CN102097509A - 一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构的设计 - Google Patents

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吕思宇
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Abstract

本发明涉及太阳能光伏发电领域，具体公开了一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构的设计。该结构包括子层A透明衬底、子层B前TCO(透明导电层)、子层C吸收层(有源层)1，子层D中间层1，子层E吸收层2，子层F中间层2，子层G吸收层3，子层H后TCO，子层I反射层。各子层A-H从下往上依次叠加构成五层叠层太阳电池。该五层结构克服了现有三层非微晶硅叠层太阳电池太阳光谱利用率不足的缺点，利用新加的吸收层和中间层，有效地提高了短波长光的吸收率，并且使得电池整体保持较高的稳定性，其光电转换效率较现有三层结构有较大改进。

Description

一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构的设计
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电领域，具体涉及一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构的设计。
背景技术
叠层太阳电池是指为了拓宽太阳光谱的响应，将传统的单结太阳电池的有源层叠加在一起，从而提高能量转换效率的一种新型太阳电池。目前硅基薄膜太阳电池仍有着广泛的应用，本设计正是基于这种材料结构。当仅用非晶硅材料做有源层时，它的光谱吸收限在700nm附近。倘若采用非晶硅、微晶硅锗双结叠层结构，乃至非晶硅、非晶硅、微晶硅三结叠层之后，其光谱响应可从700nm拓宽到1000nm以至到1100nm。电池效率则由9％到11.7％，直至15.1％。
在现有的非晶、微晶硅叠层太阳电池中，三层结构的非晶硅顶层、ZnO中间层、微晶硅底层叠层太阳电池以其较高的能量转换效率和稳定性成为当前科学研究的热点。顶层电池(top cell)，采用氢化非晶硅薄膜，其带隙宽度在1.75ev左右，来吸收波长较短的太阳光。在这种三层结构的叠层电池中，顶层a-Si:H的厚度大约为0.18μm左右，不超过0.2μm。这是由于在非晶硅和微晶硅层之间存在ZnO中间层(interlayer)的缘故。中间层并不作为有源层而产生电子、空穴对，中间层的作用在于利用折射率差反射部分太阳光回到顶层从而提高顶层的光吸收，降低顶层的厚度。更低的顶层的厚度能够增加电池的整体稳定性。并且中间层的存在使顶层和底层子电池电流更加匹配，减少了不必要的能量损耗。在这种叠层结构中，底层电池多采用p-i-n型氢化微晶硅μc-si:H，其厚度在4.4μm左右，而带隙宽度为0.7ev左右。其作用在于进一步吸收从顶层和中间层漏下的未被吸收的长波长入射光。这种叠层电池的能量转换效率能达到15％左右。
但是，在这种三结叠层结构中，由于顶层非晶硅材料的带隙宽度为1.75ev，而底层微晶硅材料的带隙宽度为0.7ev左右，由于两个有源层带隙宽度间隔较大，能量低于1.75ev而高于0.7ev的光子并不能够被完全吸收，而且由于能量高于材料带隙宽度的光子只激发产生一对电子-空穴对，对于那些能量远高于材料带隙宽度的光子来说，有着较大的能量损失。
在这种情况下，显然就无法达到充分利用太阳光谱的效果。
因此，在叠层太阳电池结构中，如何添加一个具有合适带隙宽度的子电池层并使它与其它子电池层相匹配就成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构的设计，该结构克服现有三层叠层电池光谱利用率不高的缺点，并可以达到比较高的光稳定性。
本发明的技术方案如下：一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构，该结构包括子层A透明衬底、子层B前TCO(透明导电层)、子层C吸收层(有源层)1，子层D中间层1，子层E吸收层2，子层F中间层2，子层G吸收层3，子层H后TCO，子层I反射层。各子层A-H从下往上依次叠加构成五层叠层太阳电池。
子层A透明衬底其材料采用透光率较高的玻璃，为了增加太阳光入射率，在其表面常常设计一层减反射膜。子层B前TCO和子层H后TCO其材质在实验室中为ZnO(氧化锌)，多采用LP-CVD(低压化学气象沉积)方法制成，应具有高透明度，高电导性，高散射率。子层B和子层H起到加强子层C非晶硅电池层和子层G微晶硅电池层的光吸收的作用。
