻璃基板上沉积直径低于１微米的玻璃珠粒，使其表面具有适当的微米尺寸的起伏结构，然后沉积透明前电极使其具有相似的有明显光散射效应的表面结构。在此种透明前电极上形成的薄膜光伏器件具有更高的光吸收能力和转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能光伏器材领域，特别涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技术。技术背景最近几年，光伏电池和大面积光伏模块的发展引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶 硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出巨大的潜力。在 260°C以下这样较低的温度下生产薄膜硅光伏器件一个显著特点是，大面积沉积的与硅相关 的半导体膜层和电接触膜层具有优良性能。同时，使用良好成熟的镀膜设备和程序，可以工 业化地制成低成本的模板。施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺(laser patterning)允许多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模块， 减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。对于光伏器件，特别是薄膜光伏器件来讲，使其性能优良的关键是优化半导体光电转换 层对光能的吸收，并同时减少器件中的光损耗。在很薄的吸收层里能够最大限度的吸收光能， 是高转换效率的必备条件。氢化薄膜硅所构成的太阳能电池通常具有p-i-n结构，其中p层和 n层是不活跃的死层，它们在非掺杂的i层中建立一个内置电场，从而使得光致载流子被 有效的收集。其吸收层的厚度一般只有几百个微米，最多不超过大约2000微米。而且氢化硅 薄膜的红光和红外光的吸收系数都比较低，所以有很大部分的阳光不能被有效的利用起来。 基于氢化硅薄膜的p-i-n结构被夹在前后两个电极(电接触层)中，而形成完整的光伏元件。 通常使用的前电极必须具有良好的透明度和导电性，它通常是由透明导电氧化物(TCO)构 成，譬如厚度为600-900纳米的被掺杂的氧化锡或氧化锌薄膜。后电极通常由一个TCO和金 属薄膜共同组成，其一个重要作用就是将未被吸收的光反射回p-i-n结构之中。已经尝试过各 种各样的办法来改善对光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前电极。另外，也使用过反光率 很高的背电极，使得未被吸收的光再一次被投回到电池中。对于非晶硅电池来讲吸收层i层 也不能做得很厚，原因是该材料具有光质衰减的缺陷。所以卓越的光学设计对于像氢化硅这 样的薄膜太阳能电池的转换效率起有决定性作用。通常所使用的前电极TCO，譬如氧化锡，在其厚度不超过1000纳米时很难被做得具有 高度的表面纹理结构或粗糙度，也就是说，它对光的散射能力往往不令人满意。具有粗糙表 面的TCO经常具有较差的导电性能和较高的光损耗，这个缺陷限制了薄膜光伏器件光电效率进一歩的提高。曾经有各种尝试，使得TCO的表面结构(texture)变得更明显，譬如对沉积 好的TCO薄膜进行化学或机械处理，使其表面变得更粗糙，但这种做法所得到的粗糙性没有 很好的控制性和重复性，从而经常导致薄膜光伏器件的缺陷。另外一种做法就是将TCO厚度 增大，使得其表面粗糙性随厚度增加，但是增厚的TCO导致其对入射光的吸收增加，同时也 延长了光伏器件的制作周期。所以，有必要寻求一种使厚度适中的TCO具有较高的、可控的 表面结构的方法。而这种利于光散射的表面结构最好是由基板本身提供，而不依赖于TCO薄 膜的形成过程。
技术实现思路
基于上述考虑，申请人拟订了本专利技术的首要目的提高基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器 件的转换效率。本专利技术的进一步目的是，改善薄膜太阳能电池的制作工艺，从而增强该器件的光学特性， 特别是对长波光的响应。为了达到上述目的，本专利技术采用一种。首先在玻璃基 板上沉积直径低于1微米的玻璃珠粒，使其表面具有适当的微米尺寸的起伏结构，然后沉积 透明前电极TCO，使其获得具有明显光散射效应的表面结构或颗粒状态(粗糙性)。然后在 这个TCO之上，形成基于氢化硅薄膜的p-i-n型光伏单元和反光背电极。这些随后沉积的半 导体和背电极薄膜在极大程度上保持了 TCO的粗糙表面结构。所以入射的太阳光在进入p-i-n 光伏单元之前在玻璃与TCO及TCO与氢化硅薄膜的两个界面上，受到散射。