CN103367514B - 一种弧形底电极薄膜太阳电池 - Google Patents

Abstract

弧形底电极薄膜太阳电池，从上至下包括依次连接的金属顶电极、透明导电薄膜、P型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜、金属底电极、衬底，金属底电极的上表面具有若干金属导电凸棱，凸棱上方的N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜具有向上凸起的条状鼓包，金属顶电极设置于透明导电薄膜的条状鼓包的两侧。本发明电池的底电极具有弧形或类弧形凸棱，该凸棱深入薄膜内，提高电极对电流的收集能力；底电极上后续淀积的薄膜材料在凸棱对应位置形成的弧形鼓包，增加了薄膜电池的面积，增加了电池的受光面；薄膜的鼓包形成凸透镜，对入射光具有汇聚的作用，提高了电池对光的吸收和利用，进一步提高电池的转换效率。

Description

一种弧形底电极薄膜太阳电池

技术领域

本发明涉及一种弧形底电极薄膜太阳电池，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

光子、电子和声子都是能量的载体。太阳能电池作为光电能量转换器件，主要是光子和电子之间相互交换能量，同时有声子参与这个交换过程。这种能量的相互作用主要发生在太阳电池材料表面数微米的范围内，这为制造薄膜太阳电池提供了物理基础。

非晶硅薄膜太阳电池因其可以显著降低硅的使用量，制备工艺温度低等优点，成为了降低太阳电池成本最有吸引力的硅基太阳电池之一。但是，与其它硅基太阳电池相比，非晶硅薄膜太阳电池的转换效率偏低。

一般来说，提高电池性能的方法主要有：采用多结结构，提高电池对不同波长光的吸收；采用不同的电池材料构成异质结电池；采用特形基板，提高电池对光的吸收等。但这些方法对于电池的制备成本的降低和电池性能的提高有限。因此，研发新型薄膜太阳电池对降低电池成本，提高电池性能有重要的意义。

通常薄膜太阳电池的电极都是采用与薄膜平行的方式。该方式制备的薄膜电极，制备方法简单，性能稳定，但是，该方式的电极对电池性能的提高有限。因此，研究新型薄膜太阳电池电极，提高电池对光的吸收和增加电池受光面积有重要的意义。

现在人们生产的主流薄膜太阳能电池的结构如图1所示，从上而下分别为：绝缘衬底5、透明顶电极1、P型非晶硅薄膜2、本征非晶硅薄膜6、N型非晶硅薄膜3、底电极4。P型非晶硅薄膜2和本征非晶硅薄膜6叠合连接，本征非晶硅薄膜6和N型非晶硅薄膜3再叠合连接，构成一个P-i-N结，顶电极1和底电极4分别置于P型非晶硅薄膜2上端面和N型非晶硅薄膜3下端面，最终形成一单结非晶硅薄膜太阳能电池。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种弧形底电极薄膜太阳电池，电池具有更高的光电转换效率，其生产工艺简单易行。

为了达到上述目的，本发明提出的一种弧形底电极薄膜太阳电池，其特征在于：从上至下包括依次连接的金属顶电极、透明导电薄膜、P型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜、金属底电极、衬底，所述金属底电极的上表面具有若干金属导电凸棱，所述凸棱上方的N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜具有向上凸起的条状鼓包，金属顶电极设置于透明导电薄膜的条状鼓包的两侧。

本发明弧形底电极薄膜太阳电池，进一步的改进在于：

1、所述透明导电薄膜、P型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜的厚度均匀。

2、所述透明导电薄膜为掺锡氧化铟的ITO薄膜，所述底电极为铝或银材料制成的面状金属电极。

3、所述凸棱互相平行，相邻凸棱的间距为1-2um，凸棱的宽度范围为：200nm-900nm，高度范围为：100-300nm。

4、所述P型非晶硅薄膜中硼元素的掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹/cm³；所述本征非晶硅薄膜中无杂质掺杂，所述N型非晶硅薄膜中磷元素的掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹/cm³，所述P型非晶硅薄膜的沉积厚度范围为：180-220nm，本征非晶硅薄膜的沉积厚度范围为：0.5-1um，N型非晶硅薄膜的沉积厚度范围为：180-220nm，所述透明导电薄膜的淀积厚度范围为：40-50nm。