子层C非晶硅电池层采用氢化非晶硅薄膜，其带隙宽度在1.75ev左右，来吸收波长较短的太阳光，而其厚度由于两个中间层(D、F)的存在，可以控制在0.1μm左右。子层D中间层1采用ZnO，其厚度不超过0.1μm。
子层E吸收层2为新加有源层，其带隙宽度设置在1.2ev左右，其材料可以采用单晶硅Si(1.12ev)，其作用在于进一步吸收短波长范围太阳光，降低光谱能量的损失。为此，其厚度应控制在0.2μm左右。
子层F中间层2同样采用ZnO材料，其厚度应不超过0.1μm。
子层G吸收层3采用p-i-n型氢化微晶硅μc-s:H，带隙宽度在0.7ev左右，其厚度控制在0.4μm左右，其作用在于进一步吸收从子层C和子层E漏下的未被吸收的长波长入射光和部分短波长太阳光。
子层I反射层采用薄的ZnO/Ag双层材质用来完全反射太阳光回到硅吸收层，从而提高光能利用率。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构克服了现有三层非微晶硅叠层太阳电池太阳光谱利用率不足的缺点，利用新加的吸收层和中间层，有效地提高了短波长光的吸收率，并且使得电池整体保持较高的稳定性，其光电转换效率较现有三层结构有较大改进。
附图说明
图1为叠层薄膜非微晶硅太阳电池三层结构示意图；
图2为叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构示意图；
图中：1、透明衬底；2、前TCO；3、非晶硅顶层；4、ZnO中间层；5、微晶硅底层；6、后TCO；7、反射层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，该结构包括子层A透明衬底、子层B前TCO(透明导电层)、子层C吸收层(有源层)1，子层D中间层1，子层E吸收层2，子层F中间层2，子层G吸收层3，子层H后TCO，子层I反射层。各子层A-H从下往上依次叠加构成五层叠层太阳电池。
子层A透明衬底其材料采用透光率较高的玻璃，为了增加太阳光入射率，在其表面常常设计一层减反射膜。子层B前TCO和子层H后TCO其材质在实验室中为ZnO(氧化锌)，多采用LP-CVD(低压化学气象沉积)方法制成，应具有高透明度，高电导性，高散射率。子层B和子层H起到加强子层C非晶硅电池层和子层G微晶硅电池层的光吸收的作用。
子层C非晶硅电池层采用氢化非晶硅薄膜，其带隙宽度在1.75ev左右，来吸收波长较短的太阳光，而其厚度由于两个中间层(D、F)的存在，可以控制在0.1μm左右。子层D中间层1采用ZnO，其厚度不超过0.1μm。
子层E吸收层2为新加有源层，其带隙宽度设置在1.2ev左右，其材料可以采用单晶硅Si(1.12ev)，其作用在于进一步吸收短波长范围太阳光，降低光谱能量的损失。为此，其厚度应控制在0.2μm左右。
子层F中间层2同样采用ZnO材料，其厚度应不超过0.1μm。
子层G吸收层3采用p-i-n型氢化微晶硅μc-s:H，带隙宽度在0.7ev左右，其厚度控制在0.4μm左右，其作用在于进一步吸收从子层C和子层E漏下的未被吸收的长波长入射光和部分短波长太阳光。
子层I反射层采用薄的ZnO/Ag双层材质用来完全反射太阳光回到硅吸收层，从而提高光能利用率。

Claims (4)

1.一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构，该结构包括子层A透明衬底、子层B前TCO(透明导电层)、子层C吸收层(有源层)1，子层D中间层1，子层E吸收层2，子层F中间层2，子层G吸收层3，子层H后TCO，子层I反射层。各子层A-H从下往上依次叠加构成五层叠层太阳电池。
2.根据权利要求1所述的一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构，其特征在于：所述的子层C非晶硅顶层采用氢化非晶硅薄膜，其厚度控制在0.1μm。子层D中间层1采用ZnO薄膜，其厚度控制在0.1μm以内。
3.根据权利要求1所述的一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构，其特征在于：所述的子层E吸收层2其材质采用单晶硅，带隙宽度在1.2ev左右。厚度控制在0.2μm以内。
4.根据权利要求1所述的一种叠层薄膜非微晶硅太阳能电池五层结构，其特征在于：所述的子层F中间层2其材质采用ZnO薄膜，其厚度控制在0.1μm以内。
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