專利名稱：增強(qiáng)薄膜光伏器件光吸收的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏器材領(lǐng)域，特別涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技術(shù)。
技術(shù)背景最近幾年，光伏電池和大面積光伏模塊的發(fā)展引起了世人的廣泛關(guān)注。尤其是氫化非晶 硅和納米晶硅，它們隨著光伏器件在商業(yè)和住宅設(shè)施中的廣泛應(yīng)用，顯示出巨大的潛力。在 260°C以下這樣較低的溫度下生產(chǎn)薄膜硅光伏器件的一個顯著特點是，大面積沉積的與硅相 關(guān)的半導(dǎo)體膜層和電接觸膜層具有優(yōu)良性能。同時，使用良好成熟的鍍膜設(shè)備和程序，可以 工業(yè)化地制成低成本的模板。施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光劃線成型工藝，允許 多個太陽能電池元件在薄膜沉積過程中直接形成集成式的大面積光伏模塊。對于光伏器件，特別是薄膜光伏器件來講，使其性能優(yōu)良的關(guān)鍵是優(yōu)化半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換 層對光能的吸收，并同時減少器件中的光損耗。在很薄的吸收層里能夠最大限度的吸收光能， 是髙轉(zhuǎn)換效率的必備條件。氫化薄膜硅所構(gòu)成的太陽能電池通常具有p-i-n結(jié)構(gòu)，其中p層和 n層是不活躍的"死層"，它們在非摻雜的i層中建立一個內(nèi)置電場，從而使得光致載流子被 有效的收集。其吸收層的厚度一般只有幾百個微米，最多不超過大約2000微米。而且氫化硅， 特別是非晶硅薄膜的紅光和紅外光的吸收系數(shù)都比較低，所以有很大部分的陽光不能被有效 的利用起來。基于氫化硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)被夾在前后兩個電極(電接觸層)中，而形成完整 的光伏元件。通常使用的前電極必須具有良好的透明度和導(dǎo)電性，它通常是由透明導(dǎo)電氧化 物(TCO)構(gòu)成，譬如厚度為600-900納米的被摻雜的氧化錫或氧化鋅薄膜。后電極通常由 一個TCO和金屬薄膜共同組成，其一個重要作用就是將未被吸收的光反射回p-i-n結(jié)構(gòu)之中。 人們已經(jīng)嘗試過用各種各樣的辦法來改善對光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前電極，另 夕卜，也使用過反光率很高的背電極，使得未被吸收的光再一次被投回到電池中。對于非晶硅 電池來講吸收層i層也不能做得很厚，原因是該材料具有光質(zhì)衰減的缺陷。所以卓越的光學(xué) 設(shè)計對于像氫化硅這樣的薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率起有決定性作用。通常，為了增加有限厚度的半導(dǎo)體薄膜對光的吸收，薄膜光伏器件的前透明導(dǎo)電層都被 做得具有非平坦表面結(jié)構(gòu)，使得入射光在前電極與半導(dǎo)體光伏材料的界面得到散射，從而增 加光子被半導(dǎo)體薄膜吸收的概率。但是，在實際生產(chǎn)過程中，很難在TCO鍍膜過程中，直接 獲得具有高度表面結(jié)構(gòu)的透明半導(dǎo)體薄膜，特別當(dāng)其厚度低于700納米時，比方說高度生長的氧化錫的厚度通常要在700-800納米之后，才會表現(xiàn)出令人滿意的對光具有折射作用的粗 糙性。但是氧化錫的粗糙性往往與其電導(dǎo)率成反比。另外一種常用的透明導(dǎo)電膜是氧化鋅， 其通常的生長辦法是磁控濺射，所獲得的材料具有鏡面的平滑度。所以人們往往要將鍍好的 氧化鋅膜放到HCL的液體中，用蝕刻的辦法使其表面產(chǎn)生起伏結(jié)構(gòu)。這種辦法在實際生產(chǎn)中 很難運(yùn)用，而且對于環(huán)境和安全操作都有很大的挑戰(zhàn)。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請人擬訂了本發(fā)明的首要目的提高基于氫化硅的薄膜太陽能光伏器 件的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是，改善基于氫化硅的薄膜太陽能光伏器件的透明前電極的光學(xué)特 性，從而增強(qiáng)光伏器件對弱吸收光的反應(yīng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用一種增強(qiáng)薄膜光伏器件光吸收的方法。首先在玻璃基板 上形成透明前電極，然后對該前電極進(jìn)行處理，使其表面具有明顯的微米尺寸的粗糙結(jié)構(gòu)。 然后在這個TCO之上，形成基于氫化硅薄膜的p-i-n型光伏單元和反光背電極。這些隨后沉 積的半導(dǎo)體和背電極薄膜在極大程度上保持了 TC(〕的粗糙表面結(jié)構(gòu)。所以入射的太陽光在進(jìn) 入p-i-n光伏單元之前在TCO與氫化硅薄膜的界面上受到散射。