專利名稱：柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池及其制造方法
技術領域：
本發明涉及光伏電池，特別涉及一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池，本發明還涉及該太陽電池的制造方法。
背景技術：
在目前廣泛使用的薄膜太陽電池中，主要采用的是非晶硅薄膜材料，但非晶硅薄膜太陽電池存在兩個重要問題:(I)光致衰退效應使電池穩定性不夠理想；(2)帶隙較寬，材料本身對太陽輻射光譜中長波光吸收不充分，限制了電池效率的進一步提高。為了解決這兩個問題，近年來人們廣泛開展了非晶硅/微晶硅疊層太陽電池和非晶硅/非晶硅鍺疊層太陽電池的研究工作。疊層太陽電池拓展了電池光譜響應范圍，提高了光利用率；減小了非晶硅子電池的本征層厚度，光致衰退率下降，即疊層電池同時提高了效率和穩定性。而基于柔性金屬箔或聚酯膜襯底的硅基薄膜太陽電池與平板式晶體硅、玻璃襯底薄膜電池等硬襯底電池相比，其最大的特點是重量輕、可折疊和不易破碎，能被安置在流線型汽車的頂部、帆船、賽艇、摩托艇的船艙等不平整表面。柔性薄膜電池還可以很方便得安裝在房屋等建筑物的樓頂與外墻面上以便充分利用豐富的太陽能。另外由于柔性薄膜電池具有較高的重量比功率，同時具有可彎曲性，非常適用于對地觀測的平流層飛艇表面，軍事上的利用前景光明。為獲得高性能的疊層太陽電池，除了高效率的子電池，如何減少各子電池間的電學連接損失非常重要。通常在子電池之間采用復合隧穿結來獲得歐姆接觸特性和低的串聯電阻，但對復合隧穿結的詳細結構目前報道很少。在大面積硅基薄膜太陽電池的制作過程中，由于襯底表面的不規則、針孔、沉積過程中的顆粒污染等引起了電池部分區域的旁路電阻偏小，從而造成電池的分流漏電，形成微觀上的“缺陷”和宏觀上的“針孔”；同時由于沉積大面積的均勻薄膜相當困難，以致使得硅基薄膜的結構局部發生穿通，嚴重影響電池的性能和成品率。目前多采用“電壓法”，在電池上加一反向電壓，將漏電溝道線燒斷即可達到治療目的。但此種方法容易矯枉過正，使部分電池穿通，pn結性能不能再恢復。電化學鈍化方法是將柔性襯底上的硅基薄膜太陽電池浸入含Al3+的電解液，在外加電源作用下，溶液中Al3+的離子與電池表面透明導電膜(TCO)的氧元素結合，形成絕緣體從而將電池中的“短路”區域堵上，增大旁路電阻，從而治療修復電池。目前電化學鈍化方法在金屬箔襯底電池制備中已得到應用，但在聚酯膜襯底電池制備中還未見報道。在大面積硅基薄膜太陽電池的制作過程中，電流收集柵線的常見制備方法包括電子束蒸發、熱真空蒸發、磁控濺射、絲網印刷等，但由于柔性襯底硅基薄膜太陽電池在高溫或高離子束能量下容易失效，而絲網印刷制備的柵線其電學性能不夠理想，因此提出了將電子束蒸發和磁控派射結合起來的方法，目前未見報道。目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報道，也尚未收集到國內外類似的資料。
發明內容
為了解決上述技術問題，有效綜合利用非晶硅、微晶硅、非晶硅鍺等光伏薄膜材料，提高電池轉化效率和大面積均勻性，獲得高效率和高功率重量比的柔性襯底薄膜太陽電池，本發明的目的的第一方案，在于提供一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池。利用本發明，能夠在金屬箔和聚酯膜襯底上獲得具有較高轉換效率和重量功率比的太陽電池。為了解決現有技術的不足，本發明目的的另一方案，還提供一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的制造方法，利用該方案，解決了上述柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池微觀上的“缺陷”和宏觀上的“針孔”，以及柔性襯底硅基薄膜太陽電池在高溫或高離子束能量下容易失效，以及絲網印刷制備的柵線其電學性能不夠理想等問題。為了達到上述發明目的，本發明的第一方案，為解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池，該裝置包括:在金屬箔或聚酯膜柔性襯底上依次沉積背反射電極、微晶硅(μ c-S1:H)或非晶硅鍺(a-SiGe:H)底電池、非晶硅(a_S1:H)頂電池、透明導電薄膜、金屬柵線；上述底電池和頂電池間采用復合隧穿結進行電學連接。