而未被光伏元 件吸收的长波光，在背电极的两个界面上也受到两次散射性的反射，以较大的角度回到光电 转换区域。所以依照本专利技术制造的薄膜光伏器件具有良好的光学设计，它对于捕获弱吸收光 和提高光电转换效率十分有效。在玻璃衬底镀上透明前电极之前，就使它拥有起伏的表面，这样使得下面镀上的透明导 电层会更容易具有更高的起伏性，使其对光的折射能力大大增强。用这种方法来得到更高的 光折射力，比在高温下镀金属氧化膜的办法要更可行，而且它对金属氧化膜的厚度要求也大 大减小。我们的实验已经证实这个概念的可行性。本专利技术同样适用于由单一 p-i-n光伏单元构成的单结光伏器件，和由多个p-i-n光伏单元 叠加而成的多结光伏器件。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术做进一歩说明。 图1显示了使得透明前电极具有粗糙表面的过程。图2显示了依据本专利技术制造的薄膜太阳能电池的层状结构。具体实施方式如图1所示，本专利技术的第一步是将平展的玻璃板l清洗干净，然后使用溶胶滞体沉积法 (sol-gel)将玻璃球镀到玻璃基板的表层。具体做法是将玻璃板浸入含有玻璃珠粒和粘连剂 的溶胶滞体，并不断的搅拌溶胶滞体或是不断移动基板本身，从而使玻璃珠粒均匀的粘附到 玻璃基板外表，然后将玻璃基板从溶胶滞体中取出，在不高于50(TC的温度下，进行热处理 使粘连剂固化，使玻璃珠粒牢固的附着在玻璃基板上，形成一个具有起伏结构的膜层ll。在 此之后在表层11上沉积透明前电极2 (TCO)，譬如氧化锡或氧化锌，使它的表面27具有类 似于玻璃表层11或程度更高的表面粗糙性。其表面结构的平均起伏度应当是在30-80纳米之 间，最好是接近50纳米。在这之后所形成的薄膜光伏器件结构如图2所示，该结构包括 一个玻璃基板1，它具 有非镜面的表层ll; 一个透明前电极2; —个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏 单元8;第二透明导电氧化物7和一个或多个金属薄膜45。由于前电极2具有良好的表面结 构，其后生长的氢化硅薄膜8及其后的透明导电氧化物7，大体上保持了这种表面结构。也 就是说，入射光在进入p-i-n光伏单元之前，在玻璃基板与透明前电极的界面17和前电极与 薄膜硅的界面27，两次受到较大的散射，使光以较大的角度进入半导体光电转换区域8。未 被p-i-n光伏单元吸收的长波光也在薄膜硅与第二透明导电氧化物的界面87和第二透明导电 氧化物与金属膜的界面77两次受到大角度的散射性反射。从而使大部分的弱吸收光以超过全 部内反射的临界角度的方向再次进入p-i-n光伏单元。从而极大的提高了它们被吸收的机率。 所以，本专利技术所描述的光散射增加效应，随着基板玻璃表面粗糙性的增加而更加明显，因为 它提高了后面所有膜层界面的光散射效应。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个ｐ－ｉ－ｎ型光伏器件，它的结构依次包括：一个玻璃基板；一个透明前电极；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的ｐ－ｉ－ｎ型光伏单元；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括一个透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于：玻璃基板上镀有一层直径介于０．５－１微米之间的玻璃珠粒，使其一个表面具有起伏结构，然后在玻璃珠粒表层之上沉积透明前电极，包括氧化锡和氧化锌，使该透明前电极也拥有类似或更为明显的起伏结构，从而增加太阳光在光伏器件中的散射和对弱吸收光的捕获能力，同时提高光电转换效率。

【技术特征摘要】
1. 一个p-i-n型光伏器件，它的结构依次包括一个玻璃基板；一个透明前电极；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括一个透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于玻璃基板上镀有一层直径介于0.5-1微米之间的玻璃珠粒，使其一个表面具有起伏结构，然后在玻璃珠粒表层之上沉积透明前电极，包括氧化锡和氧化锌，使该透明前电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李沅民，马昕，
申请(专利权)人：北京行者多媒体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]