专利名称：柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光伏电池，特别涉及一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池，本发明还涉及该太阳电池的制造方法。
背景技术：
在目前广泛使用的薄膜太阳电池中，主要采用的是非晶硅薄膜材料，但非晶硅薄膜太阳电池存在两个重要问题:(I)光致衰退效应使电池稳定性不够理想；(2)带隙较宽，材料本身对太阳辐射光谱中长波光吸收不充分，限制了电池效率的进一步提高。为了解决这两个问题，近年来人们广泛开展了非晶硅/微晶硅叠层太阳电池和非晶硅/非晶硅锗叠层太阳电池的研究工作。叠层太阳电池拓展了电池光谱响应范围，提高了光利用率；减小了非晶硅子电池的本征层厚度，光致衰退率下降，即叠层电池同时提高了效率和稳定性。而基于柔性金属箔或聚酯膜衬底的硅基薄膜太阳电池与平板式晶体硅、玻璃衬底薄膜电池等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻、可折叠和不易破碎，能被安置在流线型汽车的顶部、帆船、赛艇、摩托艇的船舱等不平整表面。柔性薄膜电池还可以很方便得安装在房屋等建筑物的楼顶与外墙面上以便充分利用丰富的太阳能。另外由于柔性薄膜电池具有较高的重量比功率，同时具有可弯曲性，非常适用于对地观测的平流层飞艇表面，军事上的利用前景光明。为获得高性能的叠层太阳电池，除了高效率的子电池，如何减少各子电池间的电学连接损失非常重要。通常在子电池之间采用复合隧穿结来获得欧姆接触特性和低的串联电阻，但对复合隧穿结的详细结构目前报道很少。在大面积硅基薄膜太阳电池的制作过程中，由于衬底表面的不规则、针孔、沉积过程中的颗粒污染等引起了电池部分区域的旁路电阻偏小，从而造成电池的分流漏电，形成微观上的“缺陷”和宏观上的“针孔”；同时由于沉积大面积的均匀薄膜相当困难，以致使得硅基薄膜的结构局部发生穿通，严重影响电池的性能和成品率。目前多采用“电压法”，在电池上加一反向电压，将漏电沟道线烧断即可达到治疗目的。但此种方法容易矫枉过正，使部分电池穿通，pn结性能不能再恢复。电化学钝化方法是将柔性衬底上的硅基薄膜太阳电池浸入含Al3+的电解液，在外加电源作用下，溶液中Al3+的离子与电池表面透明导电膜(TCO)的氧元素结合，形成绝缘体从而将电池中的“短路”区域堵上，增大旁路电阻，从而治疗修复电池。目前电化学钝化方法在金属箔衬底电池制备中已得到应用，但在聚酯膜衬底电池制备中还未见报道。在大面积硅基薄膜太阳电池的制作过程中，电流收集栅线的常见制备方法包括电子束蒸发、热真空蒸发、磁控溅射、丝网印刷等，但由于柔性衬底硅基薄膜太阳电池在高温或高离子束能量下容易失效，而丝网印刷制备的栅线其电学性能不够理想，因此提出了将电子束蒸发和磁控派射结合起来的方法，目前未见报道。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了解决上述技术问题，有效综合利用非晶硅、微晶硅、非晶硅锗等光伏薄膜材料，提高电池转化效率和大面积均匀性，获得高效率和高功率重量比的柔性衬底薄膜太阳电池，本发明的目的的第一方案，在于提供一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池。利用本发明，能够在金属箔和聚酯膜衬底上获得具有较高转换效率和重量功率比的太阳电池。为了解决现有技术的不足，本发明目的的另一方案，还提供一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的制造方法，利用该方案，解决了上述柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池微观上的“缺陷”和宏观上的“针孔”，以及柔性衬底硅基薄膜太阳电池在高温或高离子束能量下容易失效，以及丝网印刷制备的栅线其电学性能不够理想等问题。为了达到上述发明目的，本发明的第一方案，为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池，该装置包括:在金属箔或聚酯膜柔性衬底上依次沉积背反射电极、微晶硅(μ c-S1:H)或非晶硅锗(a-SiGe:H)底电池、非晶硅(a_S1:H)顶电池、透明导电薄膜、金属栅线；上述底电池和顶电池间采用复合隧穿结进行电学连接。