专利名称：一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能光伏技术领域，涉及太阳能电池，特别是一种具有减反射膜的 大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法。
背景技术：
随着经济的飞速发展，人们对能源的需求量也越来越大，现代社会使用的常规能 源如煤、石油和天然气，不仅储量有限而且在自然界分布不均，还存在严重的污染环境等问 题，这一经济的资源载体将在21世纪中期接近枯竭，能源危机迟早会发生，因此利用可再 生能源，特别是太阳能是解决问题的有效途径，其中利用光伏效应开发的太阳能电池得到 了越来越广泛的研究与应用，充分开发利用太阳能已成为世界各国政府可持续发展能源的 战略决策。国际上太阳能电池的研究和生产，大致可以分为三个阶段，分别为晶体硅太阳能 电池、薄膜太阳能电池及新型太阳能电池。第一阶段的太阳能电池以单晶硅、多晶硅太阳能电池为代表，具有较高的转换效 率，目前占据主要的市场份额，但同时存在高能耗、高成本的问题，难以与传统能源相抗衡。第二阶段的太阳能电池为薄膜太阳能电池，目前已成功研发的薄膜太阳能电池包 括硅基薄膜电池、铜铟鎵硒系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、III-V族系列薄膜电池 等，其中硅基薄膜太阳电池具有成本低、可以使用玻璃和塑料等廉价衬底、易于实现大面积 产业化生产等优点，成为国际上研究最多，发展最快的光伏电池之一，但是，硅基薄膜太阳 电池的转换效率较低，因此，增加光吸收，提高电池的转换效率是亟待解决的问题。我们知道，对于晶体硅而言，当光入射到裸硅电池表面时，约有三分之一的光被反 射，从而使得电池对入射光的吸收减少，因此，通常在电池的迎光面上制作光学减反射膜， 以保证尽可能多的光不被反射而进入太阳电池内部被吸收，用于减反射膜的材料通常有 SiO2, TiO2, MgF2, SiNx等；而对于硅基薄膜太阳电池，光线首先进入具有高透过率的玻璃衬 底，通常采用的方法为在玻璃衬底上沉积一层具有高透过率的透明导电氧化物(TCO)薄膜 以实现光学上增透减反的作用。但由于玻璃与空气折射率的差异，对可见光仍存在约8 %的 反射，因此，对于硅基薄膜太阳电池，在玻璃衬底的表面涂覆一层减反射膜，与玻璃另一面 的TCO薄膜相结合，即能够达到双层减反的效果。减反膜处于空气与玻璃两种介质之间，根据菲涅尔反射原理，需要保证减反膜的 折射率大于空气的折射率(为1.0)，而小于玻璃的折射率(约为1.5)。TiO2和SiNx薄膜 的折射率均为2. 0左右，虽然可以通过改变沉积条件来减小折射率，但通常效果不够明显。 MgF2的折射率为1. 38，但不易在大面积范围内获得。SiO2薄膜的折射率为1. 46，如果不加 以调节，直接应用于减反射膜，不能很好地满足对光学性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，针对目前硅基薄膜太阳电池光电转 换效率较低的问题，提出一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法，以 增强电池对太阳光的吸收，提高太阳电池的转换效率。本发明实现目的的技术方案是一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，电池结构自上而下分别为减反射 膜层、玻璃衬底层、前电极TCO层、P层、i层、η层、背电极TCO层及Al电极层，其中，减反射 膜层为SW2薄膜，厚度在400 IOOOnm之间，折射率在1. 1 1. 4范围内可调。 而且，所述TCO层为透明导电氧化物薄膜，前电极TCO层为掺杂的SnA薄膜或ZnO 薄膜；背电极TCO层为掺杂的ZnO薄膜；P层、i层、η层均为非晶硅、非晶硅锗、微晶硅或微 晶硅锗四种材料中的一种。而且，所述减反射膜采用溶胶凝胶的方法制备，制备方法的步骤为(1)用电子清洗剂清洗、去离子水冲洗玻璃衬底，并用高纯氮气吹干；(2)以正硅酸乙酯TE0S、异丙醇ΙΡΑ、去离子水为原料，HC1、NH4OH为催化剂，配制 硅溶胶；(3)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上，并经固化处理得到具有减反 射膜的光伏玻璃。一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，步骤包括(1)采用溶胶凝胶法在玻璃上制备S^2减反射膜；(2)采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术或溅射技术在玻璃的另一面制备前电极 TCO薄膜；(3)采用PECVD技术在前电极TCO薄膜上制备电池的掺杂层及本征层；(4)采用LPCVD技术或溅射技术制备背电极TCO薄膜；(5)采用蒸发或溅射技术制备Al电极。而且，所述SiO2减反射膜的厚度为400 lOOOnm，折射率在1. 