一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池的製作方法
2024-03-23 13:09:05
一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池，屬於高效矽基薄膜太陽電池領域。該電池從上到下包含頂電池、隧穿反射層TRR1、中電池、隧穿反射層TRR2和底電池，其中所述頂、中、底電池的吸收層為矽基薄膜或矽基合金薄膜，且Eg頂>Eg中>Eg底；其中所述隧穿反射層為P型摻鋁的矽氧薄膜（a-SiOx:Al），此隧穿反射層不僅具有中間反射層對短波反射、長波透射的光學特點，還能增加子電池隧道結處的缺陷態密度，促進光生載流子在界面處複合，降低寄生勢壘。採用本發明提供的基於隧穿反射層的電池結構有利於提高矽基薄膜多結太陽電池的匹配電流，降低子電池交界處的光學和電學損失，能有效地提高電池的轉換效率和穩定性。
【專利說明】—種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池，屬高效矽基薄膜太陽電池領域。
【背景技術】
[0002]矽基薄膜疊層太陽電池由不同帶隙的矽基薄膜或矽基合金薄膜子電池串聯而成，這種疊層結構既能拓寬電池的光譜響應範圍，提高太陽光譜的利用率，又能降低不穩定的非晶矽頂電池的厚度，降低光致衰減效應，從而在提高太陽電池轉換效率的同時改善其整體穩定性。然而，疊層結構並不是子電池的簡單串聯，其總電池的電流往往取決於較小的非晶矽頂電池電流。因此，疊層結構應重點考慮:(1)各子電池的最大電流需儘量匹配；(2)各子電池之間的隧道結(Tunnel Recombinat1n Junct1n, TRJ)應具有較小的電學損失與光學損失。
[0003]針對電流匹配，人們研究了子電池本徵吸收層的厚度比，在最佳厚度比值下子電池的電流可獲得良好匹配，例如:在非/微疊層太陽電池中，非晶矽本徵層厚度一般為15(T200nm，微晶矽本徵層厚度一般為2 μ m。為了增加電池穩定性，降低光致衰減效應，人們還研究了中間反射層(Intermediate Reflector Layer, IRL)的作用，以在降低本徵非晶娃厚度的同時，保持最大的匹配電流。針對電學損失和光學損失，人們研究了子電池界面處的隧道結，由於隧道結相對電池內建電場為反偏結，任何寄生勢壘都將使電池的電流電壓特性變差，若結處的光生電子與空穴能完全複合，就不會產生寄生勢壘而削減子電池的電場。
[0004]然而目前，人們對疊層結構的上述兩方面研究尚獨立進行:具有選擇性反射作用的中間反射層是基於光學的反射與透射原理；而具有較大缺陷態密度的隧道結是基於電學的隧穿複合理論。因此，其研究成果難以大幅提高疊層太陽電池的性能。基於此，我們綜合考慮了疊層結構的子電池界面對整個電池的光學性能和電學性能的影響，結合中間反射層的作用與隧道結的原理，在子電池界面處製備了一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態密度的薄膜，稱此兼具陷光性能和隧穿性能的薄膜為隧穿反射層(TunnelRecombinat1n Reflector, TRR),以改善娃基薄膜疊層太陽電池的電流匹配度，降低子電池交界處的光學損失與電學損失，提高電池的光電轉換效率和穩定性。
[0005]近年來，人們對多結疊層矽基薄膜太陽電池有了一定的研究，如:南開大學的專利(申請號:CN200910245205.5) 一種全譜域疊層矽基薄膜太陽電池，其特徵是電池吸收層採用寬帶隙、中間帶隙和窄帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，實現帶隙覆蓋2.0e疒0.66eV的範圍，從而實現電池對太陽光譜300nnTl800nm的全譜域響應，提高了電池的光電轉換效率。然而此結構沒有考慮子電池界面處的光學和電學損失，也沒有考慮電池內部的陷光要求。對於矽基疊層太陽電池子電池之間的插入層，人們也進行了研究，如:中國科學院半導體研究所的專利(申請號:200910078560.8)矽基薄膜疊層太陽能電池隧道結的製作方法，其特徵是插入層為具有較高複合速率的複合層材料，非晶納米矽複合層，此插入層僅考慮了隧道結處的隧穿性能，但沒有考慮其光學性能。湖南共創光伏科技有限公司的專利(申請號:CN201320698865.0) 一種電池用複合中間反射層以及多結疊層矽基薄膜電池，其特徵是該複合中間反射層是包括至少一層N型S1x或SiNx膜層的多層膜結構，與中間反射層相鄰的上一層和下一層均為不含氧或氮的N型矽薄膜摻雜層，通過調節氧或氮含量來調節膜層折射率以適應不同的陷光要求，此插入層考慮了各子電池交界處的光學性能，但沒有考慮隧道結的隧穿性能。鑑於此，本專利發明了一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池，所製備的隧穿反射層薄膜帶隙寬、折射率低、電導率高、缺陷態密度大，同時兼具中間層的光學優點與隧道結的電學特點，採用此隧穿反射層的多結太陽電池的轉換效率和穩定性均得以有效的提高。
[0006]
【發明內容】
