专利名称：增强薄膜光伏器件光吸收的方法
技术领域：
本发明属于太阳能光伏器材领域，特别涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技术。
技术背景最近几年，光伏电池和大面积光伏模块的发展引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶 硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出巨大的潜力。在 260°C以下这样较低的温度下生产薄膜硅光伏器件的一个显著特点是，大面积沉积的与硅相 关的半导体膜层和电接触膜层具有优良性能。同时，使用良好成熟的镀膜设备和程序，可以 工业化地制成低成本的模板。施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺，允许 多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模块。对于光伏器件，特别是薄膜光伏器件来讲，使其性能优良的关键是优化半导体光电转换 层对光能的吸收，并同时减少器件中的光损耗。在很薄的吸收层里能够最大限度的吸收光能， 是髙转换效率的必备条件。氢化薄膜硅所构成的太阳能电池通常具有p-i-n结构，其中p层和 n层是不活跃的"死层"，它们在非掺杂的i层中建立一个内置电场，从而使得光致载流子被 有效的收集。其吸收层的厚度一般只有几百个微米，最多不超过大约2000微米。而且氢化硅， 特别是非晶硅薄膜的红光和红外光的吸收系数都比较低，所以有很大部分的阳光不能被有效 的利用起来。基于氢化硅薄膜的p-i-n结构被夹在前后两个电极(电接触层)中，而形成完整 的光伏元件。通常使用的前电极必须具有良好的透明度和导电性，它通常是由透明导电氧化 物(TCO)构成，譬如厚度为600-900纳米的被掺杂的氧化锡或氧化锌薄膜。后电极通常由 一个TCO和金属薄膜共同组成，其一个重要作用就是将未被吸收的光反射回p-i-n结构之中。 人们已经尝试过用各种各样的办法来改善对光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前电极，另 夕卜，也使用过反光率很高的背电极，使得未被吸收的光再一次被投回到电池中。对于非晶硅 电池来讲吸收层i层也不能做得很厚，原因是该材料具有光质衰减的缺陷。所以卓越的光学 设计对于像氢化硅这样的薄膜太阳能电池的转换效率起有决定性作用。通常，为了增加有限厚度的半导体薄膜对光的吸收，薄膜光伏器件的前透明导电层都被 做得具有非平坦表面结构，使得入射光在前电极与半导体光伏材料的界面得到散射，从而增 加光子被半导体薄膜吸收的概率。但是，在实际生产过程中，很难在TCO镀膜过程中，直接 获得具有高度表面结构的透明半导体薄膜，特别当其厚度低于700纳米时，比方说高度生长的氧化锡的厚度通常要在700-800纳米之后，才会表现出令人满意的对光具有折射作用的粗 糙性。但是氧化锡的粗糙性往往与其电导率成反比。另外一种常用的透明导电膜是氧化锌， 其通常的生长办法是磁控溅射，所获得的材料具有镜面的平滑度。所以人们往往要将镀好的 氧化锌膜放到HCL的液体中，用蚀刻的办法使其表面产生起伏结构。这种办法在实际生产中 很难运用，而且对于环境和安全操作都有很大的挑战。发明内容基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的提高基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器 件的转换效率。本发明的进一步目的是，改善基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器件的透明前电极的光学特 性，从而增强光伏器件对弱吸收光的反应。为了达到上述目的，本发明采用一种增强薄膜光伏器件光吸收的方法。首先在玻璃基板 上形成透明前电极，然后对该前电极进行处理，使其表面具有明显的微米尺寸的粗糙结构。 然后在这个TCO之上，形成基于氢化硅薄膜的p-i-n型光伏单元和反光背电极。这些随后沉 积的半导体和背电极薄膜在极大程度上保持了 TC(〕的粗糙表面结构。所以入射的太阳光在进 入p-i-n光伏单元之前在TCO与氢化硅薄膜的界面上受到散射。而未被光伏元件吸收的长波 光，在背电极的两个界面上也受到两次散射性的反射，以较大的角度回到光电转换区域。所 以依照本发明制造的薄膜光伏器件具有良好的"光陷阱"效应，它对于捕获弱吸收光和提高 光电转换效率十分有益。本发明同样适用于由单一 p-i-n光伏单元构成的单结光伏器件，和由多个p-i-n光伏单元 叠加而成的多结光伏器件。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。图1描述了将透明前电极表面粗糙化的过程示意图。图2显示了依据本发明制造的薄膜太阳能电池的层状结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明的第一步是将透明导电前电极2镀在清洗千净的玻璃基板1上，所 获得的前电极2具有平滑的或较平缓的表面结构27。然后对透明导电前电极2的暴露的一面 进行粗糙化处理，使其获得具有起伏特性的或最好是纹理性的表面结构27。透明前电极的粗 糙化可以由多种方式得到，包括高温下气体的腐蚀，或者室温下用腐蚀液体的加工处理，这 类蚀刻方法最适合于氧化锌薄膜。本发明所强调的是机械化的处理，而这类方法最适合于化学性能极其稳定的氧化锡。具体做法是用细砂束对TCO表面进行扫描式喷击，从而打出密集 的坑状结构，这是目前为止最令人满意的实施方法。另外一种办法是用细砂纸在TCO表面摩 擦。还有一种办法是将尺寸不超过0. 3微米的TCO颗粒牢固的附着在透明前导电极上。在这之后所形成的薄膜光伏器件结构如图2所示，该结构包括 一个玻璃基板1; 一个 透明导电前电极2; —个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元8;第二透明导 电氧化物7和--个或多个金属薄膜45。由于前电极2具有良好的表面结构，其后生长的氢化 硅薄膜8及其后的透明导电氧化物7，大体上保持了这种表面结构。也就是说，入射光在进 入p-i-n光伏单元之前，在前电极与薄膜硅的界面27，受到较大的散射，使光以增大的角度 进入半导体光电转换区域。未被p-i-n光伏单元吸收的长波光也在薄膜硅与第二透明导电氧化 物的界面87和第二透明导电氧化物与金属膜的界面77两次受到大角度的散射性反射，从而 使大部分的弱吸收光以超过全部内反射的临界角度的方向再次进入p-i-n光伏单元，极大地提 高了它们被吸收的机率。所以，本发明所描述的光散射增加效应，随着透明导电前电极表面 27粗糙性的增加而更加明显，因为它提高了所有薄膜层界面的光散射效应。
权利要求
1. 一个p-i-n型光伏器件，它的结构依次包括一个玻璃基板；一个透明导电前电极；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括第二透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于所述透明导电前电极在其被沉积后经过机械或化学处理，使其表面具有粗糙结构，或增加其原有粗糙程度，在该透明导电前电极上形成的薄膜光伏器件，具有良好的对长波光的吸收能力和光电转换效率。
2、 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述透明导电前电极的表面 粗糙性主要来源于其沉积后的机械处理，包括细砂纸的摩擦和细砂束的喷击。
3、 根据权利要求l所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述透明导电前电极的表面 粗糙性主要来源于其沉积后的化学处理，包括在高温下用含酸气体进行蚀刻。
全文摘要
本发明公开了一种增强薄膜光伏器件光吸收的方法。首先在玻璃基板上形成透明前电极，然后对该前电极进行处理，使其表面具有明显的微米尺寸的粗糙结构。在这种非光滑透明前电极上制成的薄膜光伏器件，因有效的光散射而具有更高的对长波光的吸收能力和更高的光电转换效率。
文档编号H01L31/075GK101246920SQ20071000497
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者李沅民, 昕 马 申请人:北京行者多媒体科技有限公司