一種復(fù)合層電極及其制備方法以及使用該復(fù)合層電極的透光太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)合層電極及其制備方法以及使用該復(fù)合層電極的透光太陽能電池。本發(fā)明復(fù)合層電極包括前電極和背電極，所述前電極和背電極均是由上下兩層透明導(dǎo)電薄膜和位于其間的金屬膜層復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合層結(jié)構(gòu)，用于制作透光太陽能電池的前電極和背電極；透明導(dǎo)電薄膜由透明導(dǎo)電氧化物制成，金屬膜層由金屬納米顆粒構(gòu)成。本發(fā)明通過在前電極和背電極中加入金屬納米顆粒等離激元，利用這種陷光結(jié)構(gòu)有效增強電池的光吸收，提高透光電池的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明在不影響透光電池透過率的前提下，可增強透光太陽能電池的光吸收率，提高透光太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，透光率可達20~40%，轉(zhuǎn)換效率達5.5~7.5%，光致衰減小于6%。
【專利說明】
一種復(fù)合層電極及其制備方法以及使用該復(fù)合層電極的透光太陽能電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種透光太陽能電池，具體地說是一種復(fù)合層電極及其制備方法以及使用該復(fù)合層電極的透光太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]透光太陽能電池主要以薄膜太陽能組件為主。硅基薄膜太陽能電池以其低成本、低能耗并可大面積集成等優(yōu)勢在薄膜太陽能電池中占據(jù)一定的市場份額。非晶硅薄膜電池為了實現(xiàn)組件的透光率，除了通過增加額外的制作工藝可以實現(xiàn)外，還可以通過減少薄膜電池發(fā)電層的厚度來實現(xiàn)，發(fā)電層厚度的減少將會直接導(dǎo)致相對轉(zhuǎn)換效率降低(電池光電轉(zhuǎn)換效率小于4.5%，光致衰減小于15%)，電池組件成本大幅增加，這是制約透光太陽能電池發(fā)展的關(guān)鍵因素。
[0003]近年來，金屬表面等離激元在太陽能電池中的應(yīng)用成為研究的熱點之一。表面等離激元是指在金屬和電介質(zhì)界面處電磁波與金屬中的自由電子耦合產(chǎn)生的振動效應(yīng)。在金屬表面比較粗糙時，表面等離激元會受到強烈的散射，被局域在金屬表面，稱為局域表面等離激元。通過調(diào)整金屬納米顆粒的尺寸、形狀、間距等可以增強光的散射及近場光密度，這種光陷阱作用可以有效增強光的吸收。
[0004]非晶硅材料光學(xué)帶隙在1.7eV左右，對太陽輻射光譜短波段吸收較強，但是對長波段吸收較弱，且其載流子擴散長度比較有限，在非晶硅薄膜透光電池中直接采用減薄薄膜厚度來實現(xiàn)透光率及降低成本，其光電轉(zhuǎn)換效率很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一就是提供一種復(fù)合層電極，以解決非晶硅薄膜透光太陽能電池透光性差和光電轉(zhuǎn)換效率低的問題。
[0006]本發(fā)明是目的之二就是提供一種復(fù)合層電極的制備方法，以利于制備光電轉(zhuǎn)換效率高的透光太陽能電池。
[0007]本發(fā)明的目的之三就是提供一種透光太陽能電池，以提高透光太陽能電池的透光率和光電轉(zhuǎn)換效率，滿足光伏市場的使用需要。
[0008]本發(fā)明是的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種復(fù)合層電極，由上、下兩層透明導(dǎo)電薄膜和位于兩層透明導(dǎo)電薄膜之間的金屬膜層復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合層結(jié)構(gòu)，用于制作透光太陽能電池的前電極和背電極，所述透明導(dǎo)電薄膜由透明導(dǎo)電氧化物制成，所述金屬膜層由金屬納米顆粒構(gòu)成。
[0009]制作前電極的復(fù)合層電極的厚度為300nm?400nm，透過率為80%以上，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為1nm?50nm，覆蓋率為5%?10%。
[00?0]制作背電極的復(fù)合層電極的厚度為300nm?400nm，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。
