一種T型頂電極背反射薄膜太陽電池的製造方法與工藝
2023-12-10 11:31:42
本發明涉及一種T型頂電極背反射薄膜太陽電池，屬於太陽能電池技術領域。
背景技術：
光子、電子和聲子都是能量的載體。太陽能電池作為光電能量轉換器件，主要是光子和電子之間相互交換能量，同時有聲子參與這個交換過程。這種能量的相互作用主要發生在太陽電池材料表面數微米的範圍內，這為製造薄膜太陽電池提供了物理基礎。非晶矽薄膜太陽電池因其可以顯著降低矽的使用量，製備工藝溫度低等優點，成為了降低太陽電池成本最有吸引力的矽基太陽電池之一。但是，與其它矽基太陽電池相比，非晶矽薄膜太陽電池的轉換效率偏低。一般來說，提高電池性能的方法主要有：採用多結結構，提高電池對不同波長光的吸收；採用不同的電池材料構成異質結電池；採用特形基板，提高電池對光的吸收等。但這些方法對於電池的製備成本的降低和電池性能的提高有限。因此，研發新型薄膜太陽電池對降低電池成本，提高電池性能有重要的意義。通常薄膜太陽電池的電極都是採用與薄膜平行的方式。該方式製備的薄膜電極，製備方法簡單，性能穩定，但是，該方式的電極對電池性能的提高有限。因此，研究新型薄膜太陽電池電極，提高電池對光的吸收和增加電池受光面積有重要的意義。現在人們生產的主流薄膜太陽能電池的結構如圖1所示，從上而下分別為：絕緣襯底5、透明頂電極1、P型非晶矽薄膜2、本徵非晶矽薄膜6、N型非晶矽薄膜3、底電極4。P型非晶矽薄膜2和本徵非晶矽薄膜6疊合連接，本徵非晶矽薄膜6和N型非晶矽薄膜3再疊合連接，構成一個P-i-N結，頂電極1和底電極4分別置於P型非晶矽薄膜2上端面和N型非晶矽薄膜3下端面，最終形成一單結非晶矽薄膜太陽能電池。
技術實現要素：
本發明的目的在於：克服上述現有技術的缺陷，提出一種T型頂電極背反射薄膜太陽電池，電池具有更高的光電轉換效率，其生產工藝簡單易行。為了達到上述目的，本發明提出的一種T型頂電極背反射薄膜太陽電池，從上至下包括依次連接的透明頂電極、P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜、底電極，其特徵在於：所述透明頂電極的下表面制有與若干條狀透明導電凸稜，使頂電極局部形成T型結構，所述凸稜下方的P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜下表面向下凸起形成條狀鼓包，對應位置的底電極與透明導電過渡薄膜的接觸面具有與凸稜一一對應的條狀弧形反射面。本發明T型頂電極背反射薄膜太陽電池，進一步的改進在於：1、所述P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜的厚度均勻。2、所述透明頂電極為TCO玻璃，透明頂電極的導電薄膜和透明導電過渡薄膜為摻氟氧化鋅或氧化銦硒的薄膜，所述底電極為鋁或銀材料製成的面狀金屬電極。3、所述凸稜的高寬比為1：3～1：2，凸稜之間互相平行，凸稜的間距範圍為：1-2um，高度範圍為：100-300nm。4、所述P型非晶矽薄膜中硼元素的摻雜濃度為1017～1019/cm3的；所述本徵非晶矽薄膜中無雜質摻雜，所述N型非晶矽薄膜中磷元素的摻雜濃度為1017～1019/cm3，所述P型非晶矽薄膜的沉積厚度範圍為：180-220nm，本徵非晶矽薄膜的沉積厚度範圍為：0.5-1um，N型非晶矽薄膜的沉積厚度範圍為：180-220nm。