專利名稱：一種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，特別是一種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是用之不竭的可再生能源，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義，太陽(yáng)能的有效利用已成為人類的共識(shí)。太陽(yáng)能的利用，尤其是光伏發(fā)電技術(shù)，是最有希望的可再生能源技術(shù)。非晶硅薄膜太陽(yáng)電池有著耗能低、原材料豐富無(wú)污染、易于大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于地面光伏電站、光伏建筑一體化、屋頂電站等領(lǐng)域。非晶硅薄膜太陽(yáng)電池太陽(yáng)光譜吸收范圍為400_750nm。單結(jié)非晶硅電池厚度在200-400nm之間，在這個(gè)厚度范圍之內(nèi)，太陽(yáng)光譜中只有小于500nm的光才能被電池吸收殆盡，而介于500-750nm的光將不能被電池完全吸收，有一部分從電池中透過造成損失，使得電池效率下降。為了提高效率，實(shí)驗(yàn)室中通常在電池背后沉積Ag作為背電極，將到達(dá)電池底部的光反射回電池內(nèi)部，增加電池吸收,從而提高效率。Ag背電極具有反射率高、導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)，其在非晶硅電池光譜吸收范圍內(nèi)的平均反射率高達(dá)95%以上。但Ag是貴重金屬，若在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中使用Ag，將大幅提升生產(chǎn)成本。為此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，通常采用成本較低的Al或不銹鋼襯底替代Ag作為背電極。但Al和不銹鋼的反射率不及Ag。此外，Ag、Al和不銹鋼都是金屬，當(dāng)將金屬材料用作薄膜太陽(yáng)電池的背電極時(shí)，還會(huì)引入以下問題:首先，Ag、Al和不銹鋼表面不平整，而非晶硅薄膜太陽(yáng)電池本征層很薄，很容易將本征層穿透，造成P型層和n型層短路，漏電流增加，電池開壓下降，效率降低；其次，金屬表面存在等離子激元共振吸收，到達(dá)背電極界面的光會(huì)損失3-8%，這對(duì)帶邊吸收的影響尤其重要；此外，在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，金屬離子會(huì)擴(kuò)散到電池內(nèi)部，破壞電池性能，造成電池穩(wěn)定性下降；最后，沉積金屬材料所需設(shè)備與非晶硅薄膜工藝不兼容，需要額外的PVD沉積設(shè)備，造成廠房面積和投資增加，同時(shí)工藝時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)能下降。以上存在問題皆不利于在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中提高電池效率、提升穩(wěn)定性和降低成本。近年來(lái)，光子晶體由于其具有優(yōu)越的光學(xué)性能而引起廣泛關(guān)注。光子晶體誕生于1987年，是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料，在空間按照一定周期排列形成的晶體，目的是使人們能夠像利用半導(dǎo)體禁帶控制電子一樣，利用光子禁帶控制光子的流動(dòng)。按照在空間排列的維數(shù)不同，光子晶體可以分為一維、二維和三維。一維光子晶體是由兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料，在某個(gè)方向上周期性堆疊形成，其特性是在電介質(zhì)界面上會(huì)出現(xiàn)布拉格散射、產(chǎn)生光子禁帶、能量落在禁帶中的光不能傳播。例如，若一維光子晶體禁帶范圍在500-750nm，那么此波段的光在光子晶體內(nèi)不能傳播，意味著在光子晶體表面會(huì)產(chǎn)生接近100%的反射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問題，提供一種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，該薄膜太陽(yáng)電池在不降低甚至 提高電池效率的同時(shí)，提升電池穩(wěn)定性，降低原材料、設(shè)備和生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)能。