[0011]通過在透光電池的前電極和背電極中同時加入金屬納米顆粒等離激元，前電極的增強效應(yīng)和背電極的散射效應(yīng)，增加了光子在透光太陽能電池中的光程，利用這種陷光結(jié)構(gòu)，可有效增強透光太陽能電池的光吸收，提高透光太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0012]本發(fā)明是的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種復(fù)合層電極的制備方法，包括以下步驟:
a、濺射第一層透明導(dǎo)電薄膜:將透明絕緣基板清洗并預(yù)熱后，放入磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中在透明絕緣基板的暴露面進行濺射，或是將已沉積P-1-N發(fā)電層薄膜的基板放入磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中，在P-1-N發(fā)電層薄膜的暴露面進行濺射，形成第一層的透明導(dǎo)電薄膜;磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室的壓強為0.003Torr?0.005Torr，功率為80W?150W，襯底溫度150°0200°C，濺射時間為20min?30min。
[0013]b、濺射金屬膜層:使用磁控濺射設(shè)備，在已濺射好的第一層的透明導(dǎo)電薄膜上濺射金屬膜層，磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室的壓強為0.004Torr?0.005Torr，功率為150W?200W，襯底溫度為50°0100°C，濺射時間為30s?100s。
[0014]c、退火制備金屬納米顆粒:制備完成的金屬薄膜在磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中直接進行退火處理，反應(yīng)腔室中的真空度為I X 10—3Pa?5X 10—3Pa以上，溫度為200°0400°C，退火時間為20min?90min;制作前電極復(fù)合層的中間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為1nm?50nm，覆蓋率為5%?10%;制作背電極復(fù)合層的中間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。
[0015]d、濺射第二層透明導(dǎo)電薄膜:使用磁控濺射設(shè)備，按照與步驟a相同的控制條件，在已濺射好的金屬膜層上濺射，形成第二層的透明導(dǎo)電薄膜;制作前電極復(fù)合層的厚度為300nm?400nm，透過率為80%以上；制作背電極復(fù)合層的厚度為300nm?400nm。
[0016]本發(fā)明是的目的之三是這樣實現(xiàn)的:一種透光太陽能電池，包括透明絕緣基板、前電極、P-1-N發(fā)電層薄膜、背電極和透明絕緣背板;所述前電極和所述背電極均是由上、下兩層透明導(dǎo)電薄膜和位于兩層透明導(dǎo)電薄膜之間的金屬膜層復(fù)合構(gòu)成的復(fù)合層結(jié)構(gòu)，所述透明導(dǎo)電薄膜由透明導(dǎo)電氧化物制成，所述金屬膜層由金屬納米顆粒構(gòu)成;所述前電極的復(fù)合層的厚度為300nm~400nm，透過率為80%以上，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為10nm~50nm，覆蓋率為5%?10% ；所述背電極的復(fù)合層的厚度為300nnr400nm，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。
[0017]所述P-1-N發(fā)電層薄膜是由P型摻雜層、I層本征吸收層與N型摻雜層疊合組成的P-1-N發(fā)電層結(jié)構(gòu)；
所述P型摻雜層是用P型nc-S1x: H薄膜材料制成，所述P型nc-S1x: H薄膜材料的能帶隙為1.8eV?2.0eV，暗電導(dǎo)為I X 10—2 S/cm?5 X 10—2 S/cm,晶化率為30%?40%，薄膜材料的厚度為15 nm~25nm；
所述I層本征吸收層是用I層nc-S1x: H薄膜材料制成，所述I層nc-S1x: H薄膜材料的能帶隙為1.5eV?2.0eV，光敏性為I X 12?5 X 12，晶化率為30%?50%，薄膜材料的厚度為100nm?200nm;
所述N型摻雜層是用N型nc-S1x: H薄膜材料制成，所述N型nc-S1x: H薄膜材料的能帶隙為1.8eV?2.0eV，暗電導(dǎo)為I X 10—2S/cm?5 X 10—2S/cm，晶化率為30%?40%，薄膜材料的厚度為20 nm?35nm。
