CN101814554A - 一种薄膜太阳能电池的结构设计方法 - Google Patents

一种薄膜太阳能电池的结构设计方法 Download PDF

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庞晓露
高克玮
杨会生
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Abstract

本发明涉及一种薄膜太阳能电池的结构设计方法，包括微晶、非晶硅薄膜太阳能电池，CdTe/CdS，CIGS薄膜太阳能电池的结构设计，属于太阳能电池器件制备领域。该发明采用铝箔作为薄膜太阳能电池的背电极和基片，前表电极采用透明导电薄膜AZO(ZnO:Al)或者FTO(SnO2:F)，表层采用透明树脂封装，不改变目前工业生产的中间光伏层的结构，从而不需要改变目前生产的工艺和设备，不需要升级改造既可实现工业化生产。本发明主要解决目前工业生产的薄膜太阳能电池成本高，不能弯曲，运输成本高，易碎等问题。通过改变背电极、前表电极及封装材料来解决当前工业生产薄膜太阳能电池的所遇到的瓶颈。

Description

一种薄膜太阳能电池的结构设计方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜太阳能电池的新结构，特别涉及在柔性基体上制备各种非晶硅、微晶硅、多晶硅、CIS/CIGS、CdTe/CdS等薄膜太阳能电池。
背景技术
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。一直以来，高生产成本困扰着太阳能电池模块制造业的发展。为了提高产量并降低成本，这些企业正在生产第二代的新型薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池目前只占全部太阳能电池市场销量的10％，但有望在10年后达到40％左右。薄膜太阳能模块要比以前的晶硅太阳能电池成本低，重量也更轻，因而受到广泛关注。
通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在相对廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。此外，液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4，为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料工业上一般选用透明导电玻璃。开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展。非晶硅薄膜太阳能电池的结构通常为透明导电玻璃/p-Si/i-Si/n-Si/Al或Ag薄膜，具体制备方法如下，在玻璃基体上通过化学气相沉积、喷雾热解、溅射技术等制备一层透明导电薄膜，成分通常为F掺杂的SnO2或Al掺杂的ZnO，然后分别沉积p-Si/i-Si/n-Si，最后再沉积一层约200nm厚的Al或Ag薄膜作为背电极，具体结构如图1所示。目前，在微晶、非晶硅薄膜太阳能电池方面形成很多专利，主要都集中在硅的结构形式，单结、叠层，制备工艺优化等等，例如，北京市太阳能研究所有限公司的励旭东、李海玲、许颖等人公开了一种新结构的晶体硅太阳能电池(CN200610153054.7)，其要点是在N型单晶硅衬底背面沉积一层硅薄膜形成异质PN结，来代替常规的扩散法在电池正面制备的同质PN结，提高转化效率。
作为一种非常重要的薄膜材料，CdTe的禁带宽度为1.45eV，其禁带宽非常接近光伏材料的理想禁带宽度，而且它是直接带隙材料，具有很高的光吸收系数，CdTe太阳能电池的理论转换效率在29％左右。虽然同质结n-CdTe/p-CdTe也可以作太阳能电池，但是转换效率很低，一般小于10％，其原因是CdTe的光吸收系数很高，使大部分光在电池表面1-2μm内就已被吸收并且激发出电子和空穴对，但是这些少数载流子几乎在表面就被复合掉，即在电池的表面形成“死区”，从而导致其转换效率低。为了避免这种现象，一般是在CdTe的表面生长一层“窗口材料”CdS薄膜。CdS是宽禁带半导体材料，带隙为2.42eV，与CdTe有相对较好的晶格、化学和热膨胀匹配。目前，实验室里CdTe/CdS太阳能电池的最高转换效率为16.7％，距其理论转换效率还有不小的差距。CdTe/CdS太阳能电池的结构通常为透明导电玻璃/CdS/CdTe/金属薄膜背电极，如图2所示。华南理工大学姚若河、郑学仁公开了一种薄膜太阳能电池及其制备方法(CN1547260)，其主要结构仍和上述结构相同，只是又在原有CdS/CdTe薄膜的基础上沉积p型、n型硅，提高转化效率。