而未被光伏元件吸收的長波 光，在背電極的兩個界面上也受到兩次散射性的反射，以較大的角度回到光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。所 以依照本發(fā)明制造的薄膜光伏器件具有良好的"光陷阱"效應(yīng)，它對于捕獲弱吸收光和提高 光電轉(zhuǎn)換效率十分有益。本發(fā)明同樣適用于由單一 p-i-n光伏單元構(gòu)成的單結(jié)光伏器件，和由多個p-i-n光伏單元 疊加而成的多結(jié)光伏器件。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1描述了將透明前電極表面粗糙化的過程示意圖。圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明制造的薄膜太陽能電池的層狀結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的第一步是將透明導(dǎo)電前電極2鍍在清洗千凈的玻璃基板1上，所 獲得的前電極2具有平滑的或較平緩的表面結(jié)構(gòu)27。然后對透明導(dǎo)電前電極2的暴露的一面 進(jìn)行粗糙化處理，使其獲得具有起伏特性的或最好是紋理性的表面結(jié)構(gòu)27。透明前電極的粗 糙化可以由多種方式得到，包括高溫下氣體的腐蝕，或者室溫下用腐蝕液體的加工處理，這 類蝕刻方法最適合于氧化鋅薄膜。本發(fā)明所強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械化的處理，而這類方法最適合于化學(xué)性能極其穩(wěn)定的氧化錫。具體做法是用細(xì)砂束對TCO表面進(jìn)行掃描式噴擊，從而打出密集 的坑狀結(jié)構(gòu)，這是目前為止最令人滿意的實施方法。另外一種辦法是用細(xì)砂紙在TCO表面摩 擦。還有一種辦法是將尺寸不超過0. 3微米的TCO顆粒牢固的附著在透明前導(dǎo)電極上。在這之后所形成的薄膜光伏器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)包括 一個玻璃基板1; 一個 透明導(dǎo)電前電極2; —個或多個由基于氫化硅的薄膜構(gòu)成的p-i-n型光伏單元8;第二透明導(dǎo) 電氧化物7和--個或多個金屬薄膜45。由于前電極2具有良好的表面結(jié)構(gòu)，其后生長的氫化 硅薄膜8及其后的透明導(dǎo)電氧化物7，大體上保持了這種表面結(jié)構(gòu)。也就是說，入射光在進(jìn) 入p-i-n光伏單元之前，在前電極與薄膜硅的界面27，受到較大的散射，使光以增大的角度 進(jìn)入半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換區(qū)域。未被p-i-n光伏單元吸收的長波光也在薄膜硅與第二透明導(dǎo)電氧化 物的界面87和第二透明導(dǎo)電氧化物與金屬膜的界面77兩次受到大角度的散射性反射，從而 使大部分的弱吸收光以超過全部內(nèi)反射的臨界角度的方向再次進(jìn)入p-i-n光伏單元，極大地提 高了它們被吸收的機(jī)率。所以，本發(fā)明所描述的光散射增加效應(yīng)，隨著透明導(dǎo)電前電極表面 27粗糙性的增加而更加明顯，因為它提高了所有薄膜層界面的光散射效應(yīng)。
權(quán)利要求
1. 一個p-i-n型光伏器件，它的結(jié)構(gòu)依次包括一個玻璃基板；一個透明導(dǎo)電前電極；一個或多個由基于氫化硅的薄膜構(gòu)成的p-i-n型光伏單元；一個具有光反射性能的背電極，它可以包括第二透明導(dǎo)電氧化物和一個或多個金屬薄膜。其特征在于所述透明導(dǎo)電前電極在其被沉積后經(jīng)過機(jī)械或化學(xué)處理，使其表面具有粗糙結(jié)構(gòu)，或增加其原有粗糙程度，在該透明導(dǎo)電前電極上形成的薄膜光伏器件，具有良好的對長波光的吸收能力和光電轉(zhuǎn)換效率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述透明導(dǎo)電前電極的表面 粗糙性主要來源于其沉積后的機(jī)械處理，包括細(xì)砂紙的摩擦和細(xì)砂束的噴擊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述透明導(dǎo)電前電極的表面 粗糙性主要來源于其沉積后的化學(xué)處理，包括在高溫下用含酸氣體進(jìn)行蝕刻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)薄膜光伏器件光吸收的方法。首先在玻璃基板上形成透明前電極，然后對該前電極進(jìn)行處理，使其表面具有明顯的微米尺寸的粗糙結(jié)構(gòu)。在這種非光滑透明前電極上制成的薄膜光伏器件，因有效的光散射而具有更高的對長波光的吸收能力和更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/075GK101246920SQ20071000497
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司