专利名称：光伏电池器件的背反射层的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及薄膜光伏器件，特别涉及一种用于薄膜光伏器件的多材料层的改善型背反射层结构。更特定地，本发明提供一种加强型背反射层，其具备绒面织纹并具有高反射率、高良品率及长寿命稳定性，可应用于薄膜硅基光伏器件。
背景技术：
近年来，薄膜光伏器件已得到了深入的研究和发展，其可通过将诸如薄膜硅基a_Si、a-SiGe、nc_Si或μ -Si层，CdS/CdTe及CdS/CulnSe2层等的所谓薄膜半导体太阳能电池材料形成在诸如玻璃、不锈钢等的低成本基板上来生产。通常，在光伏半导体层的下 面应用一高光反射率的背反射层来改善器件的性能。通常，还将具有高绒面织纹的一背反射层应用在光伏器件上，以提供一光漫反射面，达成更好的光捕捉能力，进一步提高器件效率。背反射层将已透过但还没有被吸收的部分太阳光反射和/或漫射回半导体层，以进一步吸收。图I反映了现有的制作在一金属基板上的a-Si (非晶硅)基薄膜太阳能电池器件，该金属基板上涂有传统的具有高反射率的光滑背反射层。太阳能电池器件100包括一金属基板101，例如一不锈钢箔，用于背接触并作为器件支撑；一背反射层102，其包括一高反射且光滑的金属层103和一透明且导电的氧化物(TCO)缓冲层104 a-Si基半导体太阳能材料105 前接触TCO层106 ;以及前接触电极栅107。图2反映了现有的制作在一金属基板上的a-Si基薄膜太阳能电池器件，该金属基板上涂有高光散射、高绒面织纹的背反射层。太阳能电池器件200包括一金属基板201，例如一不锈钢箔，用于背接触并作为器件支撑；一背反射层202，其包括一具有绒面织纹的金属层203和一透明且导电的氧化物(TCO)缓冲层204 a-Si基半导体太阳能材料205 ；一前接触TCO层206 ;以及前接触电极栅207。几种材料可用作上述器件中的背反射层。纯银层是反射性最高的材料，其在600nm至1200nm的波长范围内具有约95%或更高的积分全反射率(US专利5，668，050，名称太阳能电池制造方法)。对于600nm至IOOOnm的波长范围，铜(Cu)/ZnO BR层提供彡90%的全反射率，而铝(Α1)/Ζη0 BR层仅提供约85%的全反射率。不锈钢层仅提供约45%的全积分反射率。现有的研究也显示，铝金属层可经在约300°C的高基板温度下生产而具有一有绒面织纹的表面。然而，当薄膜硅材料直接沉积在铝金属层上时，可能会发生硅层与铝层间的相互扩散。优选地，在硅层与铝金属反射层中间引入一 ZnO缓冲层以防止此类相互扩散。
发明内容
本发明涉及一种用于光伏器件的多材料层的背反射层(BR)结构。更具体地，本发明提供一背反射层，其具有绒面织纹、高反射率、高良品率及长寿命稳定性，可应用于薄膜太阳能光伏器件。该背反射层结构包括(i) 一带绒面织纹的第一金属或合金层(在下文中称为第一金属层)，例如铝(Al)，其形成在一金属(例如不锈钢)或聚合物(例如卡普顿Kapton)基板上；(ii) 一薄氧化物或氮化物阻挡层(在下文中称为第一阻挡层)，例如氧化锌(ZnO),其形成在第一金属层上；(iii) 一第二反射金属或合金层(在下文中称为第二金属层)，例如银(Ag)，其形成在第一阻挡层上；(iv) —透明的氧化物或氮化物阻挡层(在下文中称为第二阻挡层)，例如氧化锌，其形成在第二金属层上。本发明针对一薄膜光伏器件，其包括一基板和沉积在该基板上的一背反射层。该背反射层具有一带绒面织纹的金属层、一高反射金属层以及定位在绒面织纹层与高反射层之间的一第一阻挡层。一薄膜半导体太阳能材料定位在所述背反射层上。一前接触TCO层定位在半导体材料上。一前接触电极栅定位前TCO层上。在研究了以下对优选实施例的描述及附图之后，本发明的其他目的和优点对本领域的技术人员来说是显而易见的。