[00? 8] 納米娃氧nc-S1x: H是nc_Si鑲嵌在a_Si0x: H基質(zhì)中的混合相材料，由于納米娃的量子限制效應(yīng)，對納米粒子尺寸和密度進行調(diào)整，可以改變薄膜材料的光學(xué)帶隙，實現(xiàn)對太陽光譜較寬范圍的可調(diào)吸收。這種光學(xué)帶隙的拓寬調(diào)整，使得制備的材料具有透光性，而透光材料正是制備透光電池所追求的。同時，在納米娃氧材料中，由于納米娃晶粒的存在，薄膜結(jié)構(gòu)的中程有序度得到改善，光生載流子通過納米硅晶粒復(fù)合并傳輸，具有遠高于非晶硅材料的光電導(dǎo)率并可顯著抑制光致衰退，材料具有較高的光敏性和吸收系數(shù)，兼具非晶硅材料及微晶硅材料的優(yōu)勢，具有較好的穩(wěn)定性、較低的溫度系數(shù)、較高的透光度以及較低的折射率等特點，更適合于制備透光太陽能電池。
[0019]本發(fā)明中的P-1-N發(fā)電層薄膜結(jié)構(gòu)是采用納米S1x薄膜材料作為發(fā)電層，通過調(diào)節(jié)沉積參數(shù)可以實現(xiàn)薄膜材料帶隙與光電特性的調(diào)制，得到寬帶隙材料并轉(zhuǎn)化成電池高開路電壓;薄膜材料中氧鍵的引入，有助于提高電池在接近實際使用溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能，用其制成透光太陽能電池，具有很好的穩(wěn)定性。
[0020]本發(fā)明提供的金屬納米顆粒表面等離激元，金屬納米顆粒尺寸及覆蓋率均可進行不同程度的調(diào)整，將納米顆粒獨特的光學(xué)吸收作為透光電池的陷光結(jié)構(gòu)，借助納米顆粒的強散射及近場增強效應(yīng)，增強透光電池對光的吸收，從而提高透光電池的轉(zhuǎn)換效率，前電極和背電極采用這種復(fù)合層結(jié)構(gòu)，可使透光太陽能電池的透光率達到20%?40%，光電轉(zhuǎn)換效率達到5.5%?7.5%，光致衰減小于6%，因而能夠廣泛應(yīng)用于光伏建筑一體化、光伏透光窗口及陽光大棚上，具有很高的推廣應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明透光太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:1、透明絕緣基板，2、透明絕緣背板，3、透明導(dǎo)電薄膜，4、金屬膜層，5、P-1_N發(fā)電層薄膜，6、前電極，7、背電極。
【具體實施方式】
[0023]實施例1:復(fù)合層電極。
[0024]參看圖1，本發(fā)明復(fù)合層電極是由上、下兩層透明導(dǎo)電薄膜3和位于兩層透明導(dǎo)電薄膜之間的金屬膜層4復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合層結(jié)構(gòu)，用于制作透光太陽能電池的前電極和背電極。其中，透明導(dǎo)電薄膜3由透明導(dǎo)電氧化物制成，金屬膜層4由金屬納米顆粒構(gòu)成。制作前電極的復(fù)合層電極的厚度為300nnr400nm，透過率為80%以上，其間的金屬膜層4中的金屬納米顆粒的平均粒徑為I Onm?50nm，覆蓋率為5%?10%。制作背電極的復(fù)合層電極的厚度為300nm~400nm，其間的金屬膜層4中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm~200nm，覆蓋率為20%?30%0
[0025]在前電極和背電極中加入金屬膜層，其金屬納米顆粒構(gòu)成等離激元，增加了光子在透光太陽能電池中的光程，形成一種陷光結(jié)構(gòu)，利用這種陷光結(jié)構(gòu)，可有效增強透光太陽能電池的光吸收率，提高透光太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0026]實施例2:復(fù)合層電極的制備方法。
[0027]參看圖1，本發(fā)明復(fù)合層電極的制備方法包括以下步驟:
一、濺射第一層透明導(dǎo)電薄膜:將透明絕緣基板I清洗并預(yù)熱后，放入磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中，在透明絕緣基板I的暴露面進行濺射;也可以將已沉積P-1-N發(fā)電層薄膜5的基板放入磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中，在P-1-N發(fā)電層薄膜5的暴露面進行濺射，形成第一層的透明導(dǎo)電薄膜3。磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室的壓強為0.003Torr?0.005Torr，功率為80W?150W，襯底溫度為150°0200°C，濺射時間為20min?30min。
