專利名稱：薄膜硅太陽能電池的背接觸層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏器材領(lǐng)域，特別涉及到氫化硅薄膜光伏器件技術(shù)。
技術(shù)背景背電極對于基于薄膜氫化非晶硅和納米晶硅的太陽能電池(也叫做薄膜光伏或光電器 件)，尤其是大面積光伏模塊的高性能和可靠性致關(guān)重要，其中高效的捕光能力，對于有效的 捕獲弱吸收光是不可缺少的因素。具有高反射率的背電極可以有效的把未被吸收的長波光線 反射回光伏器件中。反射最好是以一個很大的角度(散射式)進(jìn)行，這樣使光再次進(jìn)入硅層 時有較長的光學(xué)路徑，以增加其被吸收的機(jī)率，從而增加光電流。在實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)獲得了效率良好的薄膜非晶硅和納米晶硅(納米硅)太陽能電池。這種太陽能電池使用透明導(dǎo)電氧化物薄膜和反光的金屬薄膜，最好是以氧化鋅和銀(ZnO/Ag)作 為背電極。然而，這種ZnO/Ag的配合會產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。厚的銀層會導(dǎo)致明顯的分流，分 流又會致使能量轉(zhuǎn)化率低，從而導(dǎo)致光伏模塊的生產(chǎn)量低。隨著時間的推移，銀會失去本身 的光澤，ZnO/Ag制成的背電極的反光能力就會降低。銀自身的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，這影響了光伏 模塊(隨著銀滲透到硅層，會逐漸產(chǎn)生分流)的使用壽命。而且，和鎳或釩相比，銀是一種 昂貴的金屬。所以限制銀的用量有助于降低光伏模塊的生產(chǎn)成本。當(dāng)ZnO/Ag的背電極最先用于太陽能電池時，人們使用較厚的硅層。由于硅薄膜較厚(比 如在三結(jié)太陽能電池和光伏模塊中)，由銀導(dǎo)致的分jt問題并不明顯。然而，為了生產(chǎn)更穩(wěn)定 的光伏模塊，如今的光伏模塊改用較薄的硅薄膜。這樣當(dāng)使用ZnO/Ag (或者單純的銀)作為 背電極材料時，就很容易產(chǎn)生分流的問題。人們發(fā)現(xiàn)即使對于小面積的二極管來說，ZnO/Ag 電接觸也比ZnO/Al電接觸更容易產(chǎn)生分流問題。當(dāng)前生產(chǎn)包含非晶硅，非晶硅鍺合金納米晶 硅的基于薄膜硅的光伏模塊時，ZnO/Al是人們普遍選擇的標(biāo)準(zhǔn)材料。附圖顯示了一個標(biāo)準(zhǔn)的 p-i-n型光伏器件的層狀結(jié)構(gòu)。該電池的組成包括玻璃棊板1;透明導(dǎo)電的前電極2;基于氫 化硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)，分別包括p層6、 i層8和n層9;透明導(dǎo)電氧化物22 (氧化鋅)和 金屬膜45。通常的硅薄膜電池的背電極使用銀或者鋁。ZnO/Al制作的薄膜光伏模塊更長壽、 更可靠，但是和ZnO/Ag相比，它的光反射能力差很多，所以限制了光電轉(zhuǎn)換效率。用ZnO/Al 或者A1作為薄膜硅光伏模塊的背接觸層在產(chǎn)量和長期性能方面有優(yōu)勢，但輸出功率較低。因 為光伏模塊的成本很大程度上取決于它的能量轉(zhuǎn)化效率(輸出功率)，所以欠佳的背反射器嚴(yán)重限制了這種器件的商業(yè)吸引力。ZnO/Al制成的背電極不僅不易導(dǎo)致分流，而且即使產(chǎn)生分 流問題也比較容易解決(通過所謂的"分流削弱"程序)。在很多情況下，使用ZnO/Ag的背 電極的光伏模塊，比使用ZnO/Al背電極的光伏模塊能量轉(zhuǎn)化率低。這是因?yàn)槭褂肸nO/Ag作 為背電極時，閉路電流的增加被填充因子(和開路電壓)的降低所抵消。由于銀和鋁作為背電極金屬膜都有明顯的缺陷，所以有必要尋求一種替代性的反射金屬 薄膜。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請人擬訂了本發(fā)明的首要目的提供一種新型的適用于薄膜硅太陽能 電池的背電極，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是，使用新型的背電極以改善具有高轉(zhuǎn)換效率的基于氫化硅薄膜的 太陽能電池的穩(wěn)定性。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用一種可用作TCO/金屬背接觸層的金屬薄膜，這種金 屬薄膜結(jié)合了銀的高反射率和鋁的穩(wěn)定性。這里TCO代表透明導(dǎo)電氧化物，如氧化鋅(ZnO) 或氧化銦錫(ITO)等。具有高反射率的導(dǎo)電金屬材料包括鎳釩合金(NiV，約5-10%原子濃度 的釩)、鎳(Ni)、鉬(In)、金(Au)、鈀(Pd)和鉑(Pt)。先前使用的金、鈀、鉑價格昂貴，不適合大 量低成本地制作薄膜光伏模塊。單純的銦非常軟，需要另外一層金屬膜來保護(hù)。附著能力良 好的鉻(Cr)是被排除在外的，因?yàn)樗姆瓷渎什?無論是單獨(dú)作為反射器還是TCO/Cr疊層結(jié) 構(gòu))。當(dāng)然，銠有極好的反射率和導(dǎo)電性，但對于須低成本生產(chǎn)的光伏薄膜來說，它太昂貴。 因此鎳釩合金是取代銀和鋁作為薄膜硅光休器件背接觸層的理想材料。如附圖所示， 一個標(biāo)準(zhǔn)的p-i-n型薄膜硅光伏器件包含 一個玻璃基板l; 一個前電接觸 層2 (—個像氧化錫這樣的透明導(dǎo)電氧化物TCO); —個p層6，包含硼摻雜的寬帶隙的基于 硅的薄膜，如非晶硅碳合金； 一個非摻雜的薄膜硅制成的i層8; —個由磷摻雜的薄膜硅或其 合金制成的n層9;另外一個透明導(dǎo)電氧化物膜層22和一個導(dǎo)電性良好且反射率高的金屬膜 45。 