針對【背景技術】提出的問題，本發明提供了一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池，製備的電池從上到下包含頂電池、隧穿反射層、中電池、隧穿反射層和底電池:其中所述頂、中、底電池的吸收層為矽基薄膜或矽基薄膜合金，且Egw>Eg + >Eg；iS;其中所述隧穿反射層為P型摻鋁非晶矽氧薄膜(a-S1x:Al)，此隧穿反射層不僅具有中間反射層的短波反射、長波透射的光學特點，還能增加子電池隧道結的缺陷態密度，促進光生載流子在界面處複合，降低寄生勢壘。採用本發明提供的電池結構有利於提高矽基薄膜多結太陽電池的匹配電流，降低子電池交界處的光學和電學損失，能有效地提高電池的轉換效率和穩定性。
[0007]本發明的技術方案:
一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池，由矽基薄膜頂電池、隧穿反射層TRR1、矽基薄膜中電池、隧穿反射層TRR2和矽基薄膜底電池疊加沉積在襯底上製成。
[0008]所述矽基薄膜頂電池的吸收層為寬帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，材料為非晶矽、非晶矽碳、非晶矽氧或納米晶矽，帶隙為1.7?2.0eVo
[0009]所述隧穿反射層TRR1為P型摻鋁非晶矽氧薄膜(a_S1x:Al)，折射率為1.6^1.8，厚度為83?94nm。
[0010]所述矽基薄膜中電池吸收層為中間帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，材料為非晶矽鍺或納米晶矽，帶隙為1.Γ1.7eV0
[0011]所述隧穿反射層TRR2為P型摻鋁非晶矽氧薄膜(a_S1x:Al)，折射率為1.8^2.0，厚度為75?83nm。
[0012]所述矽基薄膜底電池吸收層為窄帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，材料為非晶矽鍺或納米晶矽，帶隙為0.7?1.1eV0
[0013]所述矽基薄膜或矽基合金薄膜的製備方法為高壓射頻等離子體增強化學氣相沉積、甚高頻等離子體增強化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積或等離子體輔助反應熱化學氣相沉積法。
[0014]所述隧穿反射層TRR1與TRR2的製備方法為射頻磁控濺射法和脈衝磁控濺射法。
[0015]所述矽基薄膜多結太陽電池沉積在襯底上的順序為:當襯底為玻璃或透明塑料時，薄膜電池的沉積順序為P/I/N寬帶隙頂電池、隧穿反射層TRRpP/Ι/Ν中間帶隙中電池、隧穿反射層TRR2和P/I/N窄帶隙底電池；當襯底為不鏽鋼或不透明塑料時，薄膜電池的沉積順序為N/I/P窄帶隙底電池、隧穿反射層TRR2、N/I/P中間帶隙中電池、隧穿反射層TRRi和N/1/P寬帶隙頂電池。
[0016]本發明的工作原理:以矽基薄膜或矽基薄膜合金為頂、中、底電池的吸收層，且Egw>Eg +，能拓寬電池對可見光譜的響應範圍；在頂/中電池、中/底電池兩個界面處插入隧穿反射層，材料為P型摻鋁非晶矽氧薄膜(a-S1x:Al)，此薄膜具有帶隙寬、折射率低、電導率高、缺陷態密度大等特點，使得隧穿反射層不僅具有中間反射層對短波反射、長波透射的光學優點，還能增加子電池隧道結的缺陷態密度，促進光生載流子在界面處複合，降低寄生勢壘。
[0017]本發明的有益效果:採用本發明提供的具有隧穿反射層的矽基薄膜多結太陽電池，一方面帶隙漸變的矽基薄膜疊層有利於拓寬電池對可見光譜的響應範圍，提高電池的轉換效率；另一方面隧穿反射層的插入有利於在降低不穩定的頂電池吸收層厚度的同時提高多結太陽電池的子電池的匹配電流，增加隧道結的缺陷態密度，減少子電池界面處的光學和電學損失，提高電池的轉換效率和穩定性。
[0018]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為本發明提出的一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池的結構圖圖2為本發明提出的隧穿反射層I和隧穿反射層2的工作原理圖【具體實施方式】:
實施例1
本實施例按以下步驟:
圖1(a)是襯底為透明玻璃或透明塑料的基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池結構示意圖，圖中按沉積方向包括襯底、TC0、P/I/N頂電池、隧穿反射層1、P/I/N中電池、隧穿反射層2、P/I/N底電池、背電極。其中頂電池是寬帶隙矽基薄膜太陽電池，吸收層採用帶隙為1.SeV的非晶矽材料，厚度為150nm ;隧穿反射層I是折射率為1.6^1.8的摻鋁非晶矽氧薄膜，厚度為83?94nm ;中電池是中間帶隙矽基薄膜太陽電池，吸收層採用帶隙為
1.5eV的非晶矽鍺材料，厚度為500nm ;隧穿反射層2是折射率為1.8^2.0的摻鋁非晶矽氧薄膜，厚度為75?83nm ;底電池是窄帶隙矽基薄膜太陽電池，吸收層採用帶隙為1.1eV的納米晶娃材料，厚度為1.5ym。具體實施過程如下:
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在玻璃或透明塑料襯底上連續製備非晶矽電池P層、I層和N層，取出樣品；
