CN101236997A - 薄膜硅太阳能电池的背接触层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新颖的薄膜硅太阳能电池背接触层的设计方案。为了克服薄膜氢化硅太阳能电池中有关氧化锌/银的高反射率双薄膜背接触层的分流及不稳定性问题，同时避免氧化锌/银/铝背接触层中银和铝的相互扩散的现象，本发明在银和铝中间插入一个阻挡层，从而为实际光伏应用提供一个反射率高、稳定性强的结构为氧化锌/银/氧化锌/铝的背接触层。

Description

薄膜硅太阳能电池的背接触层

技术领域

本发明属于光电器材领域，特别涉及到氢化硅薄膜光电器件技术。

背景技术

背接触层对于基于薄膜氢化非晶硅和纳米晶硅的太阳能电池(也叫做薄膜光伏或光电器件)，尤其是大面积光伏模块的高性能和可靠性致关重要，其中高效的捕光能力对于捕获弱吸收光是不可缺少的因素。背接触层的有效反光特性把不能吸收的光线直接反射回去。反射最好是以一个很大的角度(散射式)进行，这样光可以直接进入硅吸收器中形成光电流。

在实验室中，已经获得了效率良好的薄膜非晶硅和纳米晶硅(纳米硅)太阳能电池。这种太阳能电池使用透明导电氧化物薄膜和反光的金属薄膜，最好是以氧化锌和银(ZnO/Ag)作为背接触层。然而，这种ZnO/Ag的配合会产生严重的负面问题。厚的银层会导致明显的分流，分流又会致使能量转化率低，从而导致光伏模块的生产量低。随着时间的推移，银会失去本身的光泽，ZnO/Ag制成的背接触层的反光能力就会降低。银自身的扩散能力很强，这影响了光伏模块(随着银渗透到硅层，会逐渐产生分流)的使用寿命。最后，和铝相比，银是一种非常贵重的金属。所以限制银的用量有助于降低光伏模块的生产成本。

当ZnO/Ag的背接触层最先用于太阳能电池时，人们使用较厚的硅层。由于硅薄膜较厚(比如在三节太阳能电池和光伏模块中)，由银导致的分流问题并不明显。然而，为了生产更稳定的光伏模块，如今的光伏模块改用较薄的硅薄膜。这样当使用ZnO/Ag(或者单纯的银)作为背电极材料时，就很容易产生分流的问题。人们发现即使对于小面积的二极管来说，ZnO/Ag电接触也比ZnO/Al电接触更容易产生分流问题。当前生产包含非晶硅，非晶硅锗合金纳米晶硅的基于薄膜硅的光伏模块时，ZnO/Al是人们普遍选择的标准材料。和ZnO/Ag不同，ZnO/Al制成的背接触层不仅不易导致分流，而且即使产生分流问题也比较容易解决(通过所谓的“分流削弱”程序)。我们通过大量的实验对这个问题进行了阐述，其它研究和商业组织也对该问题作了相关报告。在大部分情况下，使用ZnO/Ag的背接触层的光伏模块，比使用ZnO/Al背接触层的光伏模块能量转化率低。这是因为使用ZnO/Ag作为背接触层时，闭路电流的增加已被填充因子(和开路电压)所抵消。ZnO/Al是一种非常可靠的背接触层材料，但是和ZnO/Ag相比，它的反光能力差很多。

理论上说，ZnO/Ag可以和其它金属和/或金属氧化物膜层结合制成复合背接触层，ZnO/Ag/X，其中X是“保护”导电层，或者说是保持稳定的膜层(不和银发生反应)。在ZnO/Ag/X结构中，一个相对较薄的银层(例如，500

或者更少)被夹在氧化锌和X之间。这样做的目的是在涉及激光处理和电加工的时候，让ZnO/Ag作为非晶硅氢n层延伸的部分。“保护”膜层X必须满足下列几个条件：比如说要有导电性，要有分流抑制作用，要和银相粘合但不会发生内部扩散。在ZnO/Ag/X的背接触层中，ZnO/Ag应该主导电接触的光学性能而不是电学性能，这样才能使和银有关的分流最小化。X层应该辅助电接触，帮助其减少固有的以及处理过程中导致的分流。因为银层被加在氧化锌和X之间，划线区银的残留容易清除，激光刻划方法更干净。所以新的方法解决了传统ZnO/Ag型简单背接触层存在的问题。我们对X的选择标准是(选择非常多)当以X本身作为背接触层材料时，不会对模块产生分流作用。