上述復合隧穿結結構采用等離子體輔助化學氣相沉積方法沉積，該復合隧穿結結構為 μ c-Si (P+)/μ c-Si (P++)-μ C-Si (η++)/μ c-Si (n+),其中 μ c_Si (ρ+)為底電池的 ρ 層，厚度為 5nm 50nm ； μ c-Si (p++)的厚度為 Inm IOnm ； μ c-Si (n++)厚度為 Inm IOnm ；μ c-Si (η+)為頂電池的η層，厚度為5nm 50nm。本發明的另一方案，為解決上述技術問題所采用的技術方案是提供一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的制造方法，包括如下步驟:步驟一、在清洗處理后的金屬箔或聚酯膜柔性襯底上，濺射沉積Ag膜或Al膜，厚度為 IOOnm IOOOnm ；步驟二、在Ag膜或Al膜上，濺射沉積ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一種透明導電薄膜，厚度為IOOnm IOOOnm,完成背反射電極的制備；步驟三、采用等離子體輔助化學氣相沉積方法在背反射電極上沉積N、1、P三層硅薄膜構成微晶娃或非晶娃鍺底電池，其中N層反應氣體為氫氣、娃燒、磷燒,厚度為5nm 50nm ；1層反應氣體為氫氣、娃燒、鍺燒,厚度為IOOnm 2500nm ；P層反應氣體為氫氣、娃烷、硼烷、甲烷，厚度為5nm 50nm ；步驟四、采用等離子體輔助化學氣相沉積方法在微晶硅或非晶硅鍺底電池上沉積N、1、P三層娃薄膜構成非晶娃頂電池，其中N層反應氣體為氫氣、娃燒、磷燒,厚度為5nm 50nm ；1層反應氣體為氫氣、娃燒,厚度為100 500nm ；P層反應氣體為氫氣、娃燒、硼燒、甲燒，厚度為5nm 50nm ；步驟五、在非晶娃頂電池上,派射沉積ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一種透明導電薄膜，厚度為50nm 200nm ；步驟六、將制備完成透明導電薄膜的太陽電池浸入AlCl3溶液或Al2 (SO4)3溶液，進行電化學鈍化；步驟七、在完成電化學鈍化的太陽電池透明導電薄膜上電子束蒸發沉積Ag膜或Al膜，再濺射沉積Ag膜或Al膜完成金屬柵線的制備，金屬柵線的總厚度為I μ m 5 μ m。
本發明柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池及其制造方法，由于采取上述的技術方案，在底電池和頂電池間采用了復合隧穿結進行電學連接，減少了子電池間的連接損失。采用電化學鈍化工藝，提高了太陽電池的電學均勻性。采用電子束蒸發結合磁控濺射的方法制備金屬柵線，可獲得較厚、較平整的金屬柵線，同時不會在柵線制備過程中對太陽電池性能造成熱損傷和離子損傷。本發明解決了柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池微觀上的“缺陷”和宏觀上的“針孔”、柔性襯底硅基薄膜太陽電池在高溫或高離子束能量下容易失效，以及絲網印刷制備的柵線其電學性能不夠理想等問題，提高了電池轉化效率和大面積均勻性，獲得高效率和高功率重量比的柔性襯底薄膜太陽電池。同時制備工藝簡單，可實現規模化生產。
圖1為本發明柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的結構示意圖；圖2為電化學鈍化實驗裝置示意圖。
具體實施例方式下面結合
本發明的第一方案，一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的優選實施例。圖1為本發明柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的結構示意圖，如圖1的實施例所示，該裝置包括:在金屬箔或聚酯膜柔性襯底I上依次沉積背反射電極2、微晶硅(μ c-S1:H)或非晶硅鍺(a-SiGe:H)底電池3、非晶硅(a_S1:H)頂電池4、透明導電薄膜5、金屬柵線6。上述底電池3和頂電池4間采用復合隧穿結進行電學連接。上述復合隧穿結結構采用等離子體輔助化學氣相沉積方法(PECVD)沉積，該復合隧穿結結構為 μ C-Si (P+)/μ C-Si (Ρ++)-μ C-Si (η++)/μ C-Si (n+),其中 μ c_Si (ρ+)為底電池的P層，厚度為5nm 50nm ； μ c-Si (p++)的厚度為Inm IOnm ； μ c-Si (n++)厚度為Inm IOnm ； μ c_Si (n+)為頂電池的η層,厚度為5nm 50nm。下面結合
