CN101236998A - 透视型非晶硅光伏玻璃窗 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特殊的适合光伏建筑一体化应用的薄膜光伏模块。透视型非晶硅(a－Si)光伏模块是由透明电极和部分透明的非晶硅半导体薄膜层构成的，非常适用于光伏玻璃窗。非晶硅透视型光伏模块且具备双面光感的特性。

Description

透视型非晶硅光伏玻璃窗
技术领域
本发明涉及薄膜光伏组件的建构，尤其是涉及适合用作光伏建筑一体化(BIPV)光伏玻璃窗材料的特种薄膜光伏组件。
背景技术
传统的光伏产品，特别是最流行的晶体硅光伏组件，不具有透光性，或是没有自然均匀的适合光伏建筑一体化应用的透明性，原因是可见光不能穿透半导体和/或电极材料。图1显示了一个标准的单结p-i-n型硅薄膜太阳能电池的膜层结构。该器件包含一个平板玻璃基板20，一个由透明导电氧化物(TCO)制成的前电极30，一个由硼掺杂的非晶硅合金构成的p层40，一个基于本征(非掺杂)硅薄膜的i层50，一个由磷掺杂的基于非晶硅的n层60，一个由TCO薄膜制成的透明的后电极90，一个不透明的金属导电膜99，粘合层与胶膜剂100(封装介质)和一个玻璃盖板110。在这个装置的设计中，由TCO薄膜制成的透明的后电极90与金属导电膜99一起构成非透明太阳能电池的后电极(背电极)。
相比之下，包括非晶硅(a-Si)和纳米晶体硅(a-Si)的氢化薄膜硅，可比较容易地被用来制成对可见光部分透明的光伏模块。制作部分透明的薄膜硅光伏模块的传统方法是，用激光技术把硅薄膜和电极薄膜有选择性地从不透明光伏板中移除(激光刻线，laser scribe)，这样光可以透过被激光处理过的区域。因此，光伏板的透明度就由不再产生能量的“开口区域”来决定。用这种“毁除”的方式来制造透光度有下列几个缺点：激光移除过程缓慢，这影响了产品的生产量；激光处理的格局经常看起来不统一；过程中需要高级的昂贵激光处理***；透明度和光伏活跃区域的损失、亦即输出功率的流失成正比。如果生成看起来更整齐的，激光“点”的位置比较均匀的模式，就会对光伏模块产生非常大的损伤，导致过量的光伏输出功率的损失。故此，制作透光的基于薄膜硅的光伏组件需要一种更好的方法。
发明内容
基于上述考虑，申请人拟订了本发明的目的：提供一种建构非晶硅光伏模块的方法，使模块不经移除半导体和电极材料就能自然透过某些可见光。
进一步目的是，为生产适合建筑应用的光伏建筑一体化的透视型非晶硅光伏组件提供一个有效而简单的方法。
为了达到上述发明目的，本发明用透明电极和基于非晶硅的p-i-n层来建构非晶硅光伏模块。其中p-i-n层中厚度小于350纳米的i层可以透过红光。玻璃片是用作基板(基片或衬底)和盖板的，用以保护和支持光伏膜层。所有这些光伏器件中的薄膜都可以通过传统的制作不透明非晶硅光伏组件的设备和程序来生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是一个传统的不透明的非晶硅p-i-n型光伏组件的膜层构成示意图。
图2是一个透视型非晶硅光伏组件的膜层构成示意图。
具体实施方式
氢化非晶硅(a-Si)薄膜是一种独特的部分透明的半导体材料，在薄膜厚度足够低时，可用来做成真正透视的光伏模块用于像玻璃窗这样的产品。和这种透视玻璃窗相比，传统的半透明光伏窗户只是依赖“开口区域”透光，开口区域中不透明光伏器件的相关薄膜已经被至少部分移除了。
本发明采用一种不同的方法生产基于硅薄膜的部分透明的光伏模块，主要依靠使光伏器件中所有的薄膜至少具有部分透明性。图2描述了基于薄膜硅的透视光伏模块的膜层构成。该器件包括一个平展的玻璃基板20，一个由透明导电氧化物(TCO)构成的前接触层(前电极)30，一个像硼掺杂的非晶硅碳合金这样的带隙大于2.1eV的宽带隙的非晶硅合金p层40，一个非掺杂的基于非晶硅薄膜的i层50(本征硅)，一个磷掺杂的基于非晶硅的n层60，一个可选择的分流抑制层70，一个n型界面层80，一个由透明导电氧化物(TCO)薄膜制成的透明后电极90(背接触层即背电极)，一个粘合层和膜层粘合剂100(封装介质)，和一个玻璃盖片110。在这个器件设计中，背接触层完全是由TCO薄膜制成的透明后电极90制成，不存在传统光伏器件中的金属膜(图1中的99层)。这里，一个关键的要求是基于非晶硅薄膜的i层50必须足够薄，要小于300纳米，以便让某些光通过i层。这一点是可能的，因为非晶硅和纳米晶硅(纳米硅)都有适当较弱的光吸收系数，所以至少部分红光可以透过硅薄膜。此外，n层60最好是由带隙不小于1.85电子伏(eV)的非晶硅碳和非晶硅氧合金材料制成。分流抑制层70和n型界面层80是随意性的，这些“死层”对于基于非晶硅薄膜的i层50的缺陷区起着限制分流的作用。为了减少光学损失，分流抑制层70和n型界面层80应该足够薄，并且/或者有着大于比如说1.9eV的光能带隙。
当像氧化锌这样的透明导电氧化物被用于透明后电极90，且所有基于硅的薄膜的p层40，i层50，n层60，分流抑制层70和n型界面层80都至少有些透明时，就可以得到部分透明的透视太阳能电池。通过调节图2中所有这些基于硅的薄膜的厚度和能带隙，就可以改变透视光伏模块的透光度。当活跃的光伏i层50的厚度保持在150纳米以下，有相当部分的光线可以透过光伏模块，透光度就可以大于10％。p层40和n层60(都是由宽带隙的非晶硅合金制成)都应尽量薄(要足够使太阳能电池发电)。这样的光伏模块看起来非常统一自然，因为所有膜层都是统一在玻璃基板上沉积而成的，其透光性也不是由于选择性地移除了沉积的薄膜而产生的。
非纹理(镜面)的前电接触层，例如平滑的SnO2，就比表面为波纹形状的(纹理的，textured)SnO2好。因为具有粗糙绒面特征的SnO2会让光分散，从而使透视型的形象有些模糊。使用平滑的TCO作为前接触层的缺点是，减少光吸收器的捕光能力，降低效率。光伏模块的透光度(光的颜色)可以通过改变硅薄膜i层的厚度，或改变光伏模块前电极和后电极材料的透明导电氧化物薄膜的性能来调节。
为了生产高性能的、硅薄膜i层较薄(比如说小于250纳米)的透视型光伏模块，还需要解决一些技术问题。首要的困难是硅薄膜i层的分流(shunt)问题，尤其是需要更薄的硅薄膜的更透明的光伏模块的分流亦即“短路”问题。通过***一个图2所示的基于非晶硅的宽带隙的、相对绝缘的薄膜分流抑制层70和n型界面层80，就能很好地限制薄膜硅i层中通过分流缺陷区(或针孔)时渗漏的电流。
和传统的只能正面感光的光伏器件不同，透视型的光伏模块有“双面光感”(光照射在光伏模块的任何一面都能发电)的性能。因为透明的背面接触层可以允许模块“背面”的光到达i层50从而产生光伏效应。这种双面光感的性能使透视型非晶硅模块更适合独立户外应用和弱光室内应用，这时光伏模块的双面都是触光的。然而，由于这类器件的结构和p-i-n型薄膜硅太阳能电池的基本不对称性，光照在模块正面(玻璃基板20)时，比照在背面(玻璃盖片110)时的发电功率要高得多。我们发现，如果非晶硅n层薄膜是正常的厚度(用于不透明的模板)，部分透明的双面光感光伏模块背面触光时总是比正常情况下(光照射在顶层玻璃基板20上)的功率低。
我们可以大面地沉积所有的薄膜层，从而直接得到半透明光伏模块。这种透视型光伏玻璃窗生产成本低，更统一，看起来更自然(美观)，输出功率也比传统的“激光处理”的部分透明模块的功率高。并且完全避免了在选定区域进行繁琐的后沉积薄膜消除处理过程。这种光伏模块可以通过合适的大面积薄膜沉积设备和程序而生产，不需要额外的设备或材料。因此，我们的模块设计真正为大量生产适合光伏建筑一体化的光电产品提供了一种低成本、简单实际的解决方法。