將樣品安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關上腔室門後抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關小主閥，調節工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T50nm，然後關閉射頻電源和Ar氣；
將關小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以除去濺射矽氧薄膜時殘留的氧。關小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈衝電源並調節功率至6(T74W，待功率穩定後，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為15?25s，濺射厚度為15?25nm，然後立即關閉脈衝電源並用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調節功率至10(Tl50W，待功率穩定後挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T50nm，關閉射頻電源和Ar氣，待分子慄冷卻後取出樣品；
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在樣品上連續製備非晶矽鍺電池P層、I層和N層，取出樣品；
將樣品安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關上腔室門後抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關小主閥，調節工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T45nm，然後關閉射頻電源和Ar氣；
將關小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以除去濺射矽氧薄膜時殘留的氧。關小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈衝電源並調節功率至6(T74W，待功率穩定後，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為2(T30s，濺射厚度為2(T30nm，然後立即關閉脈衝電源並用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調節功率至10(Tl50W，待功率穩定後挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T45nm，關閉射頻電源和Ar氣，待分子慄冷卻後取出樣品；
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在樣品上連續製備納米晶矽電池P層、I層和N層，取出樣品；
將製備好的樣品放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T600°C快速退火20min，冷卻後取出；
檢測結果顯示:插入隧穿反射層後的矽基薄膜多結太陽電池的轉換效率超過12.2%。
[0019]實施例2
本實施例按以下步驟:
圖1(b)是襯底為不鏽鋼或不透明塑料的基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池結構示意圖，圖中按沉積方向包括襯底、背電極、N/I/P底電池、隧穿反射層2、N/I/P中電池、隧穿反射層2、N/I/P頂電池、TC0。其中底電池是窄帶隙矽基薄膜太陽電池，吸收層採用帶隙為1.0eV的微晶矽鍺材料，厚度為2.0 μ m ;隧穿反射層2是折射率為1.8^2.0的摻鋁非晶矽氧薄膜，厚度為75?83nm ;中電池是中間帶隙矽基薄膜太陽電池，吸收層採用帶隙為
1.5eV的納米晶矽材料，厚度為500nm ;隧穿反射層I是折射率為1.6^1.8的摻鋁非晶矽氧薄膜，厚度為83?94nm ;頂電池是寬帶隙矽基薄膜太陽電池，吸收層採用帶隙為1.SeV的非晶娃材料，厚度為150nm。具體實施過程如下:
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在不鏽鋼或不透明塑料襯底上連續製備非晶矽鍺電池N層、I層和P層，取出樣品；
將樣品安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關上腔室門後抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關小主閥，調節工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T45nm，然後關閉射頻電源和Ar氣；
