专利名称：薄膜光伏器件中增强光捕获效应的方法
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(laser patterning)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， 是高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 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。 已经尝试过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，另外，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。所以光学工程的办法在 制造薄膜硅电池过程中起很重要的作用。背电极对于基于薄膜氢化非晶硅和纳米品硅的太阳能电池(也叫做薄膜光伏或光电器 件)，尤其是大面积光伏模块的高性能和可靠性致关重要，其中高效的捕光能力对于捕获弱吸 收光是不可缺少的因素。背电极的有效反光特性把不能吸收的光线直接反射回去。反射最好 是以一个很大的角度(散射式)进行，这样光可以进入硅吸收层中以较大的机率被捕获，从 而增加光电流。但是由于反射性的背电极具有较平坦的与n层形成的界面，所以反射光的角 度通常达不到使其可以具有全部内反射的临界角度。所以为了增大背电极光反射的散射角度， 该电极表面必须具有在微米尺寸上的非平坦结构。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。本发明的进一歩目的是，改善基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器件的光学设计，从而增强 其对长波光的反应。为了达到上述目的，本发明采用一种改进薄膜硅p-i-n型太阳能电池的反射背电极的光散 射能力的方法。具体做法是在形成基于硅薄膜的p-i-n结构时，沉积一个厚度不小于300纳米 的n层，然后用蚀刻的方法处理n层，使其表面产生尺寸为微米左右的非平坦结构(绒面结 构)，然后在n层上形成具有高度光反射率的背电极。由于反射背电极的表面依n层表面具有 非镜状的高散射结构，所以未被吸收的长波光得以超过其临界角度，被反射回i层之中，从 而以完全内反射的方式被吸收并导致光电流的增加。对于硅薄膜电池来讲，所指的长波光主 要包括700-1100纳米的波长范围，特别是800-1000纳米。能够改善对这部分太阳能辐射的 吸收对于提高薄膜光伏器件的输出功率有十分重要的意义。这个粗糙的n层结构同样适用与单结光伏器件和多结光伏器件的最后一个n层。
下面结合附图和实施例对本发明做进一歩说明。 附图显示了一个具有非平坦n层表面的p-i-n型光伏器件层状结构。
具体实施方式
如附图所示， 一个p-i-n型光伏器件，它的构成包括 一个玻璃基板l; 一个透明导电前接触层2， 一个硼掺杂的基于薄膜硅的p层6、 一个本征的基于薄膜硅的i层8， 一个磷掺杂 的基于薄膜硅的n层9和一个由金属氧化物22和金属薄膜45组成的高度反光的背电极。在 使用等离子体增强化学气相沉积方式获得p-i-n层时，本发明特意先将n层做得相当厚，比如 不小于300纳米。在此之后，该器件被具有蚀刻性的等离子体处理，所使用的等离子体源气 体包括氢气、含氟气体和含氯气体，比如NF3, CC14。这个等离子体蚀刻过程是在相对高的 气压下，比如大于4mbar，在较高的功率下进行，从而使得蚀刻过程具有很明显的区域性、 非均匀性。从而导致被蚀刻的n层表面随蚀刻时间而变得越来越不平滑，最终导致有微米尺 寸的表面结构，如附图中所示的非平坦界面99。在这之后形成高反射性背电极的过程依照通 常的方法进行，譬如将氧化锌和铝薄膜依次沉积到器件之上。由于背电极的表层完全跟随ii 层的表面，所以如此获得的背电极的反射过程同时具有极强的散射效应，这是通常薄膜太阳 能电池所不具有的特性。当然最有效的高散射性反射效果可以通过使用一个较厚的氧化锌透 明导电层作为背电极(没有金属薄膜)，并在其后施加一个高白度的反光涂层，就像使用在普通光学器件中的反光层一样。使n层变得不平滑的方法也包括湿化学处理，比如在含有氢氯酸的溶液中进行，如果在 溶液中加入一些很小的玻璃球，则n层腐蚀后的表面也可具有所需要的非平坦结构。
权利要求
1. 一个p-i-n型光伏器件，它的构成包括一个透明导电前接触层，一个硼掺杂的基于薄膜硅的p层、一个本征的基于薄膜硅的i层，一个磷掺杂的基于薄膜硅的n层和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n层是将一个较厚的n型薄膜用蚀刻的方法获得，且其表面具有明显的非平坦结构，使得该n层与反光背电极的界面导致未被吸收的长波光以较大的散射角度被反射回i层之中。从而改善对弱吸收光的捕获，提高硅薄膜太阳能光伏器件的转换效率。
2、 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于在所述p层之甜，安置有-一 个或更多个p-i-n型光伏单元，从而形成多结光伏器件。
3、 根据权利要求l所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述高度反光的背电极包含 氧化锌薄膜和银薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种改进薄膜硅p-i-n型太阳能电池对长波辐射感应的方法。其特征是对一个较厚的n层进行蚀刻处理，导致该层具有微米尺寸的非平坦结构，而在其后置放高度反射的背电极使未被吸收的长波光以较大的角度再次进入光伏转换层的i层中。从而达到全部内反射效果，以改善对弱吸收光的捕获，从而提高硅薄膜太阳能光伏器件的转换效率。
文档编号H01L31/075GK101246922SQ20071000497
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