Claims (6)

1. 一个透视型光伏模块，该光伏模块由薄膜硅制成，薄膜硅包含非晶硅和纳米晶硅，其p-i-n型结构的i层厚度不大于350纳米，模块的大部分区域可见光透视度大于1％。其特征在于：所述的透视型光伏模块包含如下几个组成部分：
a)一个玻璃基板；
b)一个前电接触层，该接触层由透明导电氧化物制成，置于所述的玻璃基板之上；
c)一个p层，该p层由硼掺杂、宽带隙、光能带隙不小于2.0电子伏的非晶硅合金制成，该合金包括非晶硅碳和非晶硅氧合金。p层厚度不大于12纳米，置于所述的前电接触层之上；
d)一个本征i层，该本征i层由非掺杂的氢化薄膜硅或其含有非晶硅和纳米晶硅的合金构成，其厚度不大于300纳米，沉积于所述p层之上；
e)一个n层，该n层由磷掺杂的薄膜硅或其合金制成，包括非晶硅，非晶硅氧合金，非晶硅碳合金和纳米晶硅及其合金。该n层厚度不大于25纳米，沉积于所述本征i层之上；
f)一个透明背电极，该背电极包含一个由铝掺杂的氧化锌制成的透明导电氧化物薄膜，该薄膜厚度不小于200纳米。该背电极置于所述的n层之上。
g)一个粘合层，其透光度不小于80％，并有密封能力，该粘合层被牢固地粘合在所述的透明背电极之上；
h)一个保护层，该保护层由玻璃板或其它透明材料制成，被安全地粘合在所述的粘合层之上。
2. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：该透视型光伏模块还包括一个含有非掺杂或微掺杂的非晶硅合金制成的死层，该合金光能带隙大于1.9电子伏，电阻系数不小于所述的p层电阻系数，厚度在5-300纳米之间。该死层置于所述的n层和所述的透明背电极之间。
3. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：该透视型光伏模块还包括多个含有非掺杂的和/或掺杂的非晶硅合金制成的死层。该非晶硅合金带隙不小于所述n层的非晶硅合金带隙，至少一个所述的死层电阻系数大于所述p层的电阻系数。所述的多个死层置于所述n层和所述的透明背电极之间。
4. 根据权力要求1所述的透视型光伏模块，其特征在于：该透视型光伏模块中，所述的本征i层包含一个非晶硅薄膜，该薄膜厚度小于160纳米。
5. 根据权力要求3所述的透视型光伏模块，其特征在于：该透视型光伏模块中，所述的本征i层包含的非晶硅碳合金的光能带隙要大于1.8电子伏，其厚度小于120纳米。
6. 一个包含权利要求1、2或3中所述的透视型光伏模块的玻璃窗。
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