上述复合隧穿结结构采用等离子体辅助化学气相沉积方法沉积，该复合隧穿结结构为 μ c-Si (P+)/μ c-Si (P++)-μ C-Si (η++)/μ c-Si (n+),其中 μ c_Si (ρ+)为底电池的 ρ 层，厚度为 5nm 50nm ； μ c-Si (p++)的厚度为 Inm IOnm ； μ c-Si (n++)厚度为 Inm IOnm ；μ c-Si (η+)为顶电池的η层，厚度为5nm 50nm。本发明的另一方案，为解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的制造方法，包括如下步骤:步骤一、在清洗处理后的金属箔或聚酯膜柔性衬底上，溅射沉积Ag膜或Al膜，厚度为 IOOnm IOOOnm ；步骤二、在Ag膜或Al膜上，溅射沉积ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一种透明导电薄膜，厚度为IOOnm IOOOnm,完成背反射电极的制备；步骤三、采用等离子体辅助化学气相沉积方法在背反射电极上沉积N、1、P三层硅薄膜构成微晶娃或非晶娃锗底电池，其中N层反应气体为氢气、娃烧、磷烧,厚度为5nm 50nm ；1层反应气体为氢气、娃烧、锗烧,厚度为IOOnm 2500nm ；P层反应气体为氢气、娃烷、硼烷、甲烷，厚度为5nm 50nm ；步骤四、采用等离子体辅助化学气相沉积方法在微晶硅或非晶硅锗底电池上沉积N、1、P三层娃薄膜构成非晶娃顶电池，其中N层反应气体为氢气、娃烧、磷烧,厚度为5nm 50nm ；1层反应气体为氢气、娃烧,厚度为100 500nm ；P层反应气体为氢气、娃烧、硼烧、甲烧，厚度为5nm 50nm ；步骤五、在非晶娃顶电池上,派射沉积ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一种透明导电薄膜，厚度为50nm 200nm ；步骤六、将制备完成透明导电薄膜的太阳电池浸入AlCl3溶液或Al2 (SO4)3溶液，进行电化学钝化；步骤七、在完成电化学钝化的太阳电池透明导电薄膜上电子束蒸发沉积Ag膜或Al膜，再溅射沉积Ag膜或Al膜完成金属栅线的制备，金属栅线的总厚度为I μ m 5 μ m。
本发明柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池及其制造方法，由于采取上述的技术方案，在底电池和顶电池间采用了复合隧穿结进行电学连接，减少了子电池间的连接损失。采用电化学钝化工艺，提高了太阳电池的电学均匀性。采用电子束蒸发结合磁控溅射的方法制备金属栅线，可获得较厚、较平整的金属栅线，同时不会在栅线制备过程中对太阳电池性能造成热损伤和离子损伤。本发明解决了柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池微观上的“缺陷”和宏观上的“针孔”、柔性衬底硅基薄膜太阳电池在高温或高离子束能量下容易失效，以及丝网印刷制备的栅线其电学性能不够理想等问题，提高了电池转化效率和大面积均匀性，获得高效率和高功率重量比的柔性衬底薄膜太阳电池。同时制备工艺简单，可实现规模化生产。
图1为本发明柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的结构示意图；图2为电化学钝化实验装置示意图。
具体实施例方式下面结合
本发明的第一方案，一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的优选实施例。图1为本发明柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的结构示意图，如图1的实施例所示，该装置包括:在金属箔或聚酯膜柔性衬底I上依次沉积背反射电极2、微晶硅(μ c-S1:H)或非晶硅锗(a-SiGe:H)底电池3、非晶硅(a_S1:H)顶电池4、透明导电薄膜5、金属栅线6。上述底电池3和顶电池4间采用复合隧穿结进行电学连接。上述复合隧穿结结构采用等离子体辅助化学气相沉积方法(PECVD)沉积，该复合隧穿结结构为 μ C-Si (P+)/μ C-Si (Ρ++)-μ C-Si (η++)/μ C-Si (n+),其中 μ c_Si (ρ+)为底电池的P层，厚度为5nm 50nm ； μ c-Si (p++)的厚度为Inm IOnm ； μ c-Si (n++)厚度为Inm IOnm ； μ c_Si (n+)为顶电池的η层,厚度为5nm 50nm。下面结合
