球型薄膜太陽電池和製備方法及基於該電池的空間排列組的製作方法
2023-06-16 02:48:41 1
專利名稱：球型薄膜太陽電池和製備方法及基於該電池的空間排列組的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種球形結構的薄膜太陽電池和該結構太陽電池的製備方法，及基於 該球形太陽電池單元的空間排列的電池組件，屬於太陽電池製造領域。
背景技術：
隨著能源危機與環境汙染的日趨嚴重，開發可再生清潔能源成為國際範圍內的重 大戰略問題之一。太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源，因此，開發利用太陽能已成為 世界各國可持續發展能源的戰略決策。傳統的太陽電池片大多都是平面型的，即單面受光，在全天光照條件下無法最大 限度地吸收太陽光能，且組件也都是平面排列的。球形結構的電池一方面可以吸收來自各 個方向的太陽光，從而避免使用太陽光跟蹤裝置；另一方面可以使得電池組件往空間堆積， 從而提高空間利用率，得到更大的光接收面積。本發明在玻璃球上製備薄膜太陽電池。不同於平板玻璃上的薄膜電池，底電極採 用高反射的金屬電極(鋁或銀)，球形電池結構中上下電極都採用透明導電薄膜。由於球形 結構的引入，光線在球內部不斷的折射和反射，形成了一個良好陷光結構，大大提高了光的 吸收效率。而且在全天光照情況下，不受太陽光角度變化的限制。植物的葉片通過一定的排列方式，使葉片均勻地、合理地排列，可以防止葉片之間 的遮擋，充分地接受陽光。球形薄膜電池按照菲波納契螺旋葉序在空間排列，從而構成太陽 電池組件。相對於電池的平鋪排列，在同樣的佔地面積情況下，可以成倍提高電池的受光面 積。
發明內容
本發明的目的是提供一種球形薄膜電池的結構和製備方法，以及該電池單元構成 組件的空間排列方式。球形電池結構中上下電極都採用透明導電薄膜，採用三維旋轉樣品臺，製備薄膜 太陽電池，包括利用等離子體增強化學氣相沉積方法(PECVD)在玻璃球上製備矽基薄膜太 陽電池或利用濺射方法製備銅銦鎵硒薄膜太陽電池。按照菲波納契螺旋葉序在空間排列太陽電池，從而構成太陽電池組件。球型薄膜太陽電池，薄膜電池的底電極和上電極都採用透明導電薄膜，其特徵在 於所述薄膜電池以玻璃球為基底製備薄膜太陽電池。所述玻璃球的透過率在90%以上。所述玻璃球採用的玻璃為納鈣玻璃、白玻璃或鍍有增透膜的玻璃。所述薄膜太陽電池從裡到外依次為玻璃球、底電極、矽基單結電池NIP結構或矽 基疊層電池結構、上電極、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和半球型玻璃。所述底電極和上電極的厚度為30 60nm ；矽基單結電池NIP結構中N層厚度在 10 20納米，I層厚度在200 1000納米，P層厚度在10 20納米；矽基薄膜疊層電池結構為非晶矽/納米矽疊層電池、納米矽/納米矽疊層電池或非晶矽/微晶矽疊層電池；其中非 晶矽/納米娃疊層電池中非晶矽頂電池的N層厚度在10 20納米，I層厚度在200 350納 米，P層厚度在10 20納米；納米矽底電池N層厚度在10 20納米，I層厚度在400 600納 米，P層厚度在10 20納米；納米矽/納米矽疊層電池中納米矽頂電池的N層厚度在10 20 納米，I層厚度在300 500納米，P層厚度在10 20納米，納米矽底電池N層厚度在10 20 納米，I層厚度在400 600納米，P層厚度在10 20納米；非晶矽/微晶矽疊層電池非晶矽頂 電池的N層厚度在10 20納米，I層厚度在200 350納米，P層厚度在10 20納米；微晶矽 底電池N層厚度在10 20納米，I層厚度在800 1200納米，P層厚度在10 20納米。