[發明專利]薄膜硅太陽能電池的背散射表面及其制備方法

無效

• 申請號: 201110342263.7
• 申請日: 2011-11-03
• 公開（公告）號: CN102420260A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 吳永剛;劉仁臣;夏子奐;唐平林
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0236;H01L31/18
• 代理公司: 上海東亞專利商標代理有限公司 31208
• 代理人: 陳樹德;李穎薇

技術領域

本發明技術涉及材料科學、綠色能源、物理光學，在太陽能薄膜電池研究領域有應用前景。

背景技術

在常規能源短缺并造成環境污染，導致全球氣候變暖、人類生態環境惡化的形勢下，符合可持續發展戰略的新能源的開發利用越來越受到了世界各國的重視。光伏能源以其具有充分的清潔性、絕對的安全性、資源的相對廣泛性和充足性、長壽命以及免維護性等其它常規能源所不具備的優點，已成為二十一世紀最重要的新能源之一。

太陽能光伏電池是一種將光能量轉換成電能的半導體器件。基于單晶硅或者多晶硅硅片的晶體硅電池用厚度為數百微米的P型（或n型）硅襯底，通過磷（或硼）擴散形成pn結而制成，這種電池生產技術成熟，大規模量產的電池太陽能轉換效率達18%，是光伏電池市場的主導產品，目前市場占有率高達90%。但是，晶體硅電池本身生產成本較高，組件價格居高不下。與晶體硅太陽能電池相比，薄膜硅太陽能電池的厚度一般在幾個微米，相對于數百微米厚度的晶體硅電池來說大大節省了原材料，而且薄膜硅太陽能電池的制作工藝相對簡單，成本較為低廉，適合于大面積制作，因此在近年來獲得了長足的發展。

然而硅是一種間接帶隙材料，其在帶隙對應的波長附近(λ＝λg?=1.107?μm)對光子僅有非常低的吸收系數。尤其在800～1100?nm的波長范圍，對光子的吸收長度達到10μm～3mm，遠超出了通常概念上的薄膜太陽能電池結構中硅薄膜吸收層的厚度，因此在此光譜范圍對光子的吸收系數不高。當前大規模產業化的薄膜硅太陽能電池轉換效率只有5%-8%，為晶體硅太陽能電池組件的一半左右，其中硅材料在近紅外波段的吸收系數不高是一個重要因素，這在一定程度上限制了薄膜硅太陽能電池的應用范圍，也增加了光伏系統每單位功率的發電成本。因此對薄膜硅太陽能電池開展持續的研究，利用新的技術與工藝降低薄膜硅太陽能電池的成本，從而進一步降低薄膜硅太陽能電池的單位發電成本，顯得非常必要和迫切。

提高薄膜硅太陽能電池對入射太陽光子俘獲效率的方法主要包括：①減小太陽光輻射在電池表面的反射損耗；②增加入射光在電池吸收層內的傳輸距離。在第二個方法中，設置背表面高效率光散射層是增加入射光在電池吸收層內傳輸距離的重要途徑。

作為背反射器件結構的一部份，背反射層中的微結構在太陽能電池的光俘獲機制中起著非常重要的作用。依據散射特性或衍射級別的不同，微結構將入射光散射或衍射到較大的偏離垂直入射方向的角度。當經背反射層散射或衍射的光的傳輸角度大于硅-空氣界面的臨界角時，會使大部分能量在上表面硅-空氣界面處反射回硅吸收層，由此大大增加光在吸收層中的傳輸距離。同時，背反射層還須承擔將太陽能電池的電流向外輸出的電極作用，因此背反射層還應具有良好的導電性能。Ag和Al是常用的兩種背反射層材料，其中Ag的導電性和可見光反射率均優于Al，尤其是作為電極在薄膜硅太陽能電池的制備中與沉積在其上面的透明導電層和薄膜硅吸收層有良好的界面相容特性，因此通常認為是最佳的選擇。但由于Ag作為貴金屬，其價格遠高于Al，因而在實驗室小面積電池研究中常采用Ag作為背反射層，而在大面積商用電池上為降低成本，則通常用Al來取代Ag。

瑞士Paul?Scherrer研究所的Heine等人通過在電池背面構建Ag的二元光柵，在很大程度上增加了入射光子在薄膜硅太陽能電池硅活性吸收層中的傳輸距離；德國光伏研究所的Haase等人則分別利用金屬Ag反射和分布布拉格反射增強了光在電池內后界面的反射，從而將入射的太陽光限制于電池內部。

制備表面光散射層的更為簡單的方法是通過物理或化學方法，在作為襯底的表面上直接形成一定形狀或粗糙度的表面結構，然后再沉積上構成太陽能電池電極所需的金屬Ag薄膜。目前應用的最多的襯底是Aashi?U形玻璃，這種玻璃表面具有微小的隕石坑狀的結構，其尺度范圍為微米量級。在這樣的玻璃表面上制備高反射金屬Ag薄膜，然后再沉積制備薄膜硅太陽能電池的其它功能層，已被證明是很有效的提高薄膜硅太陽能電池光俘獲效率的途徑。也有直接在玻璃或不銹鋼基底上沉積高反射金屬Ag薄膜，然后在真空環境600℃條件下進行熱處理，從而使金屬Ag薄膜表面粗糙化，以適用于薄膜硅太陽能電池的制作。但是現有的金屬Ag薄膜背散射表面是先在襯底上沉積Ag薄膜，然后在高真空室內通過對薄膜加熱處理而得到的，為使Ag表面形成粗糙結構，通常需要在近600℃的高溫下進行熱處理，因此不易在常規的真空沉積室上實現。?

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種用于薄膜硅太陽能電池的背散射表面，該背散射表面具有大的漫散射特性，并具有良好的導電性能。