图1为现有的一种制作在一金属基板上的a-Si基薄膜太阳能电池器件的横剖面视图，金属基板上涂有传统的高反射率的光滑背反射层。图2为现有的一种制作在一金属基板上的a-si基薄膜太阳能电池器件的横剖面视图，金属基板上涂有高光散射的有绒面织纹的背反射层。图3为一根据本发明的制作在一金属基板上的薄膜太阳能电池器件的横剖面视图，金属基板上涂有有织纹且高反射的背反射层。图4为表不本发明的背反射层的反射率的图表。图5为表示本发明的背反射层的反射率的图表。图6为表不本发明的背反射层的反射率的图表。图7为表示本发明的背反射层的反射率的图表。图8为表不本发明的背反射层的反射率的图表。图9为表不本发明的背反射层的反射率的图表。图10为表示本发明的背反射层的反射率的图表。
具体实施例方式图3反映了一种根据本发明的制作在一金属基板上的薄膜太阳能电池器件，在金属基上板涂有一带绒面织纹且高反射的背反射层。太阳能电池器件300包括一金属基板301，例如一不锈钢箔，用于电背接触和器件支撑；一带绒面织纹且高反射的背反射层302 ；一 a-Si基半导体太阳能材料307 前接触TCO层308 ;以及前接触电极栅309。如图3所示的带绒面织纹且高反射的背反射层302，其包括(i)由Al制成的一带绒面织纹的金属层303，其具有在约IOOnm至约2000nm范围内的随机或周期的织纹长度(图3中标记为L)，以及在约50nm至约IOOOnm范围内的随机或周期的织纹峰_谷高度(如图3中标记为H) ；(ii) 一第一阻挡层304，例如具有约IOnm至约200nm厚度的ZnO层(iii)一高反射金属或合金层305，例如具有约30nm至约300nm厚度的Ag (O. 7) Pd (O. I) Cu (O. 2)，其形成在第一阻挡层上；(iv) —第TCO阻挡层306，例如具有约IOOnm至约4000nm厚度的
ZnO层,其形成在第二金属层上。带有随机或周期织纹表面的第一绒面金属层303具有在约20nm至约IOOOnm范围内的平均表面粗糙度Ra。背反射层结构包括(i) 一有绒面织纹的金属或合金层303 (在下文中称为一第一金属层)，例如铝(Al)，其形成在一金属(例如不锈钢)或聚合物(例如卡普顿(Kapton))基板301上；(ii) 一薄氧化物或氮化物阻挡层304 (在下文中称为一第一阻挡层)，例如氧化锌(ZnO),其形成在该第一金属层 上；(iii) 一反射金属或合金层305 (在下文中称为一第二金属层)，例如银(Ag)，其形成在该第一阻挡层304上；(iv) —透明导电的氧化物或氮化物阻挡层(在下文中称为一第二阻挡层)，例如氧化锌，其形成在该第二金属层上。数据显示，与采用传统Al/ΖηΟ背-反射层制成的太阳能电池相比，利用本发明的具有带绒面织纹且高反射的Al/ZnO/Ag/ZnO结构的增强型背_反射层制成的大面积卷对卷薄膜硅太阳能电池提高10%至15%的效率。改善长期稳定性的一个方法是使用Ag合金。已发现，优选与Ag形成合金的金属为Pd和Cu。实际情况显示,这些金属(Pd和Cu)改善Ag的耐蚀性。添加Pd也将减弱Ag向半导体材料的迁移。根据本发明的背反射层的关键要素如下I.银提供比其他例如Al、Cu、Zn等金属层更高的反射率，然而，归因于其柔软的性质，银层很容易变形。银层的变形可导致叠加的多个太阳能电池层变形。此种变形会导致初始太阳能电池制造工艺期间的短路结、夹层剥落或裂缝，以及低良品率。此外，归因于银固有的迁移趋向，当在高水分环境的户外长期应用时，具有银背反射层(Ag BR)的薄膜硅太阳能电池可能会有长期稳定性问题。Ag BR是高反射性的，但是据知因上述原因而提供了较低的良品率。2.铝背反射层(Al BR)具有比Ag BR低的反射率。但是Al BR具有可采用低沉积温度而仍有较好的绒面织纹的特性。Al BR还具有更高的良品率，很可能是由于其与基板的更好的粘合。3.本发明的层状背反射结构，例如Al/ZnO/Ag/厚ZnO，提供了各材料和层的最好的特征；A1层提供较好的绒面织纹和良品率，而Ag层提供较好的反射，且这种层状结构产生了一种改善的背反射层。4.还已知的是，Ag BR在潮湿条件下因Ag迁移而提供了较差的稳定性。5.厚ZnO层(大于0. 5微米)和/或与Ag成合金的Pd会降低潮湿条件下的迁移，改善稳定性并产生一种改善的背反射层。