1 1. 4范围内可调。而且，所述S^2减反射膜的具体制备方法的步骤包括(1)在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TEOS与IPA的混合液中加入H20、HCl与IPA 的混合液，TE0S、IPA、H20与HCl摩尔比为1 X1 yi Z1 ；其中X1为1 5，yi为0 2， Z1 为 0. 001 0. 01 ；(2)将上述溶液静置2 4小时；(3)向上述溶液中加入H20、NH40H与IPA的混合液，TOES、ΙΡΑ,H2O,HCl与NH4OH的 摩尔比为1 x2 y2 Z1 ￥1，其中& = 1 1，巧=1 1&为大于0的整数)，72为2 4， 制成硅溶胶，通过调节Y1和y2的值来调节溶胶的性能，从而最终获得不同折射率的薄膜；(4)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上进行固化，固化温度为200 500°C，固化时间为10 300分钟。而且，所述电池的面积在IOOmmX 100謹以上。本发明的优点和积极效果是1、本发明的电池结构为减反射膜/玻璃/TCO/p/i/n/TCO/Al，通过在光伏玻璃上 采用溶胶凝胶的方法制备一层减反射膜，与电池的前电极TCO薄膜相结合获得双层减反的效果，使得太阳电池对入射光的吸收增强，有利于提高太阳电池的光电转换效率。2、本发明采用丝网印刷涂覆的方法可以在大面积上获得均勻的SW2薄膜，所获得 的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的面积在IOOmmXlOOmm以上，有利于在产业 化的硅基薄膜太阳电池的生产中获得应用。3、本发明可获得折射率在1. 1 1. 4范围内连续可调的S^2薄膜，可以更好地满 足减反射膜对光学性能的要求，减反射膜涂覆在玻璃表面，直接与空气接触，SiO2薄膜具有 良好的硬度、介电性质及耐磨、抗蚀等特性，使其满足安全方面的要求。
图1本发明中所述具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的结构示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本发明的保护范围。一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，参见图1，其结构为自上而下分 别为减反射膜层、玻璃衬底层、前电极TCO层、P层、i层、η层、背电极TCO层及Al电极层。 其中，减反射膜层为S^2薄膜，采用溶胶凝胶的方法制备，厚度在400 IOOOnm之间，折射 率在1. 1 1. 4范围内可调；前电极TCO层为为掺杂的SnA薄膜或ZnO薄膜；背电极TCO 层位掺杂的ZnO薄膜；ρ层、i层、η层均为非晶硅、非晶硅锗、微晶硅或微晶硅锗四种材料中 的一种。本结构同样适用于叠层硅基薄膜太阳电池。本电池中的S^2薄膜的具体制备步骤包括(1)在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TEOS与IPA的混合液中加入H20、HCl与IPA 的混合液，TE0S、IPA、H20与HCl摩尔比为1 Xl yl zl ；其中xl为1 5，yl为0 2，zl 为 0. 001 0. 01 ；(2)将上述溶液静置2 4小时；(3)向上述溶液中加入 H20、NH4OH 与 IPA 的混合液，TEOS, IPA、H2O, HCl 与 NH4OH 的摩尔比为1 x2 y2 zl wl，其中x2 = kxl，wl = kzl(k为大于0的整数)，y2为 2 4，制成硅溶胶，通过调节yi和l2的值来调节溶胶的性能，从而最终获得不同折射率的 薄膜；(4)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上进行固化，固化温度为200 500°C，固化时间为10 300分钟。一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其步骤包括(1)采用溶胶凝胶法在玻璃上制备S^2减反射膜；具体制备步骤是a在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TOES与IPA的混合液中加入H20、HCl与IPA的 混合液，TEOS, IPA、H2O 与 HCl 摩尔比为 1 3 1 0. 002 ；b将上述溶液静置2小时；c向上述溶液中加入H20、NH4OH与IPA的混合液，TEOS, IPA、H2O, HCl与NH4OH的 摩尔比为1 6 4 0. 002 0.004，制成硅溶胶；