本發(fā)明的技術(shù)方案:—種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，由襯底、一維光子晶體背反射器、背電極、n型氫化非晶硅、本征氫化非晶硅、P型氫化非晶硅和前電極組成疊層結(jié)構(gòu)，其中一維光子晶體背反射器是由低折射率介質(zhì)和高折射率介質(zhì)周期性交疊構(gòu)成，周期數(shù)大于等于兩個(gè)整數(shù)周期，背電極和前電極為高透過、高電導(dǎo)、低吸收的透明導(dǎo)電膜并作為電流引出電極。所述襯底為玻璃、不銹鋼或塑料。所述一維光子晶體背反射器中的低折射率介質(zhì)為氧化硅膜，氧化硅膜采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷、氫氣和二氧化碳，折射率為1.4-2.0，厚度為50_500nm ;高折射率介質(zhì)為與硅基薄膜工藝兼容的氫化非晶硅膜，氫化非晶硅膜同樣采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷和氫氣，折射率為3.0-5.0，厚度為10-100nm。所述透明導(dǎo)電膜為摻鋁氧化鋅膜或氧化銦錫膜。所述本征氫化非晶硅厚度為200-400nm。一種所述光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，步驟如下:I)在襯底上首先沉積低折射率介質(zhì)膜，然后沉積高折射率介質(zhì)膜，作為一個(gè)周期；2)繼續(xù)沉積后續(xù)周期的上述介質(zhì)膜，形成一維光子晶體；3)在一維光子晶體上沉積透明導(dǎo)電膜，作為背電極，即負(fù)極，引出電流；4)在透明導(dǎo)電膜上沉積 非晶硅薄膜太陽(yáng)電池；5)在電池上沉積透明導(dǎo)電膜，作為前電極，即正極，引出電流。本發(fā)明的有益效果是:I) 一維光子晶體背反射器在500-750nm波段的平均反射率高達(dá)95%以上，在該波段與Ag的反射率相當(dāng)，優(yōu)于Al和不銹鋼的反射率，可使到達(dá)電池底部的光充分反射回電池內(nèi)部，進(jìn)而提聞電池效率；2)—維光子晶體背反射器是由高、低折射率電介質(zhì)層周期性交疊構(gòu)成，引出電極由透明導(dǎo)電膜構(gòu)成，均不使用金屬，且表面平整，故不會(huì)有金屬離子擴(kuò)散、正負(fù)極短路產(chǎn)生漏電流、等離子激元共振吸收等問題，提高電池開路電壓，提升電池穩(wěn)定性；3)—維光子晶體背反射器由非晶硅膜與氧化硅膜周期性交疊構(gòu)成，這兩種膜與非晶硅電池工藝兼容，即可以采用沉積非晶硅電池的設(shè)備PECVD制備，無(wú)需再采購(gòu)額外的用來(lái)沉積金屬背反射層的PVD設(shè)備，可節(jié)省廠房面積和設(shè)備投資；原材料采用硅烷、氫氣和二氧化碳，相比于金屬Ag，原材料成本大幅降低；4)由非晶硅膜與氧化硅膜構(gòu)成的一維光子晶體只關(guān)注光學(xué)性能，無(wú)需關(guān)注電學(xué)性能，不需要實(shí)現(xiàn)器件質(zhì)量級(jí)，故可以實(shí)現(xiàn)高速沉積，速率高于沉積金屬背反射層，從而提升產(chǎn)能；或者直接由玻璃廠商提前在玻璃襯底上制備。


圖1是本發(fā)明光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:1.襯底2.—維光子晶體背反射器3.透明導(dǎo)電膜4.n型氫化非晶硅5.本征氫化非晶硅6.p型氫化非晶硅7.前電極8.低折射率氧化硅膜9.高折射率氫化非晶硅膜
圖2是所述一維光子晶體背反射器和Ag、Al在空氣中的反射率比較圖；圖中:(a)光子晶體反射譜線；(b) Ag反射譜線；(c) Al反射譜線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，一切從本發(fā)明的構(gòu)思出發(fā)，不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)所作出的結(jié)構(gòu)變換均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。實(shí)施例:一種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，如圖1所示，由襯底1、一維光子晶體背反射器2、背電極3、n型氫化非晶娃4、本征氫化非晶娃5、p型氫化非晶娃6和前電極7組成疊層結(jié)構(gòu)，其中一維光子晶體背反射器2是由低折射率介質(zhì)8和高折射率介質(zhì)9周期性交疊構(gòu)成，背電極和前電極為高透過、高電導(dǎo)、低吸收的透明導(dǎo)電膜并作為電流引出電極。所述一維光子晶體背反射器2，由低折射率的氧化硅膜8和高折射率的氫化非晶硅膜9周期性交疊構(gòu)成，共5個(gè)周期。氧化硅膜采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷、氫氣和二氧化碳，折射率為1.5，厚度為170nm ;氫化非晶硅膜同樣采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷和氫氣，折射率為4.5，厚度為30nm。該實(shí)施例中，襯底I采 用普通浮法玻璃；背電極3為摻鋁氧化鋅，采用直流磁控濺射方式制備，方塊電阻為10 Q，厚度為500nm，在可見光波段平均透過率達(dá)到80%以上；本征氫化非晶硅5厚度為300nm ;前電極7采用氧化銦錫(IT0)。