非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制造方法
【專利摘要】一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制造方法，所述非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由依次連接的柔性PET基片層、SiO2陷光層、第一電極TCO層、p型非晶硅層、p型緩沖層、i型非晶硅層、n型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層組成。制備方法包括：提供柔性PET基片層；在柔性PET基片層上依次沉積SiO2陷光層、第一電極TCO層、p型非晶硅層、p型緩沖層、i型非晶硅層、n型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層。本發(fā)明的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10~14%，較現(xiàn)有的單節(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了3~8%，并有效防止本征層i型非晶硅層和n型非晶硅層受到污染，適于大批量生產(chǎn)。
【專利說明】
非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]
非晶硅作為一種以非晶單質(zhì)形式存在的半導(dǎo)體材料。相比于晶體硅它具有更寬的光學(xué)吸收范圍而且產(chǎn)品制造成本低，可以用來大批量制造光伏電池。通過摻雜+5價(jià)和+3價(jià)元素如氮、磷可以分別得到P型和η型非晶硅。受設(shè)計(jì)、制造技術(shù)等因素的限制，目前產(chǎn)業(yè)化的單節(jié)非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率只能達(dá)到6~7%，有待進(jìn)一步提高，此外，太陽(yáng)能電池普遍存在的“光致光衰效應(yīng)”，一直是嚴(yán)重影響電池使用壽命的問題。
[0003]對(duì)于單節(jié)或多節(jié)薄膜太陽(yáng)能電池，抗反射結(jié)構(gòu)層、窗口層P層及吸收層i層對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響尤為突出。P層作為窗口層需要具有較薄的厚度和較大的帶隙以使得更多的光子被本征層吸收，因?yàn)橹挥斜菊鲗拥墓馕諏?duì)產(chǎn)生電流有貢獻(xiàn)。因此，太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的最佳光吸收設(shè)計(jì)需要最大化本征層的吸收而最小化其他層的吸收，而這樣的設(shè)計(jì)方式就需要有充分的陷光結(jié)構(gòu)。陷光結(jié)構(gòu)的作用是增加入射界面對(duì)光的散射作用以使得更多的光射入到電池中，同時(shí)作為抗反射結(jié)構(gòu)的背電極能將部分未被吸收的光反射回電池內(nèi)部形成光陷阱來增加電池的轉(zhuǎn)換效率。除此之外，太陽(yáng)能電池的性能對(duì)p-1界面區(qū)域很敏感。在p-1界面區(qū)域的異質(zhì)節(jié)中，較寬帶隙P型層和較窄帶隙本征層的能帶之間形成帶階，帶階會(huì)成為光生空穴進(jìn)入P型摻雜層的勢(shì)皇。p-1界面區(qū)域的載流子產(chǎn)生率是本征層中最高的。所以要對(duì)p-1界面進(jìn)行優(yōu)化以防止光生電子向P層反向擴(kuò)散。以下為現(xiàn)有幾種比較典型的薄膜太陽(yáng)能電池。
[0004]中國(guó)專利CN201510407757.7公開的薄膜太陽(yáng)能電池利用網(wǎng)狀金屬納米線替代半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜，可以在透光條件下大大降低膜層的電阻，并提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，但是，該電池的網(wǎng)狀金屬納米線之間的寬度是5mm，會(huì)在納米線中間產(chǎn)生空隙，同時(shí)導(dǎo)電層與基片和光電吸收層接觸，會(huì)造成光電吸收層與基片之間存在污染，降低太陽(yáng)能電池的使用壽命。
[0005]中國(guó)專利CN201210529409.3公開了一種p-1-n型薄膜太陽(yáng)能電池，采用基板-電極層-p-1-n層-應(yīng)力層-抗反射層-電極層結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是第二摻雜類型非晶硅層表面形成應(yīng)力層可以提高所述η型層內(nèi)電子的迀移率，降低光生電子在η型層向第二電極層漂移的過程中被復(fù)合的幾率，提高到達(dá)第二電極層處的電子數(shù)量。但是該太陽(yáng)能電池不具有充分的陷光結(jié)構(gòu)，也并未詳細(xì)公開抗反射層的細(xì)節(jié)；
中國(guó)專利CN201110315055.8公開了一種采用物理氣相沉積方法沉積硅基薄膜的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制造方法，具有工藝簡(jiǎn)單、污染低的優(yōu)點(diǎn)，但該電池結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮p-1界面的帶隙差異作用； 中國(guó)專利CN201220678505.X公開了一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其采用抗反射層結(jié)構(gòu)來增加光的入射率，但是采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制造硅基薄膜，該方法對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且缺少由電極層及背反射層組成的陷光結(jié)構(gòu)。