为了寻找单晶硅电池的替代品，人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。铜铟硒CuInSe2简称CIS。CIS材料的能降为1.1eV，适于太阳光的光电转换，另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向，例如清华大学庄大明、张弓、方玲、杨波等公开一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法(CN1367536)，其结构通常是在玻璃上沉积一层Mo或者Mo-Cu薄膜，然后是CIS或者Cu(InGa)Se2(CIGS)，再沉积CdS和i-ZnO，最后是透明导电薄膜电极，如图3所示。
通过以上描述及专利文献可以知道，目前薄膜太阳能电池的结构主要是以玻璃为基体，透明导电薄膜做前表电极，200nm左右厚的铝或者银薄膜做背电极，中间为核心的电池层。既需要玻璃做基体，又需要铝或银薄膜做背电极。因此，传统的薄膜太阳能电池成本较高，且玻璃作为基体不能弯曲，运输成本高，易破碎等很多不利因素。因此，发展新型薄膜太阳能电池结构显得尤为重要。
发明内容
本发明提出采用铝箔作为薄膜太阳能电池的基体和背电极，前表电极采用透明导电薄膜AZO(ZnO:Al)或者FTO(SnO2:F)，表层采用透明树脂封装，不改变原来中间光伏层的结构，从而不需要改变目前工业生产的工艺和设备。
实现本发明的制备方法如下：
本发明使用厚度从100微米到1毫米的铝箔作为薄膜太阳能电池的基体，表面经清洗后放入真空室镀制光伏层，然后再沉积200纳米的透明导电薄膜作为前表电极，最后采用透明树脂封装。
本发明的另一个技术方案是上述的前表电极采用厚度为200-300nm的AZO或FTO薄膜之一。
本发明的又一个技术方案是上是所述的光伏层为微晶、非晶硅、CdTe/CdS或CIGS之一。
本发明的再一个技术方案是上述的透明环氧树脂为厚度为的0.3-1.0mm的乙烯-醋酸乙烯共聚物。
本发明的优点
本发明主要解决目前工业生产的薄膜太阳能电池成本高，不能弯曲，易碎、运输成本高等问题，通过使用铝箔，既解决了易碎问题，又减少了铝背电极的制备过程，从而解决当前工业生产薄膜太阳能电池的所遇到的瓶颈。
附图说明：
图1当前工业应用中的硅基薄膜太阳能电池结构
图2当前工业应用中的CdTe/CdS薄膜太阳能电池结构
图3当前工业应用中的CIS/CIGS薄膜太阳能电池结构
图4实施例1设计的薄膜太阳能电池结构
图5实施例2设计的薄膜太阳能电池结构
图6实施例3设计的薄膜太阳能电池结构
具体实施方式
本发明将结合附图做进一步详述。
实施例1
如图4所示，使用厚度为100微米的铝箔作为薄膜太阳能电池的基体，表面经清洗后放入真空室镀制p-Si/i-Si/n-Si硅基光伏层，然后再沉积200纳米厚的透明导电薄膜AZO(ZnO:Al)作为前表电极，最后采用厚度为的0.3-1.0mm透明环氧树脂——乙烯-醋酸乙烯共聚物作为封装层封装。
实施例2
如图5所示，使用厚度为300微米铝箔作为薄膜太阳能电池的基体，表面经清洗后放入真空室镀制CdTe光伏层，然后制备CdS窗口层，之后再沉积200纳米厚的透明导电薄膜AZO(ZnO:Al)作为前表电极，最后采用厚度为的0.3-1.0mm透明环氧树脂——乙烯-醋酸乙烯共聚物作为封装层封装。
实施例3
如图6所示，使用厚度为1毫米铝箔作为薄膜太阳能电池的基体，表面经清洗后放入真空室沉积一层Mo薄膜，然后是CIS或者CIGS，再沉积CdS和i-ZnO，最后沉积200纳米厚的透明导电薄膜AZO(ZnO:Al)作为前表电极，最后采用厚度为的0.3-1.0mm透明环氧树脂——乙烯-醋酸乙烯共聚物作为封装层封装。

Claims (4)

1.一种薄膜太阳能电池的结构设计方法，其特征使用厚度100微米到1毫米的铝箔作为薄膜太阳能电池的基体，表面经清洗后放入真空室镀制光伏层，然后再沉积200纳米的透明导电薄膜作为前表电极，最后采用透明树脂封装。
2.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池的结构设计方法，其特征在于，所述的前表电极采用厚度为200-300nm的AZO或FTO薄膜之一。
3.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池的结构设计方法，其特征是所述的光伏层为微晶、非晶硅、CdTe/CdS或CIGS之一。
4.如权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池的结构设计方法，其特征在于，
所述的透明环氧树脂为厚度为的0.3-1.0mm的乙烯-醋酸乙烯共聚物。
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