本發明的第二方案，一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的制造方法，該方法包括如下的步驟:步驟一、在清洗處理后的金屬箔或聚酯膜柔性襯底I上，濺射沉積Ag膜或Al膜，厚度為IOOnm IOOOnm ；步驟二、在Ag膜或Al膜上，濺射沉積ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一種透明導電薄膜，厚度為IOOnm IOOOnm,從而完成背反射電極2的制備；步驟三、采用等離子體輔助化學氣相沉積方法(PECVD)在背反射電極2上沉積N、1、P三層娃薄膜構成微晶娃或非晶娃鍺底電池3,其中N層反應氣體為氫氣、娃燒、磷燒,厚度為5nm 50nm ；1層反應氣體為氫氣、硅烷、鍺烷，厚度為IOOnm 2500nm ；P層反應氣體為氫氣、娃燒、硼燒、甲燒，厚度為5nm 50nm。步驟四、采用等離子體輔助化學氣相沉積方法(PECVD)在微晶硅或非晶硅鍺底電池3上沉積N、1、P三層娃薄膜構成非晶娃頂電池4,其中N層反應氣體為氫氣、娃燒、磷燒，厚度為5nm 50nm ；1層反應氣體為氫氣、娃燒,厚度為IOOnm 500nm ；P層反應氣體為氫氣、硅烷、硼烷、甲烷，厚度為5nm 50nm。
步驟五、在非晶硅頂電池4上，濺射沉積ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnOiGa其中一種透明導電薄膜5,厚度為50nm 200nm。步驟六、將制備完成透明導電薄膜5的太陽電池浸入AlCl3溶液或Al2 (SO4) 3溶液，進行電化學鈍化。圖2為電化學鈍化實驗裝置示意圖，如圖2所示，將沉積有硅基薄膜和ITO的柔性襯底背反射電極作為陰極浸入AlCl3溶液或Al2(SO4)3溶液，進行電化學鈍化。步驟七、在完成電化學鈍化的太陽電池透明導電薄膜5上電子束蒸發沉積Ag膜或Al膜，再濺射沉積Ag膜或Al膜，完成金屬柵線6的制備，金屬柵線的總厚度為I μ m 5 μ m。本步驟中，先采用電子束蒸發沉積Ag膜或Al膜，再濺射沉積Ag膜或Al膜，可獲得較厚、較平整的金屬柵線，同時不會在柵線制備過程中對太陽電池性能造成熱損傷和離子損傷。上述步驟六中，也可將電學上短路的太陽電池樣品在裝有AlCl3溶液或Al2(SO4)3溶液一類含Al3+離子的溶液的裝置中加直流電偏壓10秒 120秒，進行電化學鈍化，以恢復其電學性能。以下為本發明的一個實施例:以厚度為50 μ m柔性不銹鋼(SS)以及厚度為38 μ m柔性聚酰亞胺(Polyimide，PD為襯底1，先采用磁控濺射方法制備了 Ag/ZnO背反射電極2，再采用等離子體增強化學氣相沉積方法制備了包含微晶硅底電池3和非晶硅頂電池4的疊層太陽電池結構，制備樣品時腔室本底真空優于5X10_5Pa，襯底溫度范圍100°C 300°C。疊層太陽電池結構為 SS (PI)/Ag/ZnO/n-μ c-Si/1-μ c-Si/ρ.-μ c-Si/p++- μ c-Si/n++- μ c-Si/η.-μ c_Si/1-α -Si/p- μ c-Si/ITO。其中構成復合隧穿結的重摻雜ρ++_ μ c-Si層和重摻雜η++- μ c-Si層厚度均為Inm 2nm。在沉積工藝中，本征微晶硅層(1-yc-Si)采用甚高頻(70MHz)電源，其余各層采用射頻(13.56MHz)電源。電池面積由ITO電極5定義，為25cm2。在制備完ITO電極后還需要在AlCl3電解液中加300W鹵鎢燈光照電化學鈍化20秒，并在ITO電極上采用電子束蒸發和磁控濺射相結合的方法制備Ag柵線6，柵線總厚度為約1.0 μ m。本實施例樣品在25°C，AML 5太陽光譜(1000W/m2)下進行太陽電池輸出特性測試。所制備面積為25cm2的柔性襯底硅基雙結疊層薄膜太陽電池，不銹鋼襯底電池效率最高達到7.79% (開路電壓1.285V，短路電流密度9.30mA/cm2，填充因子0.652，采用全面積25cm2計算效率)；聚酰亞胺襯底電池效率最高達到7.06% (開路電壓1.277V，短路電流密度8.87mA/cm2，填充因子0.623，采用全面積25cm2計算效率)，功率重量比達到約800W/kg。由上所述，本發明由于在底電池3和頂電池4間采用了復合隧穿結進行電學連接，減少了子電池間的連接損失。采用電化學鈍化工藝，提高了太陽電池的電學均勻性。采用電子束蒸發結合磁控濺射的方法制備金屬柵線6。應用本發明，可提高電池轉化效率和大面積均勻性，獲得高效率和高功率重量比的柔性襯底薄膜太陽電池。同時制備工藝簡單，可實現規模化生產。