所述透明導電薄膜為摻In的Sn02(IT0)薄膜或摻鋁氧化鋅(AZ0)薄膜。所述的球型薄膜太陽電池按照菲波納契螺旋葉序排列構成的空間排列組，相鄰的 兩個球形電池單元的夾角為222. 5°。所述的球型薄膜太陽電池的製備方法，包括玻璃球的清洗、利用濺射方法製備透 明底電極、利用PECVD方法在底電極上製備矽基薄膜OTP單結電池或矽基疊層電池、界面缺 陷的處理、和使用EVA和玻璃封裝共5個步驟，其特徵在於利用濺射方法製備透明底電極、 上電極，和利用PECVD方法在底電極上製備矽基薄膜NIP單結電池或矽基疊層電池時，將玻 璃球置於樣品臺上，玻璃球自轉的同時，樣品臺進行公轉，保證沉積薄膜的均勻性。利用濺射方法製備透明底電極時，樣品臺公轉速率是5 10轉/分鐘，自轉速率 是10 30轉/分鐘。利用PECVD方法在底電極上製備矽基薄膜時，樣品臺公轉速率是5 10轉/分鐘， 自轉速率是10 30轉/分鐘。實現本發明的技術方案為1.太陽電池的結構設計在玻璃球上依次生長底電極，矽基NIP結構，上電極，如圖1所示。或在玻璃球上依次生長底電極，矽基疊層電池NIPNIP結構，上電極，如圖2所示。2、三維旋轉的樣品臺設計為了保證玻璃球表面薄膜沉積的均勻性，本設備設計了用於濺射和PECVD方法在 小球上製備均勻薄膜的三維旋轉的樣品臺，如圖3和圖4所示。3、太陽電池的製備3. 1玻璃球的清洗對帶有方形套孔的玻璃球利用丙酮超聲清洗，再用去離子水衝洗，烘乾。3. 2利用濺射方法製備透明底電極採用三維樣品臺(圖3)在玻璃球上使用濺射的方法濺射透明導電薄膜(如摻In 的Sn02(IT0)薄膜，摻鋁氧化鋅(AZ0)薄膜)。3. 3在底電極上製備薄膜太陽電池。採用三維樣品臺(圖4)，利用PECVD方法在底電極上製備矽基薄膜單結太陽電池 NIP結構，或矽基疊層電池NIPNIP結構，或採用三維樣品臺(圖3)，用濺射的方法製備銅銦 鎵硒薄膜太陽電池NP結構。3. 4利用濺射方法沉積透明導電薄膜(如IT0薄膜和AZ0薄膜)作為上電極。3. 5由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和兩塊半球型玻璃使用熱壓法進行封裝。
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4、球形太陽電池構成組件的空間列陣方式為了使得組件達到較高的受光面積，將球型太陽電池單元按照菲波納契螺旋葉序 排列。螺旋線的參數方程為 相鄰的兩個球形電池單元的夾角為222. 5°。其具體方案如圖5所示。
圖1球形太陽電池的結構示意圖1圖2球形太陽電池的結構示意圖2圖3濺射用三維旋轉樣品臺 圖4 PE⑶V沉積用三維旋轉樣品臺圖5球形太陽電池的空間排列模組
具體實施例方式實施例11.太陽電池的結構設計玻璃球直徑為10cm，在該玻璃球上依次生長50nm厚的IT0薄膜，氫化納米矽NIP 結構(N、I、P層厚度分別是10、400、10歷)，70歷厚的六1!￡2111_!￡0& = 0. 02)薄膜，引出鋁電 極，最後使用EVA和兩個半球玻璃進行封裝。(如圖1所示)2、太陽電池的製備2. 1玻璃球的清洗對玻璃球利用丙酮超聲清洗，再用去離子水衝洗，烘乾。2. 2利用濺射方法製備透明底電極濺射腔體本底真空為1 X 10_4Pa，在清洗過的玻璃球上使用濺射的方法濺射IT0陶 瓷靶，沉積厚度在50nm左右的IT0薄膜.。玻璃球裝在三維樣品臺(如圖3所示)上，樣品 臺公轉速率是5轉/分鐘，自轉速率是15轉/分鐘。2. 3利用PECVD方法在底電極上製備氫化納米矽薄膜PIN單結電池。玻璃球裝在三維樣品臺(如圖4所示)上，樣品臺公轉速率是5轉/分鐘，自轉速 率是10轉/分鐘。