所述光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，步驟如下:I)在襯底上首先沉積低折射率介質(zhì)膜，然后沉積高折射率介質(zhì)膜，作為一個(gè)周期；2)繼續(xù)沉積后續(xù)4個(gè)周期的上述介質(zhì)膜，形成一維光子晶體；3)在一維光子晶體上沉積透明導(dǎo)電膜，作為背電極，即負(fù)極，引出電流；4)在透明導(dǎo)電膜上沉積非晶硅薄膜太陽(yáng)電池；5)在電池上沉積透明導(dǎo)電膜，作為前電極，即正極，引出電流。該一維光子晶體背反射器在空氣中的反射率如圖2所示。在非晶硅太陽(yáng)電池吸收光譜范圍內(nèi)(400-750nm)，只有500_750nm區(qū)間的光能到達(dá)電極與背反射層界面。在此波段，光子晶體的平均反射率達(dá)到96%，與Ag相當(dāng)，優(yōu)于Al，有助于提高電池效率，同時(shí)降低原材料成本。該光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，光輻照面積為0.31cm2，其IV特性參數(shù)為:開路電壓0.945V ;短路電流12.74mA/cm2 ;填充因子53.7 ;轉(zhuǎn)換效率6.5%。相同工藝制備，采用ZnO和Ag復(fù)合背反射電極的電池IV特性參數(shù)為:開路電壓0.902V ;短路電流12.86mA/cm2 ；填充因子59 ;轉(zhuǎn)換效率6.8%。相同工藝制備，采用不銹鋼襯底作為背反射電極的電池IV特性參數(shù)如下:開路電壓0.896V ;短路電流11.09mA/cm2 ;填充因子55.2 ;轉(zhuǎn)換效率5.5%。將以上結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，與采用ZnO和Ag復(fù)合背反射電極的電池相比，該光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池開路電壓提升4.8%，短路電流和轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)；與采用不銹鋼襯底作為背反射電極的電池相比，開壓提升5.5%，短路電流提升14.8%，絕對(duì)轉(zhuǎn)換效率提升1%。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:由襯底、一維光子晶體背反射器、背電極、n型氫化非晶硅、本征氫化非晶硅、p型氫化非晶硅和前電極組成疊層結(jié)構(gòu)，其中一維光子晶體背反射器是由低折射率介質(zhì)和高折射率介質(zhì)周期性交疊構(gòu)成，周期數(shù)大于等于兩個(gè)整數(shù)周期，背電極和前電極為高透過、高電導(dǎo)、低吸收的透明導(dǎo)電膜并作為電流引出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述襯底為玻璃、不銹鋼或塑料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述一維光子晶體背反射器中的低折射率介質(zhì)為氧化硅膜，氧化硅膜采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷、氫氣和二氧化碳，折射率為1.4-2.0，厚度為50-500nm ;高折射率介質(zhì)為與硅基薄膜工藝兼容的氫化非晶硅膜，氫化非晶硅膜同樣采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷和氫氣，折射率為 3.0-5.0，厚度為 IO-1OOnm0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述透明導(dǎo)電膜為摻鋁氧化鋅膜或氧化銦錫膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述本征氫化非晶硅厚度為200-400nm。
全文摘要
一種光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，由襯底、一維光子晶體背反射器、背電極、n型氫化非晶硅、本征氫化非晶硅、p型氫化非晶硅和前電極組成疊層結(jié)構(gòu)，其中一維光子晶體背反射器是由低折射率介質(zhì)和高折射率介質(zhì)周期性交疊構(gòu)成，周期數(shù)大于等于兩個(gè)周期，背電極和前電極為高透過、高電導(dǎo)、低吸收的透明導(dǎo)電膜并作為電流引出電極。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該光子晶體非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，克服了采用Ag背電極成本高，采用其他金屬背電極反射率不夠的問題，保證高效率的同時(shí)降低原材料成本。同時(shí)還克服了采用金屬背電極引入的一系列問題，有助于提高電池開路電壓，提升電池穩(wěn)定性。因與電池工藝兼容，還有助于降低設(shè)備投資和廠房面積，提升產(chǎn)能。
文檔編號(hào)H01L31/052GK103227226SQ201310169458
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者侯國(guó)付, 陳培專, 張建軍, 倪牮, 張曉丹, 趙穎 申請(qǐng)人:南開大學(xué)