權利要求
1.一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池，其特征在于，該裝置包括: 在金屬箔或聚酯膜柔性襯底上依次沉積背反射電極、微晶硅(yc-S1:H)或非晶硅鍺(a-SiGe:H)底電池、非晶娃(a_S1:H)頂電池、透明導電薄膜、金屬柵線；所述的微晶娃(μ c-S1:H)或非晶娃鍺(a_SiGe:H)底電池和非晶娃(a_S1:H)頂電池間采用復合隧穿結進行電學連接。
2.如權利要求1所述的多結疊層薄膜太陽電池，其特征在于:所述的復合隧穿結結構為 μ c-Si (ρ+) / μ c_Si (p++) - μ c_Si (n++) / μ c_Si (n+),其中 μ c_Si (p+)為底電池的 p 層，厚度為 5nm 50nm ； μ c_Si (ρ++)的厚度為 Inm IOnm ； μ c_Si (n++)厚度為 Inm IOnm ；μ c-Si (η+)為頂電池的η層，厚度為5nm 50nm。
3.—種如權利要求1所述的柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池的制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟一、在清洗處理后的金屬箔或聚酯膜柔性襯底上，濺射沉積Ag膜或Al膜，厚度為IOOnm IOOOnm ； 步驟二、在Ag膜或Al膜上，濺射沉積ITO、SnO2: F、ZnO: Al、ZnO: Ga其中一種透明導電薄膜，厚度為IOOnm IOOOnm,完成背反射電極的制備； 步驟三、采用等離子體輔助化學氣相沉積方法在背反射電極上沉積N、1、P三層硅薄膜構成微晶娃或非晶娃鍺底電池，其中N層反應氣體為氫氣、娃燒、磷燒,厚度為5nm 50nm ；I層反應氣體為氫氣、娃燒、鍺燒，厚度為IOOnm 2500nm ；P層反應氣體為氫氣、娃燒、硼烷、甲烷，厚度為5nm 50nm; 步驟四、采用等離子體輔助化學氣相沉積方法在微晶硅或非晶硅鍺底電池上沉積N、1、P三層娃薄膜構成非晶娃頂電池，其中N層反應氣體為氫氣、娃燒、磷燒,厚度為5nm 50nm ；1層反應氣體為氫氣、娃燒,厚度為100 500nm ；P層反應氣體為氫氣、娃燒、硼燒、甲燒，厚度為5nm 50nm ； 步驟五、在非晶娃頂電池上，派射沉積ITO、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一種透明導電薄膜，厚度為50nm 200nm ； 步驟六、將制備完成透明導電薄膜的太陽電池浸入AlCl3溶液或Al2 (SO4)3溶液，進行電化學鈍化； 步驟七、在完成電化學鈍化的太陽電池透明導電薄膜上電子束蒸發沉積Ag膜或Al膜，再濺射沉積Ag膜或Al膜完成金屬柵線的制備，金屬柵線的總厚度為I μ m 5 μ m。
4.如權利要求3所述的多結疊層薄膜太陽電池的制造方法，其特征在于，所述的步驟六中，也可將電學上短路的太陽電池樣品在裝有AlCl3溶液或Al2 (SO4) 3溶液一類含Al3+離子的溶液的裝置中加直流電偏壓10秒 120秒，進行電化學鈍化恢復其電學性能。
全文摘要
本發明涉及光伏太陽電池，公開了一種柔性襯底硅基多結疊層薄膜太陽電池，包括在金屬箔或聚酯膜柔性襯底上依次沉積的背反射電極、微晶硅(μc-Si:H)或非晶硅鍺(a-SiGe:H)底電池、非晶硅(a-Si:H)頂電池、透明導電薄膜、金屬柵線；其中，底電池和頂電池間采用復合隧穿結進行電學連接。本發明還公開了該電池的制造方法，包括濺射沉積背反射電極、沉積微晶硅或非晶硅鍺底電池、沉積非晶硅頂電池、濺射沉積ITO、SnO2·F、ZnO:Al、ZnO:Ga等透明導電薄膜、電化學鈍化、制備金屬柵線等步驟。本發明提高了電池轉化效率和大面積均勻性，獲得高效率和高功率重量比等有益效果，同時制備工藝簡單，可實現規模化生產。
文檔編號H01L31/0352GK103077981SQ20111033187
公開日2013年5月1日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者劉成, 周麗華, 唐道遠, 楊君坤, 王小順, 陳亮, 曹娜娜 申請人:上海空間電源研究所