CN101882637B - 一种新型结构的薄膜太阳电池 - Google Patents

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Abstract

一种新型结构的薄膜太阳电池，采用PIN结构，本征吸收层I利用多个不同带隙的薄膜材料组成，同时在相邻不同带隙的薄膜之间设计增反层，当光照射在增反层的上下表面，提高分波段光吸收的效果。每层增反层厚度有数个起伏，在一定的波长范围内起增反的作用。本发明一方面提高光的吸收效率，另一方面降低高能光子入射被吸收产生电子空穴对后，剩余能量造成的太阳电池温度的升高，避免了多结薄膜电池的短路电流受制于其中最低单节短路电流的问题，同时避免了P/N界面的势垒影响，降低了P/I界面的影响。由于增反层的增反效果，提高了分波段光的吸收效率；由于增反层薄膜的电阻很小，由此引入的负载电阻对短路电流的影响很小。有效提高薄膜太阳电池的效率。

Description

一种新型结构的薄膜太阳电池
技术领域
本发明涉及薄膜太阳电池，特指一种利用多个带隙薄膜材料，并结合氧化锌增反层的薄膜太阳电池的结构设计，用于光伏技术领域。
背景技术
目前在太阳能电池制造业中，晶体硅和多晶硅太阳电池在市场所占份额在80％以上。由于体硅的生产过程中能源消耗高，对环境造成严重污染，为此发展薄膜太阳电池势在必行。当前硅基薄膜太阳电池的生产主要还是基于非晶硅薄膜材料，非晶硅薄膜具有沉积温度低，可在玻璃、柔性衬底上大面积制备，改进后的非晶硅薄膜太阳电池具有低成本，低能耗，低污染的特点，但由于其光热稳定性差(S-W效应)，转换效率低，尤其是本征吸收层较厚的单结电池，电池衰退可达30％以上，严重制约了非晶硅薄膜太阳电池的发展。为了降低非晶硅薄膜的光致衰减效应，为此发展出了叠层、多结薄膜太阳电池，例如非晶硅/微晶硅薄膜双叠层太阳电池、非晶硅/微晶硅/微晶硅三叠层太阳电池，非晶硅/非晶锗硅/非晶锗硅；非晶硅/纳米硅/纳米硅薄膜等三叠层太阳电池。目前国内国际硅基薄膜太阳电池的研究中采用的几种技术都是通过降低非晶硅薄膜的厚度或完全避免使用非晶硅薄膜来降低光致衰减效应。但由于叠层、多结太阳电池受电流匹配的制约，同时各节电池的P/I界面、相邻单节太阳电池之间的N/P界面的影响，导致实际转化效率远低于理论值，也远低于体硅的转换效率。虽然工艺复杂程度提高了，但效率的提高与工艺复杂的提高不成正比。
发明内容
本发明的目的是针对现有结构中存在的这些制约因素，提供一种多带隙的薄膜太阳电池的新型结构。该发明采用PIN结构，本征吸收层I利用多个不同带隙的薄膜材料组成，同时在相邻两个不同带隙的薄膜之间设计一层具有高透过率，低电阻的氧化物半导体薄膜(增反层)，当光照射在该氧化物半导体薄膜的上下表面，由于光的干涉，增反层的厚度d0满足公式2nd0+λ/2＝λ时可以对一定波长的光起到增反作用，从而提高分波段光吸收的效果。并且每层增反层厚度有起伏，这样可以在一定的波长范围内起增反的作用。
对于三带隙薄膜太阳电池的结构(如附图1所示)为：从底层至上层依次为：不透明衬底、底电极、N层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、P层、透明上电极。
上述薄膜太阳电池结构(附图1)中，不透明衬底指柔性金属或聚酰亚胺膜衬底。
上述薄膜太阳电池结构(附图1)中，增反层指具有高透过率，低电阻的氧化物半导体薄膜。
上述薄膜太阳电池结构(附图1)中，本征吸收层的光学带隙从下到上是从小到大改变。
如果在玻璃衬底上制作该结构的薄膜太阳电池，则该结构调整为：玻璃衬底、透明上电极、P层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、N层、底电极。(见附图2)
其中N表示N型掺杂，P表示P型掺杂。
上述薄膜太阳电池结构(附图2)中，增反层指具有高透过率，低电阻的氧化物半导体薄膜。
上述薄膜太阳电池结构(附图2)中，本征吸收层的带隙从下到上是从大到小改变。
该发明利用多种不同带隙的薄膜材料，分波段吸收太阳光。假设被吸收的每个光子产生一对电子-空穴对，则根据对光的指数吸收规律，在加了增反层后本征吸收层的载流子的产生率为：
g ( λ ) = ∫ 0 d α ( λ ) · F ( λ ) · ( 1 - R ( λ ) ) · e - αx dx + ∫ 0 d α ( λ ) · [ F ( λ ) · ( 1 - ∫ 0 d α ( λ ) · ( 1 - R ( λ ) ) · e - αx dx ) ] · R ( λ ′ ) ′ · e - αx dx
其中F(λ)是入射到电池某本征层表面的光子流密度，α(λ)是相对于波长λ的光吸收系数。R(λ)是光入射到该本征层表面时的反射率，R‘(λ)是光经过该本征层后入射到增反层时的反射系数，d是该本征层的厚度。由于增反膜的存在，载流子的产生率增加了第二项。这样波长大于该本征层光学带隙的光的吸收效果就更好。
当增反层的厚度d0满足公式2nd0+λ/2＝λ时，可以使波长在λ附近的入射到该增反层上下表面的反射光产生干涉加强，从而起到增反的作用，即大大提高R‘(λ)的值。该发明中所使用的增反层厚度设计成一个有小的起伏变化，这样可以使更多波长的光被反射，增反层的增反效果更好，在该本征层增加的光生载流子更多。
本发明具有实质性特点和显著进步，首先，这种设计同样利用了叠层和多结薄膜太阳电池的多带隙的优点，分波段吸收太阳光，一方面可以提高光的吸收效率，另一方面可以降低高能光子入射被吸收产生电子空穴对后，剩余能量造成的太阳电池温度的升高，但避免了多结薄膜电池的短路电流受制于其中最低单节短路电流的问题，同时避免了P/N界面的势垒影响，减少了P/I界面的个数，也即降低了P/I界面的影响。其次由于增反层的增反效果，提高了分波段光的吸收效率；由于增反层薄膜的电阻很小，由此引入的负载电阻对短路电流的影响很小。因此该发明可以有效提高薄膜太阳电池的效率。再次，从太阳电池的制造过程来看，工艺相对简单。
附图说明
图1：不透明衬底上的多带隙本征吸收层薄膜电池的结构图
图2：玻璃衬底上的多带隙本征吸收层薄膜电池的结构图
图3：带增反膜的三带隙薄膜本征吸收层(氢化非晶硅/氢化纳米硅/氢化纳米硅)电池的结构图
图4：不带增反膜的三带隙薄膜本征吸收层(氢化非晶硅/氢化纳米硅/氢化纳米硅)电池的结构图
具体实施方式
具体实施结构一：三带隙薄膜本征吸收层(氢化非晶硅/氢化纳米硅/氢化纳米硅)的电池(见附图3)
首先在不锈钢衬底上生长一层底电极1，接着生长带隙为1.2eV左右的N型氢化纳米硅层2(厚度为50nm)，接着生长一层带隙为1.2eV的本征氢化纳米硅吸收层3(厚度为300nm)，然后生长材料为Al0.2Zn0.8O的增反层薄膜4，增反层4的厚度约40～45nm，其中凸起部分为45nm，不凸起部分厚度为40nm；接着生长一层带隙为1.6eV的本征氢化纳米硅吸收层5(厚度为200nm)，然后生长材料为Al0.2Zn0.8O的增反层薄膜6，增反层6的厚度约30nm～35nm，其中凸起部分为35nm，不凸起部分厚度为30nm；接着再生长一层带隙为1.8eV本征氢化非晶硅吸收层7(厚度为200nm)，然后再生长一层带隙为1.9eV的P型氢化非晶硅窗口层8(厚度为40nm)，最后生长一层透明上电极Al0.2Zn0.8O薄膜9(厚度为60nm)。
其中Al0.2Zn0.8O薄膜的折射率近似为3.6，电阻率4.5×10-4Ωcm，在可见光区的透过率可高达92～94％，。例如平均厚42nm(有5nm的厚度起伏变化)的氧化锌薄膜4可以使第一次未被5吸收的600nm左右的光进一步被5吸收)，这样分波段吸收效果更好，从而可以有效降低太阳电池的厚度，提高薄膜太阳电池效率。
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，相对于没有生长薄膜4和6的太阳电池(见附图4)，附图3所示结构的电池，其短路电流JSC增加了2.1mA/cm2，效率提高了0.7％。