[0006]美國(guó)專利US009040333B2公開了一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制造方法，采用等離子氣相沉積技術(shù)，獲得的單節(jié)電池結(jié)構(gòu)為柔性基片-金屬層-第一電極層-P-1-n層-第二電極層，由于應(yīng)用了柔性基片使得該電池更加適用于大批量生產(chǎn);該方法的缺陷也是采用了化學(xué)氣相沉積技術(shù)，工藝復(fù)雜、成本較高且污染環(huán)境，并且該方法獲得的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率和使用壽命不高。
[0007]上述專利所公開的薄膜太陽(yáng)能電池的制造方法多采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，這種技術(shù)的反應(yīng)氣體為易燃易爆氣體，如氫氣、硅烷等，制造過程還會(huì)產(chǎn)生有毒的尾氣污染環(huán)境，并且操作過程復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，因此生產(chǎn)成本高，不利于大批量低成本制造。此外，薄膜太陽(yáng)能的壽命和轉(zhuǎn)換效率仍有待進(jìn)一步提高。
[0008]因此，亟需從簡(jiǎn)化制造工藝、降低成本、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、提高轉(zhuǎn)換效率、延長(zhǎng)使用壽命和降低環(huán)境污染影響這些方面來考慮對(duì)非晶硅電池進(jìn)行優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制造方法，能夠進(jìn)一步提高硅基薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命，并降低電池制造過程對(duì)環(huán)境的污染。本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，由依次連接的柔性PET基片層、S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層組成。
[0010]所述柔性PET基片層厚度為0.001-0.125mm。
[0011]所述S12陷光層厚度為400?800nm。
[0012]所述第一電極TCO層厚度為400?600nm，第二電極TCO層厚度為70?130nm。
[0013]所述P型非晶娃層厚度為10?35nm，p型緩沖層厚度為5?20nm，i型非晶娃層厚度為200?400nm，n型非晶娃層厚度為15?30nm。
[00Μ]所述背反射層厚度為200?800nm，可以采用反射及電學(xué)性能較好的金屬材料，如鋁、金、銀、鉑、或銅等，或者采用透明的金屬氧化物，如BZ0、AZ0、GZ0、或ITO等。
[0015]所述非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，包括:提供柔性PET基片層;在柔性PET基片層上依次沉積S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層。
[0016]上述制備方法中，所述沉積S12陷光層后對(duì)S12陷光層表面進(jìn)行刻蝕粗糙化處理，保證刻蝕出的所有凹陷均勻一致，并且凹陷橫向?qū)挾葹镮?5um。
[0017]上述制備方法中，所述沉積方法采用物理氣相沉積方法。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)和有益效果:本發(fā)明以柔性PET為基片，通過一種新型P層復(fù)合結(jié)構(gòu)(P型非晶硅層加P型緩沖層)，結(jié)合S12陷光結(jié)構(gòu)來提高非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率至1?14%，較現(xiàn)有的單節(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了 3~8%，并有效防止了本征層i型非晶硅層受到污染，還優(yōu)化了該區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)分布從而有效防止光生電子向P層反向擴(kuò)散;并且，為了進(jìn)一步提高電池的開路電壓和填充因子，在S12陷光層上和η型非晶硅層上分別沉積第一電極T⑶層和第二電極TCO層，有效防止η型非晶硅層受到污染的同時(shí)，并促使未吸收光散射到背反射層上，再通過背反射層反射到電池內(nèi)部形成光陷阱，最終達(dá)到提高電池轉(zhuǎn)換效率的目的;此外，本發(fā)明的太陽(yáng)能電池及制備方法，制造成本低、操作簡(jiǎn)單易行，透明柔性基片和PVD技術(shù)的結(jié)合使得該電池的制造適用于大批量生產(chǎn)工藝的應(yīng)用如卷對(duì)卷工藝、且制造工藝成熟、綠色環(huán)保、有較大的市場(chǎng)化前景。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-柔性PET基片層，2-S12陷光層，3-第一電極TCO層，4-Ρ型非晶硅層，5-Ρ型緩沖層，6-1型非晶硅層，7-η型非晶硅層，8-第二電極TCO層，9-背反射層。