TC022和金屬膜45—起作為反射背接觸層。根據(jù)本發(fā)明，金屬膜45的構(gòu)成是不同于傳 統(tǒng)材料銀或鋁的一種金屬或合金，特別是含5-10%釩的鎳釩合金。這種合金具有良好的反射 性和導(dǎo)電性，而且非常穩(wěn)定，也不導(dǎo)致光伏器件的分流現(xiàn)象。所以它的使用使得基于氫化硅 薄膜光伏器件同時具有良好的高轉(zhuǎn)換率和穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。 附圖是一個p-i-n型薄膜硅光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
嘗試性的背接觸層包括ZnO/NiV (7% V)和Ti(VNiV (5-10% V)這樣的雙層結(jié)構(gòu)。這種結(jié) 構(gòu)的背電極反射率高，導(dǎo)電性好，能經(jīng)受各種自然環(huán)境，在長期太陽輻射下有極好的穩(wěn)定性。這種鎳釩金屬薄膜形成的最佳方式，是使用便于大面積鍍膜的磁控濺射技術(shù)，所使用的 靶材最好是具有所需要原子比例的鎳釩合金，這樣所需要的合金可以使用一個單獨(dú)的靶子一 次性形成。
權(quán)利要求
1. 一個光伏器件，其特征在于該光伏器件包括a)一個透明導(dǎo)電前電極。該電極由摻雜型SnO2或摻雜型ZnO這樣的透明導(dǎo)電氧化物制成，包括氟摻雜的氧化錫(SnO2:F)和鋁摻雜的氧化鋅(ZnO:Al)；b)一個p-i-n疊層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由非摻雜的薄膜硅或富含硅的合金制成，包含p層、本征(非摻雜)i層和n層；c)另外一個p-i-n疊層結(jié)構(gòu)，用來形成多結(jié)光伏器件。所述多結(jié)光伏器件可以和ZnO:Al這樣的TCO薄膜結(jié)合，形成p/i/n/ZnO/p/i/n這樣的結(jié)構(gòu)，其中i層可以包含不同的硅合金薄膜，包括非晶硅、混合相位的硅、納米晶硅，或者異相硅；d)一個TCO膜層。該膜層包含一個或多個由ZnO，ITO，SnO2，TiO2或其他材料制成的子層；e)一個金屬膜。該金屬膜的厚度在20-1000納米之間，最好是在100-300納米之間，由鎳釩合金制成，其中釩的密度(分?jǐn)?shù))為0-100％，3-25％更好，7-15％最好；f)一個選擇性附加金屬膜或薄膜疊層。由鋁或銀制成，厚度小于500納米。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于它是包含多個串聯(lián)相接的光伏元件的 集成器件之中的一個光伏元件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于它被其它保護(hù)材料或膜片封裝，如玻 璃基片，金屬箔或聚合物薄片等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于它的構(gòu)成包括堅硬或柔韌的覆蓋層或基板。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于所述由鎳釩合金制成的金屬膜包含其 它金屬元素。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于所述金屬膜的厚度或原子成分不均勻。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于所述TCO膜層包含多個薄膜，如 ZnO/SiO/ZnO疊層結(jié)構(gòu)或SnCVZnO雙層結(jié)構(gòu)，以及其它結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于所述TCO膜層的表面是平滑的或是粗 糙粒狀的。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于所述鎳釩合金金屬膜被其它高反射率 的金屬或金屬合成物取代，包括金、鉑、鈀或銠，以及它們的合金。10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光伏器件，其特征在于所述光伏器件的各個薄膜是通過 鍍膜技術(shù)生產(chǎn)的，包括化學(xué)氣相沉積法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、濺射法、各種蒸發(fā) 技術(shù)，等等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型薄膜硅太陽能電池的背接觸層。盡管以銀作為背接觸層的小型太陽能電池可具有很高的效能，但銀很難被可靠地用于生產(chǎn)基于薄膜硅的光伏器件，因?yàn)樗姆€(wěn)定性很差，并且會強(qiáng)化分流。為大幅度提高成品率和穩(wěn)定性，在制作高性能的大面積、低成本的薄膜硅光伏模板時，背接觸層可選用其它金屬材料，如鎳-釩合金、鈀或白金等。它們的反射率高、電阻系數(shù)低、能較好地和氧化鋅這樣的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)相兼容，并且穩(wěn)定性很強(qiáng)。
文檔編號H01L31/075GK101246928SQ20071000508
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司