CN102938430B - 包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池及其制造方法 - Google Patents

包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，该太阳电池包含由下到上依次设置的金属箔或聚酯膜柔性衬底、背反射电极、微晶硅或非晶硅锗底电池、中间层、非晶硅顶电池；及，顶电极，该顶电极为透明导电薄膜；其中，所述的中间层为位于顶电池与底电池之间的透明导电薄膜，其对650nm~700nm以下的短波光反射，对650nm~700nm以上的长波光透射。此中间层可将一部分原本进入底电池的入射光反射回顶电池，增加顶电池的短路电流密度。本发明提供的电池结构有利于提高硅基多结叠层太阳电池的短路电流密度，从而提高电池的光电转换效率和稳定性。

Description

包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及光伏电池，特别涉及一种包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池。
背景技术
在目前广泛使用的薄膜太阳电池中，主要采用的是非晶硅薄膜材料，但非晶硅薄膜太阳电池存在两个重要问题：(1)光致衰退效应使电池稳定性不够理想；(2)带隙较宽，材料本身对太阳辐射光谱中长波光吸收不充分，限制了电池效率的进一步提高。为了解决这两个问题，近年来人们广泛开展了非晶硅/微晶硅叠层太阳电池和非晶硅/非晶硅锗叠层太阳电池的研究工作。其顶电池选用的非晶硅（a-Si:H）材料因存在较强的光致衰退效应，故需要尽可能地减小其本征层厚度，但同时也带来了光生电流减小的负面效果，易形成顶电池限制，大大影响了太阳电池的短路电流密度和光电转换效率。在不增加顶电池吸收层厚度的前提下，如何增加顶电池的短路电流密度将会对提高电池整体性能起到关键作用。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明的目的针对上述存在的问题，提出了一种包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池结构，该结构在不增加顶电池厚度的前提下，可提高顶电池的短路电流密度，从而提高电池的效率和稳定性。
为达到上述目的，本发明提供了一种包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，该太阳电池包含由下到上依次设置的：
金属箔或聚酯膜柔性衬底；
背反射电极；
微晶硅或非晶硅锗底电池；
中间层；
非晶硅顶电池；及
顶电极，该顶电极为透明导电薄膜；
其中，所述的中间层为位于顶电池与底电池之间的透明导电薄膜，其对650nm~700nm以下的短波光反射，对650nm~700nm以上的长波光透射。该中间层的光学带隙介于1.7eV~2.5eV之间，厚度介于1nm~200nm之间。
上述的包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，其中，所述中间层为氧化硅层，其化学式为SiOx，x取值介于1~2之间。
上述的包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，其中，所述中间层的制备方法是将制备完成的底电池放置在干燥空气中氧化形成。
上述的包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，其中，所述的干燥空气是指湿度小于30%的干燥空气。优选地，空气湿度小于20%。因为较高的湿度会影响电池的性能。
本发明的工作原理：由于叠层太阳电池中几种硅基薄膜材料的折射率较为相近（3.0~3.5），叠层电池中顶电池的n层与底电池的p层的界面反射率很低，光在这个界面很少被反射，直接进入底电池，引入SiOx材料作为中间层，使得顶电池与中间层的界面对650nm~700nm以下的短波光形成反射，使一部分的光回到顶电池，重新被顶电池吸收，提高顶电池的短路电流密度。较大的顶电池电流密度将有利于提高电池的短路电流密度和稳定性。
本发明的叠层电池所采用的中间层，可将顶电池透射的短波光反射，增加其光程以便于充分吸收，同时使得进入底电池的光减少，这就能够增加叠层电池的子电池电流匹配程度。同时，中间层还能够起到改善电池电学性能的作用，具体地说，就是作为叠层电池中复合隧穿结的一部分，即顶电池的电子和底电池的空穴的复合层。
本发明提供的包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，与现有技术同类电池比较，提高了顶电池的短路电流密度，电池的光电转化效率高、稳定性好。
附图说明
图1是本发明的包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明的包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池，该太阳电池包含由下到上依次设置的金属箔或聚酯膜柔性衬底11、背反射电极12、微晶硅或非晶硅锗底电池13、中间层14、非晶硅顶电池15；及，顶电极16，该顶电极16为透明导电薄膜；其中，所述的中间层14为位于顶电池15与底电池13之间的透明导电薄膜，其对650nm~700nm以下（优选650nm以下）的短波光反射，对650nm~700nm以上（优选700nm以上）的长波光透射。
以下通过实施例说明该太阳电池的制备方法。
实施例 双结叠层电池
在厚度为75μm的聚酰亚胺衬底上依据以下步骤制备双结叠层电池：
步骤1，采用磁控溅射方法在聚酰亚胺衬底11上沉积Ag/ZnO背反射电极12。
步骤2，采用等离子体化学气相沉积（PECVD）方法沉积NIP结构的非晶硅锗底电池13，其中N层非晶硅反应气体为氢气、硅烷和磷烷，厚度为10nm~50nm，I层非晶硅锗层反应气体为氢气、硅烷和锗烷，厚度为150nm~400nm，P层纳米硅反应气体为氢气和硅烷，厚度为10nm~50nm。
步骤3，将底电池13从真空设备中取出，在室温下的干燥柜（湿度低于30%）中放置约24小时，制备中间层14。
步骤4，采用等离子体化学气相沉积（PECVD）设备沉积NIP结构的非晶硅顶电池15，其中N层非晶硅反应气体为氢气、硅烷和磷烷，厚度为10~50nm，I层非晶硅层反应气体为氢气和硅烷，厚度为150~300nm，P层纳米硅反应气体为氢气和硅烷，厚度为10nm~50nm。
步骤5，采用磁控溅射方法沉积ITO（铟锡氧化物）透明导电薄膜作为顶电极16。
将采用上述步骤3制备的包含中间层14的样品A和不采用上述步骤3制备（其它条件完全相同）的样品B在25℃，AM1.5太阳光谱（1000W/m2）下进行太阳电池输出特性测试，并采用量子效率（QE）测试获得顶电池和底电池的短路电流密度。两种电池的结果如下表1所示：
表1 样品A和样品B的J-V测试结果
从表1中可知，***SiOx中间层后，顶电池和底电池的短路电流密度分别上升了1.04mA/cm2和0.69mA/cm2（底电池短路电流密度上升与底电池p层氧化后变薄有关），而开路电压和填充因子变化很小，电池的光电转化效率得到提高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种包含中间层的柔性衬底硅基多结叠层太阳电池的制备方法，其特征在于，该方法包括由下到上依次形成：
金属箔或聚酯膜柔性衬底（11）；
背反射电极（12）；
微晶硅或非晶硅锗底电池（13）；
中间层（14）；
非晶硅顶电池（15）；及
顶电极（16），该顶电极（16）为透明导电薄膜；
其中，所述的中间层（14）为位于顶电池（15）与底电池（13）之间的透明导电薄膜，其对650nm以下的短波光反射，对700nm以上的长波光透射；所述中间层（14）为氧化硅层，其化学式为SiOx，x取值介于1~2之间；所述中间层（14）的制备方法是将制备完成的底电池放置在干燥空气中氧化形成；所述的干燥空气是指湿度小于30%的干燥空气。
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