5、所述凸棱上表面具有上凸的弧面或者所述凸棱具有下宽上窄的台阶型结构。

此外，本发明还提供了一种弧形底电极薄膜太阳电池的生产工艺，其特征在于包括如下步骤：

第1步、在柔性衬底上制备平板式金属底电极；

第2步、在平板式金属底电极表面制备若干条状金属导电凸棱；

第3步、底电极表面逐次淀积厚度均匀的N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜，使N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜在所述凸棱对应区域向上凸起形成条状鼓包；

第4步、在透明导电薄膜的条状鼓包的两侧制备金属顶电极。

本发明弧形底电极薄膜太阳电池的制造工艺的进一步改进在于：

1、所述第2步中，先淀积导电凸棱，然后通过快速退火的方法使得淀积的导电凸棱在高温作用下熔融，形成上表面呈弧面状的凸棱，快速退火温度为350-450℃。

2、所述第2步中，采用多次淀积的方法形成下宽上窄的台阶型凸棱。

3、所述第1步中，在绝缘衬底表面通过磁控溅射铝或银形成导电的铝薄膜或银薄膜从而获得金属底电极；

4、第3步中，所述N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、和P型非晶硅薄膜都采用等离子化学增强气相沉积仪进行的淀积；所述掺锡氧化铟的透明导电薄膜通过磁控溅射法制备。

5、第4步中，金属顶电极是通过磁控溅射铝或银在透明导电薄膜上的条状鼓包两侧形成。

本发明的薄膜太阳能电池与现有的薄膜太阳能电池相比，电池的底电极具有凸棱，该凸棱深入薄膜内，提高电极对电流的收集能力；底电极上后续淀积的薄膜材料在凸棱对应位置形成的弧形鼓包，增加了薄膜电池的面积，增加了电池的受光面；薄膜的鼓包形成凸透镜，对入射光具有汇聚的作用，较集中的投射到底电极上，增加了电池对反射光的利用，从而提高了电池对光的吸收和利用，进一步提高电池的转换效率。

本发明薄膜太阳能电池的制备工艺与现有薄膜电池生产工艺兼容，可利用现有设备进行生产，仅仅在制备过程中增加了凸棱（可视为底电极的一部分）的二次淀积步骤，在几乎不额外增加成本的前提下，提高了电池性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是现有薄膜太阳电池结构示意图。

图2是本发明弧形底电极薄膜太阳电池结构示意图。

图3是本发明电池与传统薄膜电池的光谱响应曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

产品实施例

如图2所示为本实施例弧形底电极薄膜太阳电池，从上至下包括依次连接的金属顶电极1、透明导电薄膜8、P型非晶硅薄膜2、本征非晶硅薄膜6、N型非晶硅薄膜3、金属底电极4、衬底5，金属底电极4的上表面具有若干金属导电凸棱7，凸棱7上表面具有上凸的弧面（此外，凸棱也可以采用下宽上窄的台阶型结构），本例中只画出一条凸棱进行示意，实际上可是有多条的，凸棱7上方的N型非晶硅薄膜3、本征非晶硅薄膜6、P型非晶硅薄膜2、透明导电薄膜8具有向上凸起的条状鼓包，金属顶电极1设置于透明导电薄膜8的条状鼓包的两侧。透明导电薄膜8、P型非晶硅薄膜2、本征非晶硅薄膜6、N型非晶硅薄膜3的厚度均匀；透明导电薄膜8为掺锡氧化铟的ITO薄膜，底电极4为铝制成的面状金属电极，底电极4也可以是银制成的面状金属电极；若干条凸棱7互相平行，相邻凸棱的间距约为1-2um，凸棱的宽度为：540nm，高度为：180nm。

本例中，P型非晶硅薄膜中硼元素的掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹/cm³；本征非晶硅薄膜中无杂质掺杂，N型非晶硅薄膜中磷元素的掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹/cm³，P型非晶硅薄膜的沉积厚度为：200nm，本征非晶硅薄膜的沉积厚度为：0.75um，N型非晶硅薄膜的沉积厚度为：220nm，透明导电薄膜的淀积厚度为：40-50nm。

电池的P型非晶硅薄膜2、本征非晶硅薄膜5、N型非晶硅薄膜3三者结合，形成P-i-N结，光线照射到P-i-N结表面产生电子空穴对，电子在电场作用下向电极移动，使电池产生电能。