根据对小面积太阳能电池的QE测试，和ZnO/Al相比，ZnO/Ag/X制成的背接触层闭路电流更大(~3-5％)。这主要是由于银比铝对红光的反射率更高。人们还发现ZnO/Ag/X制成的背接触层模块的效率更高，可能是因为氢化非晶硅锗背接触闭路电流的非平衡性更好，从而致使填充因子更高。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的目的：提供一种新型的适用于薄膜硅太阳能电池的背接触层，以提高光电转换效率。

本发明的进一步目的是，使用新型的背接触层以改善具有高转换效率的基于氢化硅薄膜的太阳能电池稳定性。

为了达到上述发明目的，本发明试图修正传统ZnO/Ag制成的背接触层，使它分流效应更小，同时保留ZnO/Ag高反光率的优点，从而增大模块的闭路电流，提高效率。基本的意图是通过缩减银的厚度，和用其他导电电接触材料辅助ZnO/Ag(薄的Ag层)来限制“分流现象”。明显的选择就是ZnO/Ag/Al，(其中Ag＜1,000

在简单的ZnO/Ag电接触中是大约～2,000

然而，这种组合不能很好地工作。因为在经过高温(140-200℃)退火时，银和铝会发生内部扩散。这样ZnO/Ag/Al的反光率比ZnO/Ag和ZnO/Al都差。如果氧化锌的膜层(~几百

插在银和铝之间作为一个扩散屏障，ZnO/Ag/ZnO/Al这样一个多层复合的背接触层就能很好地发挥它的光学和电学特征，并且有很好地稳定性和可靠性。此外，所有的膜层都可以在同一个溅射设备中大面积的溅射从而实现相对较高的产量。我们最初的关于ZnO/Ag/X型背接触层中模块效率和分流行为方面的实验数据是非常可喜的，其中X是TCO/Al双层膜。

本发明采用银和铝的多层背接触层模式，从而很好地保留了ZnO/Ag和ZnO/Al型背接触层各自的优点，避免了它们的缺点。本发明结合了银的较高的反光率和铝的强健性。光反射只需要很薄的银层(小于50纳米)，人们发现这样的薄膜层(例如30纳米)，比起较厚的银薄膜层(比如说传统的ZnO/Ag背接触层中使用的厚度在150和250纳米之间的银薄膜层)更稳定，分流效应也大大降低了。

更重要的是，比起简单的ZnO/Ag背接触层(其中银层的厚度是～2000

或200纳米)，大面积模块的分流问题在使用了ZnO/Ag/X复合背接触层之后变得不那么严重了。和以ZnO/Ag作为背接触层的模块不同，大部分有ZnO/Ag/X背接触层的光伏模块没有分流现象，或者只有微弱的分流现象。虽然ZnO/Ag/X型复合背接触层仍然比ZnO/Al型的背接触层分流效应强，但比起传统的ZnO/Ag型背接触层，它的分流效应大大减弱了。因此，对于模块的生产，ZnO/Ag/X复合型背接触层是一个很有前景的潜在加工程序。在我们的讨论中，X一般是ZnO/Al，但也可能是其它金属薄膜或者透明导电氧化物/金属或者金属/金属。

ZnO/Ag/ZnO/Al型的背接触层的分流效应小，性能良好，具备ZnO/Ag型背接触层的优点。一般的组成形式是ZnO/Ag/X/Al，其中X代表一个阻挡层，它在上面的例子中是氧化锌。这种银和铝之间的阻挡层只需要10到30纳米厚就可以很有效，虽然更厚一点的氧化锌薄膜会更强健。在这项专利中，氧化锌指的是铝掺杂型的氧化锌，这样是为了使它有更强的导电性。当然，其它透明导电氧化物也可以作为ZnO/Ag/X/Al型背接触层的X(扩散阻挡层)，例如(ITO)和适当掺杂的SnO₂。