[0020]圖2為圖1中S12陷光層的漫反射原理圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法的流程示意圖，其中S1~S9表示反應(yīng)步驟。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行物理氣相沉積所采用的PVD裝置，其中11-操作控制器，12-真空計(jì)，13-基片及基片托架，14-靶基座裝配，15-濺射槍，16-觀察窗，17-超高真空+RF/DC電源。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明實(shí)施采用的PVD裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，柔性PET基片固定在基片托架上，真空室抽到高真空后(<10—3Pa)通入氬氣，啟動(dòng)射頻或直流電源以產(chǎn)生輝光放電并產(chǎn)生等離子體來轟擊革E材進(jìn)而沉積不同的功能層。
[0024]以下通過具體實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施過程進(jìn)行敘述，但實(shí)施例的內(nèi)容并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]實(shí)施例1
一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由依次連接的柔性PET基片層、S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層組成；其中柔性PET基片層厚度為0.028111111，5丨02陷光層厚度為50011111，第一電極T⑶層厚度為500醒，第二電極T⑶層厚度為84nm，p型非晶硅層厚度為25nm，p型緩沖層厚度為15nm，i型非晶娃層厚度為270nm，n型非晶娃層厚度為17nm，背反射層厚度為310nmo
[0026]圖2提供了本發(fā)明的S12陷光層的漫反射原理圖，從圖中可以看出:光線入射基片層后，從S12陷光層的內(nèi)部界面發(fā)生散射，相比于平面度好未經(jīng)處理的陷光層表面會(huì)有更多的光會(huì)入射到電池內(nèi)部。
[0027]所述第一電極TCO層和第二電極TCO層采用AZO(氧化鋅摻雜鋁)材質(zhì)，背反射層采用ITO材質(zhì)。
[0028]所述非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，如圖3所示，工藝步驟為:
(1)提供柔性PET基片；
(2)在柔性PET基片上沉積S12陷光層，并進(jìn)行表面刻蝕粗糙化處理，其中沉積過程的工作壓力為1.0Pa，濺射功率為80W，工作溫度為100 V，沉積時(shí)間為Ih;沉積完成后用氫氧化鈉溶液對(duì)表面進(jìn)行刻蝕粗糙化處理20min，保證刻蝕后所得的凹陷均勻一致并且橫向?qū)挾葹?.3um;
(3)在S12陷光層上沉積第一電極TCO層，條件為:工作壓力1.2Pa，濺射功率100W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間Ih;
(4)在第一電極TCO層上沉積P型非晶硅層，條件為:工作壓力1.5Pa，濺射功率80W，工作溫度120°C，沉積時(shí)間0.5h;
(5)在P型非晶硅層上沉積P型緩沖層，條件為:工作壓力1.4Pa，濺射功率100W，工作溫度120°C，沉積時(shí)間0.2h;
(6)在P型緩沖層上沉積i型非晶硅層，條件為:工作壓力1.0Pa，濺射功率100W，工作溫度120°C，沉積時(shí)間Ih;
(7)在i型非晶硅層上沉積η型非晶硅層，條件為:工作壓力1.2Pa，濺射功率80W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.4h;
(8)在η型非晶硅層上沉積第二電極TCO層，條件為:工作壓力1.6Pa，濺射功率60W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.2h;
(9)在第二電極TCO層上沉積背反射層，條件為:工作壓力1.0Pa，濺射功率80W，工作溫度室溫，沉積時(shí)間0.6h，既得本實(shí)施例的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.4%。
[0029]實(shí)施例2
一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由依次連接的柔性PET基片層、S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層組成；其中柔性PET基片層厚度為0.018111111，5丨02陷光層厚度為50011111，第一電極T⑶層厚度為500醒，第二電極T⑶層厚度為83nm，p型非晶硅層厚度為17nm，p型緩沖層厚度為10nm，i型非晶娃層厚度為300nm，n型非晶娃層厚度為15nm，背反射層厚度為325nm。
[0030]所述第一電極TCO層和第二電極TCO層采用BZO(氧化鋅摻雜硼)材質(zhì)，背反射層采用Ag材質(zhì)。
[0031]所述非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，如圖3所示，工藝步驟為:
(1)提供柔性PET基片層；
(2)在柔性PET基片層上沉積S12陷光層，并進(jìn)行表面刻蝕粗糙化處理，其中沉積過程的工作壓力為1.0Pa，濺射功率為80W，工作溫度為100°C，沉積時(shí)間為Ih;沉積完成后用氫氟酸溶液對(duì)表面進(jìn)行刻蝕粗糙化處理25min，保證刻蝕后所得的凹陷均勻一致并且橫向?qū)挾葹?.6um；
(3)在S12陷光層上沉積第一電極TCO層，條件為:工作壓力1.2Pa，濺射功率100W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間Ih;
(4)在第一電極TCO層上沉積P型非晶硅層，條件為:工作壓力1.8Pa，濺射功率80W，工作溫度80°C，沉積時(shí)間0.5h;
(5)在P型非晶硅層上沉積P型緩沖層，條件為:工作壓力1.4Pa，濺射功率100W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.15h;