此外，本發明還提供了一種T型頂電極背反射薄膜太陽電池的生產工藝，其特徵在於包括如下步驟：第1步、製備平板式透明頂電極；第2步、透明頂電極表面製備若干條狀透明導電凸稜，該凸稜與透明頂電極形成T型結構；第3步、在透明頂電極表面逐次澱積厚度均勻的P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜，使P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜在凸稜對應區域向外凸起形成條狀鼓包；第4步、在透明導電過渡薄膜表面澱積底電極，所述底電極與透明導電過渡薄膜的接觸面形成若干與所述凸稜一一對應的弧形反射面。本發明T型頂電極背反射薄膜太陽電池的製造工藝的進一步改進在於：1、所述第2步中，將開有若干長條形窗口的掩模覆蓋於平板式透明頂電極表面，並對掩模的窗口進行摻氟氧化鋅或氧化銦硒的透明材料二次澱積，獲得與透明頂電極材質相同的凸稜，使頂電極局部形成T型結構。2、所述第1步中，在平板玻璃表面採用磁控濺射法製備摻氟氧化鋅或氧化銦硒的導電薄膜，形成透明頂電極；第2、第3步中，分別採用磁控濺射法製備摻氟氧化鋅或氧化銦硒的凸稜、透明導電過渡薄膜。3、第4步中、底電極是通過磁控濺射鋁或銀在透明導電過渡薄膜上形成導電的鋁薄膜或銀薄膜。4、第3步中，所述P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜和N型非晶矽薄膜都採用等離子化學增強氣相沉積儀進行的澱積。本發明的薄膜太陽能電池與現有的薄膜太陽能電池相比，電池的頂電極具有T型結構，其凸稜（可視為頂電極的一部分）深入薄膜內，提高電極對電流的收集能力；電極上後續澱積的薄膜材料在凸稜對應位置形成的弧形鼓包，增加了薄膜電池的面積，增加了電池的受光面；最後澱積的金屬底電極覆蓋於弧形薄膜上，形成具有凹面鏡結構的背反射面，增加了電池對反射光的利用，從而提高了電池對光的吸收和利用，進一步提高電池的轉換效率。本發明薄膜太陽能電池的製備工藝與現有薄膜電池生產工藝兼容，可利用現有設備進行生產，僅僅在製備過程中增加了凸稜（可視為頂電極的一部分）的二次澱積步驟，在幾乎不額外增加成本的前提下，提高了電池性能。附圖說明下面結合附圖對本發明作進一步的說明。圖1是現有薄膜太陽電池結構示意圖。圖2是本發明T型頂電極背反射薄膜太陽電池結構示意圖。圖3是本發明電池與傳統薄膜電池的光譜響應曲線對比圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。產品實施例如圖2所示為本發明T型頂電極背反射薄膜太陽電池，從上至下包括依次連接的透明頂電極1、P型非晶矽薄膜2、本徵非晶矽薄膜6、N型非晶矽薄膜3、透明導電過渡薄膜8、底電極4，本發明的改進之處在於透明頂電極1的下表面制有與透明導電凸稜7，使頂電極局部形成T型結構，凸稜7下方的P型非晶矽薄膜2、本徵非晶矽薄膜6、N型非晶矽薄膜3、透明導電過渡薄膜8下表面向下凸起形成條狀鼓包，對應位置的底電極4與透明導電過渡薄膜的接觸面具有與凸稜7一一對應的條狀弧形反射面。本例中透明頂電極選用TCO玻璃（透明導電氧化物鍍膜玻璃），其導電薄膜和透明導電過渡薄膜8中摻有氟氧化鋅（也可選擇摻氧化銦硒）。P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜的厚度均勻。其中P型非晶矽薄膜中硼元素的摻雜濃度為1017～1019/cm3的；本徵非晶矽薄膜中無雜質摻雜，N型非晶矽薄膜中磷元素的摻雜濃度為1017～1019/cm3。