Claims (2)

1.一种新型结构的薄膜太阳电池，包括衬底、本征吸收层，其特征在于：本征吸收层由三层不同带隙的薄膜材料组成，同时在相邻两个不同带隙的薄膜之间设有增反层；增反层为Al0.2Zn0.8O，增反层的厚度d0满足公式2nd0+λ/2＝λ，λ指光波波长；当选用不透明衬底时，本征吸收层的光学带隙从下至上是从小到大改变，不透明衬底为柔性金属或聚酰亚胺膜衬底，薄膜太阳电池从底层至上层依次为：不透明衬底、底电极、N层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、P层、透明上电极；当选用玻璃衬底时，本征吸收层的带隙从下至上是从大到小改变，薄膜太阳电池从底层至上层依次为：玻璃衬底、透明上电极、P层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、增反层、本征吸收层、N层、底电极。
2.如权利要求1所述的一种新型结构的薄膜太阳电池，其特征在于：薄膜太阳电池从底层至上层依次为：不锈钢衬底；Al/Al0.2Zn0.8O复合底电极；N型氢化纳米硅层，带隙为1.2eV，厚度为50nm；带隙为1.2eV的本征氢化纳米硅吸收层，厚度为300nm；40～45nm厚的Al0.2Zn0.8O薄膜增反层；带隙为1.6eV的本征氢化纳米硅吸收层，厚度为200nm；厚度为30nm～35nm的Al0.2Zn0.8O薄膜增反层；带隙为1.8eV本征氢化非晶硅吸收层，厚度为200nm；带隙为1.9eV的P型氢化非晶硅窗口层，厚度为40nm；透明上电极Al0.2Zn0.8O薄膜，厚度为60nm。
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