d将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于玻璃上进行固化，固化温度为200°C，固化时 间为180分钟。(2)采用LPCVD技术在玻璃的另一面制备前电极TCO薄膜，制备条件为二乙基 锌(DEZn)流量:135sccm, H2O流量:165sccm，乙硼烷(B2H6)的掺杂浓度2%，反应压强 0. 5mbar，衬底温度:150°C ；(3)采用PECVD技术在前电极TCO薄膜上制备电池的掺杂层及本征层，ρ层为掺硼 的uc-Si薄膜，i层为本征a-Si薄膜，η层为掺磷的a_Si薄膜；(4)采用溅射技术制备背电极TCO薄膜，制备条件为ZnO靶材(Al2O3的掺杂浓度 为Iwt % )，氩气流量300sccm，反应压强:3 X l(T3mbar，室温；(5)采用溅射技术制备Al电极，制备条件为A1靶材(纯度99. 95%)，氩气流量 400sccm，反应压强3 X KT3Hibar，室温。本发明未详细叙述部分为现有技术。
权利要求
1.一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，其特征在于电池结构自上而下分 别为减反射膜层、玻璃衬底层、前电极TCO层、P层、i层、η层、背电极TCO层及Al电极层， 其中，减反射膜层为SiO2薄膜，厚度在400 IOOOnm之间，折射率在1. 1 1.4范围内可调。
2.根据权利要求1所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，其特征在于所 述TCO层为透明导电氧化物薄膜，前电极TCO层为掺杂的SnO2薄膜或ZnO薄膜；背电极TCO 层为掺杂的ZnO薄膜；ρ层、i层、η层均为非晶硅、非晶硅锗、微晶硅或微晶硅锗四种材料中 的一种。
3.根据权利要求1所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池，其特征在于所 述减反射膜采用溶胶凝胶的方法制备，制备方法的步骤为(1)用电子清洗剂清洗、去离子水冲洗玻璃衬底，并用高纯氮气吹干；(2)以正硅酸乙酯TE0S、异丙醇ΙΡΑ、去离子水为原料，HC1、NH4OH为催化剂，配制硅溶胶；(3)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上，并经固化处理得到具有减反射膜 的光伏玻璃。
4.一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于制备方法 的步骤包括(1)采用溶胶凝胶法在玻璃上制备SiO2减反射膜；(2)采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术或溅射技术在玻璃的另一面制备前电极TCO薄膜；(3)采用PECVD技术在前电极TCO薄膜上制备电池的掺杂层及本征层；(4)采用LPCVD技术或溅射技术制备背电极TCO薄膜；(5)采用蒸发或溅射技术制备Al电极。
5.根据权利要求4所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特 征在于所述SiO2减反射膜的厚度为400 lOOOnm，折射率在1. 1 1. 4范围内可调。
6.根据权利要求4或5所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法， 其特征在于所述SiO2减反射膜的具体制备方法的步骤包括(1)在磁力搅拌器的快速搅拌下，向TEOS与IPA的混合液中加入H20、HCl与IPA的混 合液，TE0S、IPA、H20与HCl摩尔比为1 X1 Y1 Z1 ；其中X1为1 5，yi为0 2，Z1为 0. 001 0. 01 ；(2)将上述溶液静置2 4小时；(3)向上述溶液中加入H20、NH4OH与IPA的混合液，TOES、ΙΡΑ、H2O,HCl与NH4OH的摩 尔比为1 & y2 Z1 W1，其中& = kXl，W1 = kZl(k为大于0的整数)，％为2 4， 制成硅溶胶，通过调节Y1和y2的值来调节溶胶的性能，从而最终获得不同折射率的薄膜；(4)将硅溶胶用丝网印刷的方法涂覆于光伏玻璃上进行固化，固化温度为200 500°C，固化时间为10 300分钟。
7.根据权利要求4所述的具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池的制备方法，其特 征在于所述电池的面积在IOOmmXlOOmm以上。
全文摘要
本发明提出了一种具有减反射膜的大面积硅基薄膜太阳电池及其制备方法，电池结构为减反射膜/玻璃/TCO/p/i/n/TCO/Al，通过在光伏玻璃上采用溶胶凝胶的方法制备一层减反射膜，与电池的前电极TCO薄膜相结合获得双层减反的效果，使得太阳电池对入射光的吸收增强，有利于提高太阳电池的光电转换效率；另外，本发明采用的方法简单易行，可在大面积上获得性质均匀的减反射膜，有利于在产业化的硅基薄膜太阳电池的生产中获得应用。
文档编号C03C17/27GK102104085SQ20101058717
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者张亚萍, 曹丽冉, 汪洋 申请人:天津市津能电池科技有限公司