本发明电池的底电极上具有凸棱结构,在底电极上淀积硅薄膜和顶电极后，形成了弧形的鼓包，形成凸透镜，利于对入射的阳光进行汇聚，提高对光的利用。导电的凸棱提高了底电极的面积，所以电池的受光面更大。以上两个优点，提高了电池的光电转换效率。

对本实施例薄膜电池进行了光谱响应仿真试验，并与传统薄膜电池进行比较，该试验的结果请参见图3，图中颜色较深的方点连接形成的曲线为本发明电池光谱响应曲线，颜色较浅的圆点连接形成的曲线为传统薄膜电池的光谱响应曲线。

实验结果表明，两种电池的光谱响应变化趋势相同，均是随着波长的增加先增加后减小，在500-600nm波长处达到最大值。而本发明电池则在整个太阳光谱区的响应强度较普通非晶硅薄膜太阳能电池均有所增强。

通过对整个光谱响应的积分可以看出，本发明电池的光谱响应比普通非晶硅薄膜太阳能电池增强约5%。这是因为本发明电池中的弧型底电极使得电池表面形成鼓包，增大了电池受光面积，其类似凸透镜的结构可以提高电池对光的吸收。凸镜型的底电极可以使得光被反射到金属顶电极的下方，提高电池对光的吸收，因此，在AM1.5条件下，仿真的所有波段的光谱响应都有所增加，且效果较为明显。

工艺实施例

本发明实施例的弧形底电极薄膜太阳电池的生产工艺包括如下步骤：

第1步、在衬底上制备平板式金属底电极；

本步骤中，在柔性绝缘衬底表面通过磁控溅射铝形成导电的铝薄膜，得到金属底电极。

第2步、在平板式金属底电极表面制备若干条状金属导电凸棱；

本步骤中，先淀积导电凸棱，然后通过快速退火的方法使得淀积的导电凸棱在高温作用下熔融，形成上表面呈弧面状的凸棱，快速退火温度为大约为350-450℃。此外，还可以采用多次淀积的方法形成下宽上窄的台阶型凸棱。

第3步、底电极表面逐次淀积厚度均匀的N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜，使N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜在所述凸棱对应区域向上凸起形成条状鼓包；

本步骤中，所述N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、和P型非晶硅薄膜都采用等离子化学增强气相沉积仪进行的淀积；所述掺锡氧化铟的透明导电薄膜通过磁控溅射法制备。

第4步、在透明导电薄膜的条状鼓包的两侧通过磁控溅射铝制备金属顶电极。

可见，本发明制备工艺与现有薄膜电池生产工艺兼容，可利用现有设备进行生产，仅仅在制备过程中增加了凸棱的二次淀积步骤，在几乎不额外增加成本的前提下，提高了电池性能。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种弧形底电极薄膜太阳电池，其特征在于：从上至下包括依次连接的金属顶电极、透明导电薄膜、P型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜、金属底电极、衬底，所述金属底电极的上表面具有若干金属导电凸棱，所述凸棱上方的N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜具有向上凸起的条状鼓包，金属顶电极设置于透明导电薄膜的条状鼓包的两侧；所述凸棱互相平行，相邻凸棱的间距为1-2um，凸棱的宽度范围为：200nm-900nm，高度范围为：100-300nm。

2.根据权利要求1所述的弧形底电极薄膜太阳电池，其特征在于：所述透明导电薄膜、P型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、N型非晶硅薄膜的厚度均匀。

3.根据权利要求1所述的弧形底电极薄膜太阳电池，其特征在于：所述透明导电薄膜为掺锡氧化铟的ITO薄膜，所述底电极为铝或银材料制成的面状金属电极。

4.权利要求1所述弧形底电极薄膜太阳电池的生产工艺，其特征在于包括如下步骤：

第1步、在柔性衬底上制备平板式金属底电极；

第2步、在平板式金属底电极表面制备若干条状金属导电凸棱；

第3步、底电极表面逐次淀积厚度均匀的N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜，使N型非晶硅薄膜、本征非晶硅薄膜、P型非晶硅薄膜、透明导电薄膜在所述凸棱对应区域向上凸起形成条状鼓包；

第4步、在透明导电薄膜的条状鼓包的两侧制备金属顶电极。