本實施例中P型非晶矽薄膜的沉積厚度為：200nm，本徵非晶矽薄膜的沉積厚度為：700um，N型非晶矽薄膜的沉積厚度為：200nm，透明導電過渡薄膜的沉積厚度為40-50nm，凸稜的高度為100nm，寬度為200nm，間距為2um。電池的P型非晶矽薄膜2、本徵非晶矽薄膜5、N型非晶矽薄膜3三者結合，形成P-i-N結，光線照射到P-i-N結表面產生電子空穴對，電子在電場作用下向電極移動，使電池產生電能。本發明電池的頂電極通過兩次澱積形成T型結構。在此電極上澱積矽薄膜和底電極後，形成了一個弧形的鼓包，使底電極形成了凹面鏡結構的反射面，有利於對入射的陽光進行匯聚，提高對光的利用。由於形成的T型電極的面積較大，所以在T型電極上形成的電池的面積較大，所以電池的受光面更大。以上兩個優點，提高了電池的光電轉換效率。對本實施例薄膜電池進行了光譜響應仿真試驗，並與傳統薄膜電池進行比較，該試驗的結果請參見圖3，圖中顏色較深的為本發明電池光譜響應曲線，顏色較淺的為傳統薄膜電池的光譜響應曲線。實驗結果表明，兩種電池的光譜響應變化趨勢相同，都是在300～600nm波段隨著波長的增加而增加，到600nm以後光譜響應強度下降。而本發明電池則在整個太陽光譜區的響應強度較普通非晶矽薄膜太陽能電池均有所增強。通過對整個光譜響應的積分可以看出，本發明電池的光譜響應比普通非晶矽薄膜太陽能電池增強約6%。這表明本發明電池中的T型電極可以有效的提高非晶矽薄膜電池的光譜響應。這是因為本發明電池中的T型電極增大了電池受光面積，同時凹面鏡型的底電極可以實現對入射光的匯聚，提高電池對光的吸收，因此，仿真的所有波段的光譜響應都有所增加，且效果較為明顯。工藝實施例本實施例T型頂電極背反射薄膜太陽電池的生產工藝，採用「倒裝」的生產工藝，包括如下步驟：第1步、製備平板式透明頂電極：採用磁控濺射法在玻璃表面製備摻氟氧化鋅導電薄膜，獲得平板式透明頂電極（本例中為TCO玻璃）；第2步、透明頂電極表面製備若干條狀透明導電凸稜，該凸稜與透明頂電極形成T型結構；本步驟中，將開有若干長條形窗口的掩模覆蓋於平板式透明頂電極表面，並對掩模的窗口進行摻氟氧化鋅的透明材料二次澱積，獲得與透明頂電極導電薄膜材質相同（導電薄膜材質可以選用TCO、ITO等透明導電材料）的凸稜，使頂電極局部形成T型結構；本例中，同樣採用磁控濺射法製備摻氟氧化鋅的凸稜；第3步、在透明頂電極表面逐次澱積厚度均勻的P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜，使P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜、透明導電過渡薄膜在凸稜對應區域向外凸起形成條狀鼓包；其中，P型非晶矽薄膜、本徵非晶矽薄膜、和N型非晶矽薄膜、採用等離子化學增強氣相沉積儀進行的澱積，澱積厚度依次約為200nm、0.7um、200nm；P型非晶矽薄膜中硼元素的摻雜濃度為1017～1019/cm3；N型非晶矽薄膜中磷元素的摻雜濃度為1017～1019/cm3；本例中透明導電過渡薄膜則通過磁控濺射法進行澱積，澱積厚度約為40-50nm；第4步、在透明導電過渡薄膜表面澱積底電極，底電極與透明導電過渡薄膜的接觸面形成若干與凸稜一一對應的弧形反射面；本例中底電極是通過磁控濺射鋁在透明導電過渡薄膜上形成導電的鋁薄膜。可見，本發明製備工藝與現有薄膜電池生產工藝兼容，可利用現有設備進行生產，僅僅在製備過程中增加了凸稜的二次澱積步驟，在幾乎不額外增加成本的前提下，提高了電池性能。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。