其它相似的多层复合的背接触层可以由反光度高、导电性强的基于氢化硅的大面积、高性能的光伏模块构成。上述概念的延伸包括：ZnO/Ag/Ni、ZnO/Ag/NiV、ZnO/Ag/Ti或是ZnO/Ag/Cr。这种背接触层在结构上比ZnO/Ag/ZnO/Al更简单，但是这些替代金属的导电性不如铝。这些电接触的结构稳定，反光度较好，可以通过传统的镀膜设备和程序进行简单地沉积。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图是一个基于薄膜硅的使用ZnO/Ag/ZnO/Al型背接触层的太阳能电池的结构。

具体实施方式

为了解决背接触层中银和铝的内掺杂(或者说内扩散)问题，我们在银和铝层之间嵌入了扩散屏障(氧化锌)。如附图所示，一个应用本发明的p-i-n型薄膜硅单结太阳能电池的结构依次包括如下组成部分：玻璃基板1，透明导电的前接触层(氧化锡)2，基于氢化硅薄膜的由p层、i层和n层构成的光伏单元8和由多层薄膜构成的背接触层，包括第一氧化锌薄膜22、银薄膜45、第二氧化锌薄膜32和铝薄膜55。其中银薄膜45和第二氧化锌薄膜32都是非常薄的薄膜，它们的厚度在数十微米左右。一个具体的例子是，这种ZnO/Ag(薄)/ZnO(薄)/Al(厚)背接触层各个薄膜的厚度分别为100纳米、50纳米、10纳米和200纳米，50纳米厚的银薄膜45足以提供近似于极厚的银薄膜的光反射性，而只有10纳米厚的第二氧化锌薄膜32也足以确保银和铝薄膜之间不会有相互扩散的现象。这种ZnO/Ag(薄)/ZnO(薄)/Al(厚)复合式的背接触层同样可被有效的使用于由多个p-i-n型光伏单元叠加而成的多结太阳能电池中。

本发明所述的背接触层中的各个薄膜皆可用成熟的大面积真空镀膜方法以高速率在较低的温度下形成，所以本发明具有良好的产业化前景。

Claims (8)

1. 一个薄膜光电器件，包含：

a)一个透明导电的前电接触层，该前电接触层包括像掺杂型氧化锡或者掺杂型氧化锌这样的透明导电氧化物，包括氟掺杂的氧化锡(SnO₂:F)和铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)；

b)一个单一的p-i-n型光电单元或者多个重叠在一起的p-i-n型光电单元，包括基于氢化硅的p型、本征i型和n型半导体薄膜；

c)一个反光的导电背电接触层，其特征在于：依次包括：

i.一个透明导电氧化物薄膜，包括铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)；

ii.一个银薄膜，其厚度小于60纳米；

iii.一个扩散阻挡薄膜，具有良好的导电性，包括铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)，其厚度不超过50纳米；

iv.一个铝薄膜，其厚度大于100纳米。

2. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：所述的薄膜光电器件与一个或多个其它的光电器件并联或串联在一起，而形成一个输出功率更大的光电器件。

3. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：p-i-n型薄膜光电器件的薄膜层由不同的硅和硅合金薄膜构成，这些薄膜的结构是非晶体、纳米晶体、混合相位或异体原子结构。

4. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：所述的铝薄膜被一个或多个其它的金属薄膜所替代，如镍，铜，金这样的金属材料或导电的合金。

5. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：该薄膜光电器件被放置在坚硬基板或柔性衬底之上。

6. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：所述的透明导电氧化物薄膜或扩散阻挡薄膜具有非均匀的化学成分。

7. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：所述的透明导电氧化物薄膜或扩散阻挡薄膜具有非均匀的厚度。

8. 根据权利要求1所述的薄膜光电器件，其特征在于：所述的扩散阻挡薄膜由一个或数个透明导电金属氧化物构成，包括镓或硼掺杂的氧化锌、氧化锡、氧化钛和氧化铟锡(ITO)。

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