(6)在P型緩沖層上沉積i型非晶硅層，條件為:工作壓力1.2Pa，濺射功率100W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.5h; (7)在i型非晶硅層上沉積η型非晶硅層，條件為:工作壓力1.2Pa，濺射功率80W，工作溫度80°C，沉積時(shí)間0.3h;
(8)在η型非晶硅層上沉積第二電極TCO層，條件為:工作壓力1.6Pa，濺射功率60W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.2h;
(9)在第二電極TCO層上沉積背反射層，條件為:工作壓力1.0Pa，濺射功率80W，工作溫度室溫，沉積時(shí)間0.6h，既得本實(shí)施例的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.2%。
[0032]實(shí)施例3
一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由依次連接的柔性PET基片層、S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層組成；其中柔性PET基片層厚度為0.032111111，5丨02陷光層厚度為40011111，第一電極TCO層厚度為500nm，第二電極TCO層厚度為87nm，p型非晶硅層厚度為20nm，p型緩沖層厚度為7nm，i型非晶娃層厚度為330nm，n型非晶娃層厚度為20nm，背反射層厚度為326nm。
[0033]所述第一電極TCO層和第二電極TCO層采用AZO制作，背反射層采用Au制作。
[0034]所述非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，如圖3所示，工藝步驟為:
(1)提供柔性PET基片層；
(2)在柔性PET基片層上沉積S12陷光層，并進(jìn)行表面刻蝕粗糙化處理，其中沉積過程的工作壓力為1.0Pa，濺射功率為80W，工作溫度為100°C，沉積時(shí)間為Ih;沉積完成后用氫氟酸溶液對(duì)表面進(jìn)行刻蝕粗糙化處理25min，保證刻蝕后所得的凹陷均勻一致并且橫向?qū)挾葹?.4um;
(3)在S12陷光層上沉積第一電極TCO層，條件為:工作壓力1.4Pa，濺射功率120W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間Ih;
(4)在第一電極TCO層上沉積P型非晶硅層，條件為:工作壓力1.4Pa，濺射功率60W，工作溫度80°C，沉積時(shí)間0.7h;
(5)在P型非晶硅層上沉積P型緩沖層，條件為:工作壓力1.7Pa，濺射功率120W，工作溫度80°(:，沉積時(shí)間0.111;
(6)在P型緩沖層上沉積i型非晶硅層，條件為:工作壓力1.0Pa，濺射功率120W，工作溫度60°C，沉積時(shí)間0.5h;
(7)在i型非晶硅層上沉積η型非晶硅層，條件為:工作壓力1.3Pa，濺射功率100W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.3h;;
(8)在η型非晶硅層上沉積第二電極TCO層，條件為:工作壓力1.6Pa，濺射功率60W，工作溫度100°C，沉積時(shí)間0.2h;
(9)在第二電極TCO層上沉積背反射層，條件為:工作壓力1.0Pa，濺射功率80W，工作溫度室溫，沉積時(shí)間0.6h，既得本實(shí)施例的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.6%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于由依次連接的柔性PET基片層、S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述柔性PET基片層厚度為 0.001~0.125_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述S12陷光層厚度為400?800nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述第一電極TCO層厚度為400~600nm，第二電極TCO層厚度為70~130nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述P型非晶硅層厚度為10~35nm，p型緩沖層厚度為5?20nm，i型非晶硅層厚度為200?400nm，n型非晶硅層厚度為15?30nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其特征在于所述背反射層厚度為200?800nm，采用鋁、金、銀、鉑、或銅材質(zhì)，或者采用透明的金屬氧化物:BZ0、AZ0、GZ0、或ITO材質(zhì)。7.權(quán)利要求1所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于包括:提供柔性PET基片層;在柔性PET基片層上依次沉積S12陷光層、第一電極TCO層、P型非晶硅層、P型緩沖層、i型非晶硅層、η型非晶硅層、第二電極TCO層和背反射層。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于所述方法還包括在沉積S12陷光層后對(duì)S12陷光層表面進(jìn)行刻蝕粗糙化處理，保證刻蝕出的所有凹陷均勻一致，并且凹陷橫向?qū)挾葹镮?5um。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于所述沉積方法采用物理氣相沉積方法。
【文檔編號(hào)】H01L31/0376GK106024919SQ201610601867
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日
【發(fā)明人】劉坤, 姚文浩, 鄧文宇, 陳樹雷, 王東陽(yáng), 巴德純
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)