所用矽烷的稀釋比([SiH4]/[SiH4+H2])是5%，硼烷的稀釋比[B2H6]/[B2H6+H2]和 磷烷的的稀釋比[PH3]/[PH3+H2]是0.5%。薄膜沉積條件本底真空在1 X 10_4Pa，射頻頻率是13. 56MHz，射頻功率在150W，沉 積溫度在250°C，直流偏壓150V。N層矽烷流量40sccm，氫氣流量60sccm，磷烷流量2sccm，厚度大約10nm。I層矽烷流量30sccm，氫氣流量70sccm，厚度大約400nm。P層矽烷流量30sccm，氫氣流量70sccm，硼烷流量2sccm，厚度大約10nm。2. 4界面缺陷的處理
PECVD沉積每層矽薄膜後，對矽基薄膜進行15分鐘的氫鈍化處理，以降低界面對 載流子的複合。2. 5利用濺射方法沉積摻A1的ZnO導電薄膜作為上電極濺射腔體本底真空為lX10_4Pa。利用Ar+濺射濺射AlxZni_x0(x = 0. 02)陶瓷靶， 沉積一層厚度在70nm左右，方塊電阻在30 Q左右的AlxZni_x0(X = 0. 02)薄膜。2. 6使用EVA和玻璃封裝。在引入電極，引出導線之後，使用EVA和兩個半球形玻璃由熱壓工藝進行封裝。實施效果最後進行球形電池的性能測試，在AMI. 5，100mff/cm2標準光強的照射 下，太陽電池樣品的轉化效率為9. 5%。實施例2太陽電池的結構設計玻璃球直徑為10cm，在該玻璃球上依次生長50nm厚的IT0薄膜，非晶矽/微晶矽 疊層電池(微晶矽底電池N、I、P層厚度分別是10、1000、10歷，非晶矽頂電池11、？層厚度 分別是10、200、10歷)，70歷厚的六1!￡2111_!￡0(叉=0. 02)薄膜，引出鋁電極，最後使用EVA和兩 個半球玻璃進行封裝。(如圖2)和實施方案一不同的是薄膜電池採用非晶矽/微晶矽薄膜疊層結構利用PECVD方 法在底電極上製備氫化非晶矽/微晶矽疊層電池。玻璃球裝在三維樣品臺(如圖4所示)上，樣品臺公轉速率是5轉/分鐘，自轉速 率是15轉/分鐘。所用矽烷的稀釋比([SiH4]/[SiH4+H2])是5%，硼烷的稀釋比[B2H6]/[B2H6+H2]和 磷烷的的稀釋比[PH3]/[PH3+H2]是0.5%。底電池微晶矽NIP結構的製備薄膜沉積條件本底真空在1 X 10_4Pa，射頻頻率是13. 56MHz，射頻功率在180W，沉 積溫度在350°C，直流偏壓200V。N層矽烷流量40sccm，氫氣流量60sccm，磷烷流量2sccm，厚度大約10nm。I層矽烷流量30sccm，氫氣流量70sccm，厚度大約lOOOnm。P層矽烷流量30sccm，氫氣流量70sccm，硼烷流量2sccm，厚度大約10nm。頂電池非晶矽NIP結構的製備薄膜沉積條件本底真空在1 X 10_4Pa，射頻頻率是13. 56MHz，射頻功率在150W，沉 積溫度在170°C。N層矽烷流量40sccm，氫氣流量lOsccm，磷烷流量2sccm，厚度大約10nm。I層矽烷流量40sccm，氫氣流量lOsccm，厚度大約200nm。P層矽烷流量30sccm，氫氣流量lOsccm，硼烷流量2sccm，厚度大約10nm。實施效果最後進行球形電池的性能測試，在AMI. 5，100mff/cm2標準光強的照射 下，太陽電池樣品的轉化效率為13.4%。3、球形薄膜電池單元的空間列陣方式球型太陽電池單元按照菲波納契螺旋葉序排列。在本實施例中，r = 10cm, h = 10cm。相鄰的兩個球形電池單元的夾角為222. 5°。螺旋線繞中心軸轉13圈，球形太陽電 池單元排列21個。具體方案如圖5所示。
權利要求
球型薄膜太陽電池，薄膜電池的底電極和上電極都採用透明導電薄膜，其特徵在於所述薄膜電池以玻璃球為基底製備薄膜太陽電池。
2.權利要求1所述的球型薄膜太陽電池，其特徵在於所述玻璃球的透過率在90%以上。