此外,背反射层中的Ag被做成Zn0/Ag/Zn0夹层结构，其提供了更好的硬度(较低的变形性)，更好的粘合，较低的迁移，从而提供了更好的良品率和长期稳定性。实例I制作在不锈钢(SS)箔基板301上的一背反射层302具有如图3所示的结构，其包括(i) 一 300nm厚度带绒面织纹铝层的第一金属层303，其具有一随机织纹表面，该层具有240nm的均方根(RMS)表面粗糙度Rnns,以及480nm的最大峰至谷Rp_v ； (ii) 一厚度为30nm的ZnO层的第一阻挡层304; (iii) —高反射银层的第二金属层305，厚度为50nm，其形成在第一阻挡层上；(iv) — ZnO层的第二 TCO阻挡层306，厚度为650nm，其形成在第二金属层上。图4展示一 BR的全反射光谱(曲线4a)和漫反射光谱(曲线4b)，其中BR具有上述结构SS/300nm-Al/30nm-Zn0/50nm-Ag。曲线4a在500nm至IOOOnm的波长范围之间显不80 %至88 %的高全反射率，而曲线4b在500nm至IOOOnm的波长范围内显示80 %至85 %的
高漫反射率。作为对比，还在图5中图示了一 BR的全反射光谱(曲线5a)和漫反射光谱(曲线5b)，其中BR具有仅有SS/300nm-Al层而没有30nm-Zn0/50nm_Ag层的结构。对于具有一带绒面织纹Al-层表面的BR而言，曲线5a在750nm至900nm的波长范围内显示一全反射率谷，在832nm波长()处具有76 %的最小全反射率；而曲线5b在a=832 nm处显示55 %的高漫反射率。实例2
制作在SS箔基板301上的一背反射层302具有如图3所示的结构，其包括(i)一 300nm厚度带绒面织纹铝层的第一金属层303，其具有与实例I中的Al-层相同的一随机织纹表面；(ii) 一 ZnO层的第一阻挡层304，厚度为30nm ; (iii) —高反射银层的第二金属层305，厚度为lOOnm，其形成在第一阻挡层上；(iv) — ZnO层的第二 TCO阻挡层306，厚度为650nm，其形成在第二金属层上。图6展示一 BR的全反射光谱(曲线6a)和漫反射光谱(曲线 6b)，其中 BR 具有上述结构 SS/300nm-Al/30nm-Zn0/150nm-Ag。曲线 6a 在 500nm 至IOOOnm的波长范围内显示90%至98%的非常高的全反射率，而曲线6b在500nm至IOOOnm的波长范围内显示88%至70%的高漫反射率。实例3制作在SS箔基板301上的一背反射层302具有如图3所示的结构，其包括(i)一 300nm厚度带绒面织纹铝层的第一金属层303，其具有与实例I中的Al-层相同的一随机织纹表面；(ii) 一 ZnO层的第一阻挡层304，厚度为30nm;(iii) —高反射银层的第二金属层305，厚度为200nm，其形成在第一阻挡层上；(iv) — ZnO层的第二 TCO阻挡层306，厚度为650nm，其形成在第二金属层上。图7展示一 BR的全反射光谱(曲线7a)和漫反射光谱(曲线 7b)，该 BR 具有上述结构 SS/300nm-Al/30nm-Zn0/200nm-Ag。曲线 7a 在 500nm 至IOOOnm的波长范围内显示92%至98%的极好的全反射率，而曲线7b在500nm至IOOOnm的波长范围内显示92%至88%的非常高的漫反射率。实例4制作在SS箔基板301上的一背反射层302具有如图3所示的结构，其包括(i)一 300nm厚度带绒面织纹铝层的第一金属层303，其具有与实例I中的Al-层相同的一随机织纹表面；(ii) 一 ZnO 层的第一阻挡层 304，厚度为 30nm;(iii) 一 Aga7Cua2Pda i (70% Ag、20% Cu、10% Pd)的第二金属银合金层305，厚度为50nm，其形成在第一阻挡层上；(iv) —ZnO层的第二 TCO阻挡层306，厚度为650nm，其形成在第二金属层上。图8展示一 BR的全反射光谱(曲线8a)和漫反射光谱(曲线8b)，该BR具有上述结构SS/300nm-Al/30nm-Zn0/50nm-Ag0 7Cu0 2Pd0 ! 曲线8a在400nm至800nm的波长范围内显示30%至65%的降低的全反射率，归因于Ag-Cu-Pd合金，其由表面上的铜吸收来控制，而在800nm至1400nm的波长范围内显示65%至80%的全反射率。曲线8b在400nm至800nm的波长范围内显示30%至60%的相应的低漫反射率,而在800nm至1200nm的波长范围内显示60%至67%的漫反射率。
