[發明專利]一種光子晶體非晶硅薄膜太陽電池

有效

• 申請號: 201310169458.5
• 申請日: 2013-05-09
• 公開（公告）號: CN103227226B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 侯國付;陳培專;張建軍;倪牮;張曉丹;趙穎
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/052
• 分類號: H01L31/052
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明涉及非晶硅薄膜太陽電池，特別是一種光子晶體非晶硅薄膜太陽電池。

背景技術

太陽能是用之不竭的可再生能源，對環境保護具有十分重要的意義，太陽能的有效利用已成為人類的共識。太陽能的利用，尤其是光伏發電技術，是最有希望的可再生能源技術。非晶硅薄膜太陽電池有著耗能低、原材料豐富無污染、易于大面積生產等優點，已經實現產業化，產品廣泛應用于地面光伏電站、光伏建筑一體化、屋頂電站等領域。

非晶硅薄膜太陽電池太陽光譜吸收范圍為400-750nm。單結非晶硅電池厚度在200-400nm之間，在這個厚度范圍之內，太陽光譜中只有小于500nm的光才能被電池吸收殆盡，而介于500-750nm的光將不能被電池完全吸收，有一部分從電池中透過造成損失，使得電池效率下降。為了提高效率，實驗室中通常在電池背后沉積Ag作為背電極，將到達電池底部的光反射回電池內部，增加電池吸收，從而提高效率。Ag背電極具有反射率高、導電性好的優點，其在非晶硅電池光譜吸收范圍內的平均反射率高達95%以上。但Ag是貴重金屬，若在產業化生產中使用Ag，將大幅提升生產成本。為此，在產業化生產中，通常采用成本較低的Al或不銹鋼襯底替代Ag作為背電極。但Al和不銹鋼的反射率不及Ag。此外，Ag、Al和不銹鋼都是金屬，當將金屬材料用作薄膜太陽電池的背電極時，還會引入以下問題：首先，Ag、Al和不銹鋼表面不平整，而非晶硅薄膜太陽電池本征層很薄，很容易將本征層穿透，造成p型層和n型層短路，漏電流增加，電池開壓下降，效率降低；其次，金屬表面存在等離子激元共振吸收，到達背電極界面的光會損失3-8%，這對帶邊吸收的影響尤其重要；此外，在長時間的使用中，金屬離子會擴散到電池內部，破壞電池性能，造成電池穩定性下降；最后，沉積金屬材料所需設備與非晶硅薄膜工藝不兼容，需要額外的PVD沉積設備，造成廠房面積和投資增加，同時工藝時間延長，產能下降。以上存在問題皆不利于在產業化生產中提高電池效率、提升穩定性和降低成本。

近年來，光子晶體由于其具有優越的光學性能而引起廣泛關注。光子晶體誕生于1987年，是由不同介電常數的介質材料，在空間按照一定周期排列形成的晶體，目的是使人們能夠像利用半導體禁帶控制電子一樣，利用光子禁帶控制光子的流動。按照在空間排列的維數不同，光子晶體可以分為一維、二維和三維。一維光子晶體是由兩種不同介電常數的介質材料，在某個方向上周期性堆疊形成，其特性是在電介質界面上會出現布拉格散射、產生光子禁帶、能量落在禁帶中的光不能傳播。例如，若一維光子晶體禁帶范圍在500-750nm，那么此波段的光在光子晶體內不能傳播，意味著在光子晶體表面會產生接近100%的反射。

發明內容

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種光子晶體非晶硅薄膜太陽電池，該薄膜太陽電池在不降低甚至提高電池效率的同時，提升電池穩定性，降低原材料、設備和生產成本，提升產能。

本發明的技術方案：

一種光子晶體非晶硅薄膜太陽電池，由襯底、一維光子晶體背反射器、背電極、n型氫化非晶硅、本征氫化非晶硅、p型氫化非晶硅和前電極組成疊層結構，其中一維光子晶體背反射器是由低折射率介質和高折射率介質周期性交疊構成，周期數大于等于兩個整數周期，背電極和前電極為高透過、高電導、低吸收的透明導電膜并作為電流引出電極。

所述襯底為玻璃、不銹鋼或塑料。

所述一維光子晶體背反射器中的低折射率介質為氧化硅膜，氧化硅膜采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷、氫氣和二氧化碳，折射率為1.4-2.0，厚度為50-500nm；高折射率介質為與硅基薄膜工藝兼容的氫化非晶硅膜，氫化非晶硅膜同樣采用RF-PECVD制備，氣源采用硅烷和氫氣，折射率為3.0-5.0，厚度為10-100nm。

所述透明導電膜為摻鋁氧化鋅膜或氧化銦錫膜。

所述本征氫化非晶硅厚度為200-400nm。

一種所述光子晶體非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，步驟如下：

1）在襯底上首先沉積低折射率介質膜，然后沉積高折射率介質膜，作為一個周期；

2）繼續沉積后續周期的上述介質膜，形成一維光子晶體；

3）在一維光子晶體上沉積透明導電膜，作為背電極，即負極，引出電流；

4）在透明導電膜上沉積非晶硅薄膜太陽電池；

5）在電池上沉積透明導電膜，作為前電極，即正極，引出電流。

本發明的有益效果是：