本发明的第二方案，一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的制造方法，该方法包括如下的步骤:步骤一、在清洗处理后的金属箔或聚酯膜柔性衬底I上，溅射沉积Ag膜或Al膜，厚度为IOOnm IOOOnm ；步骤二、在Ag膜或Al膜上，溅射沉积ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一种透明导电薄膜，厚度为IOOnm IOOOnm,从而完成背反射电极2的制备；步骤三、采用等离子体辅助化学气相沉积方法(PECVD)在背反射电极2上沉积N、1、P三层娃薄膜构成微晶娃或非晶娃锗底电池3,其中N层反应气体为氢气、娃烧、磷烧,厚度为5nm 50nm ；1层反应气体为氢气、硅烷、锗烷，厚度为IOOnm 2500nm ；P层反应气体为氢气、娃烧、硼烧、甲烧，厚度为5nm 50nm。步骤四、采用等离子体辅助化学气相沉积方法(PECVD)在微晶硅或非晶硅锗底电池3上沉积N、1、P三层娃薄膜构成非晶娃顶电池4,其中N层反应气体为氢气、娃烧、磷烧，厚度为5nm 50nm ；1层反应气体为氢气、娃烧,厚度为IOOnm 500nm ；P层反应气体为氢气、硅烷、硼烷、甲烷，厚度为5nm 50nm。
步骤五、在非晶硅顶电池4上，溅射沉积ΙΤ0、SnO2:F、ZnO:Al、ZnOiGa其中一种透明导电薄膜5,厚度为50nm 200nm。步骤六、将制备完成透明导电薄膜5的太阳电池浸入AlCl3溶液或Al2 (SO4) 3溶液，进行电化学钝化。图2为电化学钝化实验装置示意图，如图2所示，将沉积有硅基薄膜和ITO的柔性衬底背反射电极作为阴极浸入AlCl3溶液或Al2(SO4)3溶液，进行电化学钝化。步骤七、在完成电化学钝化的太阳电池透明导电薄膜5上电子束蒸发沉积Ag膜或Al膜，再溅射沉积Ag膜或Al膜，完成金属栅线6的制备，金属栅线的总厚度为I μ m 5 μ m。本步骤中，先采用电子束蒸发沉积Ag膜或Al膜，再溅射沉积Ag膜或Al膜，可获得较厚、较平整的金属栅线，同时不会在栅线制备过程中对太阳电池性能造成热损伤和离子损伤。上述步骤六中，也可将电学上短路的太阳电池样品在装有AlCl3溶液或Al2(SO4)3溶液一类含Al3+离子的溶液的装置中加直流电偏压10秒 120秒，进行电化学钝化，以恢复其电学性能。以下为本发明的一个实施例:以厚度为50 μ m柔性不锈钢(SS)以及厚度为38 μ m柔性聚酰亚胺(Polyimide，PD为衬底1，先采用磁控溅射方法制备了 Ag/ZnO背反射电极2，再采用等离子体增强化学气相沉积方法制备了包含微晶硅底电池3和非晶硅顶电池4的叠层太阳电池结构，制备样品时腔室本底真空优于5X10_5Pa，衬底温度范围100°C 300°C。叠层太阳电池结构为 SS (PI)/Ag/ZnO/n-μ c-Si/1-μ c-Si/ρ.-μ c-Si/p++- μ c-Si/n++- μ c-Si/η.-μ c_Si/1-α -Si/p- μ c-Si/ITO。其中构成复合隧穿结的重掺杂ρ++_ μ c-Si层和重掺杂η++- μ c-Si层厚度均为Inm 2nm。在沉积工艺中，本征微晶硅层(1-yc-Si)采用甚高频(70MHz)电源，其余各层采用射频(13.56MHz)电源。电池面积由ITO电极5定义，为25cm2。在制备完ITO电极后还需要在AlCl3电解液中加300W卤钨灯光照电化学钝化20秒，并在ITO电极上采用电子束蒸发和磁控溅射相结合的方法制备Ag栅线6，栅线总厚度为约1.0 μ m。本实施例样品在25°C，AML 5太阳光谱(1000W/m2)下进行太阳电池输出特性测试。所制备面积为25cm2的柔性衬底硅基双结叠层薄膜太阳电池，不锈钢衬底电池效率最高达到7.79% (开路电压1.285V，短路电流密度9.30mA/cm2，填充因子0.652，采用全面积25cm2计算效率)；聚酰亚胺衬底电池效率最高达到7.06% (开路电压1.277V，短路电流密度8.87mA/cm2，填充因子0.623，采用全面积25cm2计算效率)，功率重量比达到约800W/kg。由上所述，本发明由于在底电池3和顶电池4间采用了复合隧穿结进行电学连接，减少了子电池间的连接损失。采用电化学钝化工艺，提高了太阳电池的电学均匀性。采用电子束蒸发结合磁控溅射的方法制备金属栅线6。应用本发明，可提高电池转化效率和大面积均匀性，获得高效率和高功率重量比的柔性衬底薄膜太阳电池。同时制备工艺简单，可实现规模化生产。