实例5制作在SS箔基板301上的一背反射层302具有如图3所示的结构，其包括(i)一 300nm厚度带绒面织纹铝层的第一金属层303，其具有与实例I中的Al-层相同的一随机织纹表面；(ii) 一 ZnO 层的第一阻挡层 304，厚度为 30nm；(iii) 一 Aga7Cua2Pda i (70% Ag、20% CuUO % Pd)的第二金属银合金层305，厚度为150nm，其形成在第一阻挡层上；(iv) —ZnO层的第二 TCO阻挡层306，厚度为650nm，其形成在第二金属层上。图9展示一 BR的全反射光谱(曲线9a)和漫反射光谱(曲线9b)，该BR具有上述结构SS/300nm-Al/30nm-Zn0/ISOnm-Aga7Cua2Pdait5与图8中的曲线相比，曲线9a在400nm至800nm的波长范围内显示50%至84%的提高了的全反射率，在800nm至1200nm的波长范围内显示84%至92%的高全反射率。曲线9b在400nm至800nm的波长范围内显示50%至65%的相应的漫反射率，而在800nm至1200nm的波长范围内显示65%至50%的漫反射率。实例6 制作在SS箔基板301上的一背反射层302具有如图3所示的结构，其包括(i)一 300nm厚度带绒面织纹铝层的第一金属层303，其具有与实例I中的Al-层相同的一随机织纹表面；(ii) 一 ZnO 层的第一阻挡层 304，厚度为 30nm；(iii) 一 Aga7Cua2Pda i (70% Ag、20% CuUO % Pd)的第二金属银合金层305，厚度为200nm，其形成在第一阻挡层上；(iv) —ZnO层的第二 TCO阻挡层306，厚度为650nm，其形成在第二金属层上。图10展示一 BR的全反射光谱(曲线IOa)和漫反射光谱(曲线10b)，该BR具有上述结构SS/300nm-Al/30nm-Zn0/200nm-Aga7CuQ.2PdQ.i。曲线 IOa 在 400nm 至 800nm 的波长范围内显示 44%至 78% 的全反射率，而在800nm至1200nm的波长范围内显示78%至89%的全反射率。曲线IOb在400nm至800nm的波长范围内显示44%至74%的相应的漫反射率,而在800nm至1200nm的波长范围内显示74%至78%的漫反射率。实例7一 a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结太阳能电池材料307分别制作在以上实例1-6中所描述的各背反射层302上。在每一 BR条件下制造相应的太阳能PV组件，并将其暴露于1000小时的湿热环境测试(85°C，85% )。相应的太阳能组件性能概括在表I中并在其中比较。表I每一 BR条件下的各太阳能PV组件的1000小时湿热测试前后的PV组件性倉泛
权利要求
1.一种薄膜光伏电池器件，包括一基板；一背反射层，该背反射层沉积在所述基板上，所述背反射层具有一带绒面织纹的金属层、一高反射金属层以及一第一阻挡层，第一阻挡层位于绒面织纹层与高反射层之间；一薄膜半导体太阳能材料，定位在所述背反射层上；一前接触TCO层，定位在所述半导体材料上；一前接触电极栅，定位在所述前接触TCO层上。
2.如权利要求I所述的器件，它还包括一第二TCO阻挡层，位于高反射金属层的一侧， 第二 TCO阻挡层与第一阻挡层相间隔开，其中，所述的绒面织纹层包括一带绒面织纹的金属或金属合金层，所述高反射层包括一金属或金属合金层。
3.如权利要求I所述的器件，其中，所述薄膜半导体太阳能材料包括至少一个由非晶娃形成的n-i-p结。