將關小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以除去濺射矽氧薄膜時殘留的氧。關小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈衝電源並調節功率至6(T74W，待功率穩定後，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為2(T30s，濺射厚度為2(T30nm，然後立即關閉脈衝電源並用擋板擋住襯底； 打開射頻電源，調節功率至10(T150W，待功率穩定後挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T45nm，關閉射頻電源和Ar氣，待分子慄冷卻後取出樣品；
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在樣品上連續製備納米晶矽電池N層、I層和P層，取出樣品；
將樣品安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關上腔室門後抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關小主閥，調節工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T50nm，然後關閉射頻電源和Ar氣；
將關小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以除去濺射矽氧薄膜時殘留的氧。關小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈衝電源並調節功率至6(T74W，待功率穩定後，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為15?25s，濺射厚度為15?25nm，然後立即關閉脈衝電源並用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調節功率至10(Tl50W，待功率穩定後挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T50nm，關閉射頻電源和Ar氣，待分子慄冷卻後取出樣品；
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在樣品上連續製備非晶矽電池N層、I層和P層，取出樣品；
將製備好的樣品放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T600°C快速退火20min，冷卻後取出；
檢測結果顯示:插入隧穿反射層後的矽基薄膜多結太陽電池的轉換效率超過12.5%。
【權利要求】
1.一種基於隧穿反射層的高效矽基薄膜多結太陽電池，其特徵是:由矽基薄膜頂電池、隧穿反射層TRR1、矽基薄膜中電池、隧穿反射層TRR2、矽基薄膜底電池疊加沉積在襯底上製成。
2.根據權利要求1所述的矽基薄膜頂電池的吸收層為寬帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，材料為非晶矽、非晶矽碳、非晶矽氧或納米晶矽，帶隙為1.7?2.0eV0
3.根據權利要求1所述的隧穿反射層TRR1為P型摻鋁非晶矽氧薄膜(a-S1x:Al)，折射率為1.6?1.8，厚度為83?94nm。
4.根據權利要求1所述的矽基薄膜中電池吸收層為中間帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，材料為非晶矽鍺或微晶矽，帶隙為1.Γ1.7eV。
5.根據權利要求1所述的隧穿反射層TRR2為P型摻鋁非晶矽氧薄膜(a-S1x:Al)，折射率為1.8?2.0，厚度為75?83nm。
6.根據權利要求1所述的矽基薄膜底電池吸收層為窄帶隙矽基薄膜或矽基合金薄膜，材料為納米晶矽或微晶矽鍺，帶隙為0.7?1.1eV0
7.根據權利要求2、4、6所述的矽基薄膜或矽基合金薄膜的製備方法為高壓射頻等離子體增強化學氣相沉積、甚高頻等離子體增強化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積或等離子體輔助反應熱化學氣相沉積法。
8.根據權利要求3、5所述的隧穿反射層的製備方法為射頻磁控濺射法和脈衝磁控濺射法。
9.根據權利要求1所述的矽基薄膜多結太陽電池沉積在襯底上的順序為:當襯底為玻璃或透明塑料時，薄膜電池的沉積順序為P/I/N寬帶隙頂電池、隧穿反射層TRRp P/I/N中間帶隙中電池、隧穿反射層TRR2和P/I/N窄帶隙底電池；當襯底為不鏽鋼或不透明塑料時，薄膜電池的沉積順序為N/I/P窄帶隙底電池、隧穿反射層TRR2、N/I/P中間帶隙中電池、隧穿反射層TRR1和N/I/P寬帶隙頂電池。
【文檔編號】H01L31/0216GK104409526SQ201410719769
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】楊雯, 塗曄, 段良飛, 楊培志 申請人:雲南師範大學