权利要求
1.一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池，其特征在于，该装置包括: 在金属箔或聚酯膜柔性衬底上依次沉积背反射电极、微晶硅(yc-S1:H)或非晶硅锗(a-SiGe:H)底电池、非晶娃(a_S1:H)顶电池、透明导电薄膜、金属栅线；所述的微晶娃(μ c-S1:H)或非晶娃锗(a_SiGe:H)底电池和非晶娃(a_S1:H)顶电池间采用复合隧穿结进行电学连接。
2.如权利要求1所述的多结叠层薄膜太阳电池，其特征在于:所述的复合隧穿结结构为 μ c-Si (ρ+) / μ c_Si (p++) - μ c_Si (n++) / μ c_Si (n+),其中 μ c_Si (p+)为底电池的 p 层，厚度为 5nm 50nm ； μ c_Si (ρ++)的厚度为 Inm IOnm ； μ c_Si (n++)厚度为 Inm IOnm ；μ c-Si (η+)为顶电池的η层，厚度为5nm 50nm。
3.—种如权利要求1所述的柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤一、在清洗处理后的金属箔或聚酯膜柔性衬底上，溅射沉积Ag膜或Al膜，厚度为IOOnm IOOOnm ； 步骤二、在Ag膜或Al膜上，溅射沉积ITO、SnO2: F、ZnO: Al、ZnO: Ga其中一种透明导电薄膜，厚度为IOOnm IOOOnm,完成背反射电极的制备； 步骤三、采用等离子体辅助化学气相沉积方法在背反射电极上沉积N、1、P三层硅薄膜构成微晶娃或非晶娃锗底电池，其中N层反应气体为氢气、娃烧、磷烧,厚度为5nm 50nm ；I层反应气体为氢气、娃烧、锗烧，厚度为IOOnm 2500nm ；P层反应气体为氢气、娃烧、硼烷、甲烷，厚度为5nm 50nm; 步骤四、采用等离子体辅助化学气相沉积方法在微晶硅或非晶硅锗底电池上沉积N、1、P三层娃薄膜构成非晶娃顶电池，其中N层反应气体为氢气、娃烧、磷烧,厚度为5nm 50nm ；1层反应气体为氢气、娃烧,厚度为100 500nm ；P层反应气体为氢气、娃烧、硼烧、甲烧，厚度为5nm 50nm ； 步骤五、在非晶娃顶电池上，派射沉积ITO、SnO2:F、ZnO:Al、ZnO:Ga其中一种透明导电薄膜，厚度为50nm 200nm ； 步骤六、将制备完成透明导电薄膜的太阳电池浸入AlCl3溶液或Al2 (SO4)3溶液，进行电化学钝化； 步骤七、在完成电化学钝化的太阳电池透明导电薄膜上电子束蒸发沉积Ag膜或Al膜，再溅射沉积Ag膜或Al膜完成金属栅线的制备，金属栅线的总厚度为I μ m 5 μ m。
4.如权利要求3所述的多结叠层薄膜太阳电池的制造方法，其特征在于，所述的步骤六中，也可将电学上短路的太阳电池样品在装有AlCl3溶液或Al2 (SO4) 3溶液一类含Al3+离子的溶液的装置中加直流电偏压10秒 120秒，进行电化学钝化恢复其电学性能。
全文摘要
本发明涉及光伏太阳电池，公开了一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池，包括在金属箔或聚酯膜柔性衬底上依次沉积的背反射电极、微晶硅(μc-Si:H)或非晶硅锗(a-SiGe:H)底电池、非晶硅(a-Si:H)顶电池、透明导电薄膜、金属栅线；其中，底电池和顶电池间采用复合隧穿结进行电学连接。本发明还公开了该电池的制造方法，包括溅射沉积背反射电极、沉积微晶硅或非晶硅锗底电池、沉积非晶硅顶电池、溅射沉积ITO、SnO2·F、ZnO:Al、ZnO:Ga等透明导电薄膜、电化学钝化、制备金属栅线等步骤。本发明提高了电池转化效率和大面积均匀性，获得高效率和高功率重量比等有益效果，同时制备工艺简单，可实现规模化生产。
文档编号H01L31/0352GK103077981SQ20111033187
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者刘成, 周丽华, 唐道远, 杨君坤, 王小顺, 陈亮, 曹娜娜 申请人:上海空间电源研究所