3.權利要求2所述的球型薄膜太陽電池，其特徵在於所述玻璃球採用的玻璃為納鈣 玻璃、白玻璃或鍍有增透膜的玻璃。
4.權利要求1所述的球型薄膜太陽電池，其特徵在於所述薄膜太陽電池從裡到外依 次為玻璃球、底電極、矽基單結電池NIP結構或矽基疊層電池結構、上電極、乙烯_醋酸乙 烯酯共聚物(EVA)和半球型玻璃。
5.權利要求4所述的球型薄膜太陽電池，其特徵在於底電極和上電極的厚度為30 60nm ；矽基單結電池NIP結構中N層厚度在10 20納米，I層厚度在200 1000納米，P 層厚度在10 20納米；矽基薄膜疊層電池結構為非晶矽/納米矽疊層電池、納米矽/納米 矽疊層電池或非晶矽/微晶矽疊層電池；其中非晶矽/納米矽疊層電池中非晶矽頂電池 的N層厚度在10 20納米，I層厚度在200 350納米，P層厚度在10 20納米；納米 矽底電池N層厚度在10 20納米，I層厚度在400 600納米，P層厚度在10 20納米； 納米矽/納米矽疊層電池中納米矽頂電池的N層厚度在10 20納米，I層厚度在300 500納米，P層厚度在10 20納米，納米矽底電池N層厚度在10 20納米，I層厚度在 400 600納米，P層厚度在10 20納米；非晶矽/微晶矽疊層電池非晶矽頂電池的N層 厚度在10 20納米，I層厚度在200 350納米，P層厚度在10 20納米；微晶矽底電 池N層厚度在10 20納米，I層厚度在800 1200納米，P層厚度在10 20納米。
6.權利要求1所述的球型薄膜太陽電池，其特徵在於所述透明導電薄膜為摻In的 SnO2(ITO)薄膜或摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜。
7.權利要求1所述的球型薄膜太陽電池按照菲波納契螺旋葉序排列構成的空間排列 組，相鄰的兩個球形電池單元的夾角為222. 5°。
8.權利要求1所述的球型薄膜太陽電池的製備方法，包括玻璃球的清洗、利用濺射方 法製備透明底電極、利用PECVD方法在底電極上製備矽基薄膜NIP單結電池或矽基疊層電 池、界面缺陷的處理、和使用EVA和玻璃封裝共5個步驟，其特徵在於利用濺射方法製備透 明底電極、上電極，和利用PECVD方法在底電極上製備矽基薄膜NIP單結電池或矽基疊層電 池時，將玻璃球置於樣品臺上，玻璃球自轉的同時，樣品臺進行公轉，保證沉積薄膜的均勻 性。
9.權利要求6所述的球型薄膜太陽電池的製備方法，其特徵在於利用濺射方法製備 透明底電極和上電極時，樣品臺公轉速率是5 10轉/分鐘，自轉速率是10 30轉/分鐘。
10.權利要求6所述的球型薄膜太陽電池的製備方法，其特徵在於利用PECVD方法在 底電極上製備矽基薄膜時，樣品臺公轉速率是5 10轉/分鐘，自轉速率是10 30轉/ 分鐘。
全文摘要
一種球型薄膜太陽電池的結構和製備方法，以及該電池單元構成組件的空間排列方式，屬於太陽電池製造領域。球型結構電池的底電極和上電極都採用透明導電薄膜，由於球型結構的引入，一方面可以吸收來自各個方向的太陽光，從而避免使用太陽光跟蹤裝置；另一方面光線在小球內多次折射和反射，形成了一個良好陷光結構，大大提高了光的吸收效率。球型電池組件結構可以使得電池往空間堆積，從而提高空間利用率，得到更大的光接收面積。為了保證薄膜沉積的均勻性，採用了三維旋轉運動的樣品臺。球型薄膜電池按照菲波納契螺旋葉序在空間排列，從而構成太陽電池組件。相對於電池的平鋪排列，在同樣的佔地面積情況下，可以成倍提高電池的受光面積。
文檔編號H01L31/042GK101866968SQ20101018758
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者丁建寧, 葉楓, 王書博, 袁寧一, 陳明明 申請人:常州大學