4.如权利要求2所述的器件，其中，所述带绒面织纹的金属层包括一种金属或金属合金，其与高反射层所包括的金属或金属合金不同。
5.如权利要求2所述的器件，其中，所述带绒面织纹的金属或合金层由选自一材料组中的材料形成，该材料组优选包括招、招合金、锌、锌合金、铜、铜合金及前述材料的组合。
6.如权利要求2所述的器件，其中，所述带绒面织纹的金属或金属合金层具有约IOOnm 至约2000nm范围内的一随机或周期的织纹长度、约50nm至约IOOOnm范围内的一随机或周期的织纹高度、约Inm至约IOOOnm范围内的一 Rnns表面粗糙度。
7.如权利要求2所述的器件，其中，所述第一阻挡层为厚度约IOnm至约200nm的一氧化锌阻挡层。
8.如权利要求2所述的器件，其中，所述高反射金属或合金层为银或一银合金，厚度为约 30nm 至约 500nm。
9.如权利要求2所述器件，其中，所述第二TCO阻挡层为厚度约IOOnm至约4000nm的 ZnO 层。
10.如权利要求2所述的器件，其中，所述背反射层在电磁波谱的500nm至IOOOnm波长范围内具有约80%至约98%的全反射率。
11.如权利要求6所述的器件，其中，所述Rms表面粗糙度在约40nm至约400nm的范围内。
12.如权利要求7所述的器件，其中，所述第一阻挡层为ZnO，厚度为约IOnm至约80nm。
13.如权利要求8所述的器件，其中，所述高反射层为与Pd和Cu成合金的银。
14.如权利要求10所述的器件，其中，所述背反射层在电磁波谱的500nm至IOOOnm波长范围内具有等于或大于70%的漫反射率。
15.如权利要求13所述的器件，其中，所述背反射层在电磁波谱的SOOnm至1400nm波长范围内具有大于65%的全反射率,在电磁波谱的400nm至1200nm的波长范围内具有大于 30%的漫反射率。
16.如权利要求14所述的器件，其中，所述背反射层在电磁波谱的500nm至IOOOnm波长范围内具有等于或大于80%的漫反射率。
17.如权利要求15所述的器件,其中,所述漫反射率在电磁波谱的400nm至1200nm的整个波长范围内等于或大于44%。
18.如权利要求17所述的器件,其中,所述漫反射率在电磁波谱的400nm至1200nm的整个波长范围内等于或大于50%。
19.一种薄膜光伏电池器件，包括一不锈钢基板；一背反射层，该背反射层沉积在所述基板上，所述背反射层具有一带绒面织纹的金属或金属合金层、一高反射银或银合金层、位于带绒面织纹的层和高反射层之间的一第一阻挡层以及位于高反射金属层一侧的一第二 TCO阻挡层，该第二 TCO阻挡层与第一阻挡层相间隔开，背反射层在电磁波谱的SOOnm至1200nm的波长范围内具有大于70%的全反射率；一非晶硅薄膜半导体太阳能材料，定位在所述背反射层上；一前接触TCO层，定位在所述半导体材料上；一前接触电极栅，定位在所述前接触TCO层上；其中该光伏器件产生一稳定功率输出，该稳定功率输出损失不超过其初始最大输出功率的12%。
20.如权利要求19所述的器件，其中，带绒面织纹的金属或金属合金层具有约IOOnm至约400nm的一 Rnns表面粗糙度。
全文摘要
本发明涉及一种用于薄膜光伏器件的多材料层的改善型背反射层结构。本发明提供一种加强型背反射层，其具有绒面织纹、高反射率、高良品率及长期稳定性，可应用于薄膜硅基光伏器件。背反射层结构包括(i)一带绒面织纹的第一金属或合金层，例如铝(Al)，其形成在一金属(如不锈钢)或聚合物(如卡普顿(Kapton))基板上；(ii)一薄氧化物或氮化物第一阻挡层，例如氧化锌(ZnO)，其形成在第一金属层上；(iii)一第二反射金属或合金层，例如银(Ag)，其形成在第一阻挡层上；(iv)一透明的氧化物或氮化物第二阻挡层，例如氧化锌，其形成在第二金属层上。
文档编号H02N6/00GK102934350SQ201080040647
公开日2013年2月13日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月9日
发明者曹新民 申请人:美国迅力光能公司