[0028]二、濺射金屬膜層:使用磁控濺射設(shè)備，在已濺射好的第一層的透明導(dǎo)電薄膜3上濺射金屬膜層4，磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室的壓強為0.004Torr?0.005Torr，功率為150W?200W，襯底溫度為50°0100°C，濺射時間為30s?100s。
[0029]三、退火制備金屬納米顆粒:制備完成的金屬膜層4在磁控濺射設(shè)備的真空腔室中直接進行退火處理，反應(yīng)腔室中的真空度為I X 10—3Pa~5X 10—3Pa以上，溫度為200°0400°C，退火時間為20min?90min。如果是制作前電極復(fù)合層，則金屬膜層4中的金屬納米顆粒的平均粒徑為1nm?50nm，覆蓋率為5%?10%。如果是制作背電極復(fù)合層，則金屬膜層4中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。
[0030]四、濺射第二層透明導(dǎo)電薄膜:使用磁控濺射設(shè)備，按照與步驟一相同的控制條件，在已濺射好的金屬膜層4上濺射，形成第二層的透明導(dǎo)電薄膜3。制作前電極復(fù)合層的厚度控制在300nm?400nm，透過率為80%以上;制作背電極復(fù)合層的厚度控制在300nm?400nm。
[0031]最后，對已制備背電極復(fù)合層的電池基板進行邊緣處理，進行電極連接后鋪設(shè)封裝材料和背板進行固化封裝，安裝電氣連接原件，形成透光太陽能電池組件。
[0032]實施例3:帶復(fù)合層電極的透光太陽能電池。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明透光太陽能電池包括透明絕緣基板1、前電極6、P-1_N發(fā)電層薄膜4、背電極7和透明絕緣背板5。前電極6和背電極7均是由上、下兩層透明導(dǎo)電薄膜3和位于兩層透明導(dǎo)電薄膜之間的金屬膜層4復(fù)合所構(gòu)成的復(fù)合層結(jié)構(gòu)。透明導(dǎo)電薄膜3是由透明導(dǎo)電氧化物制成。金屬膜層4是由金屬納米顆粒構(gòu)成。其中，前電極6的復(fù)合層的厚度為300nm?400nm，透過率為80%以上，其間的金屬膜層4中的金屬納米顆粒的平均粒徑為1nm?50nm，覆蓋率為5%?10%;背電極7的復(fù)合層的厚度為300nnr400nm，其間的金屬膜層4中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。
[0034]透光太陽能電池電池中的P-1-N發(fā)電層薄膜4是由P型摻雜層、I層本征吸收層與N型摻雜層疊合組成的P-1-N發(fā)電層結(jié)構(gòu)。
[0035]P型摻雜層是用P型nc-S1x: H薄膜材料制成，P型nc-S1x: H薄膜材料的能帶隙為1.8eV?2.0eV，暗電導(dǎo)為I X 10—2 S/cm?5X 10—2 S/cm，晶化率為30%?40%，薄膜材料的厚度為
15nm?25nm。I層本征吸收層是用I層nc-S1x:H薄膜材料制成，I層nc-S1x:H薄膜材料的能帶隙為1.5eV?2.0eV，光敏性為I X 12?5X 102，晶化率為30%?50%，薄膜材料的厚度為100 nm?200nm C3N型摻雜層是用N型nc-S1x: H薄膜材料制成，N型nc-S1x: H薄膜材料的能帶隙為1.8eV?2.0eV，暗電導(dǎo)為I X 10—2 S/cm?5X 10—2 S/cm，晶化率為30%?40%，薄膜材料的厚度為20 nm?35nm0
[0036]透明絕緣基板I作為光入射側(cè)，采用玻璃基板、塑料基板等在可見光波段具有高透光性的材料，厚度一般為3.2mm、2.0mm等。透明導(dǎo)電薄膜3為摻氟氧化錫FT0、摻鋁氧化鋅AZO、銦錫氧化物ITO等透明導(dǎo)電氧化物中的一種或組合。
【主權(quán)項】
1.一種復(fù)合層電極，其特征是，由上、下兩層透明導(dǎo)電薄膜和位于兩層透明導(dǎo)電薄膜之間的金屬膜層復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合層結(jié)構(gòu)，用于制作透光太陽能電池的前電極和背電極，所述透明導(dǎo)電薄膜由透明導(dǎo)電氧化物制成，所述金屬膜層由金屬納米顆粒構(gòu)成； 制作前電極的復(fù)合層電極的厚度為300nm~400nm，透過率為80%以上，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為1nm?50nm，覆蓋率為5%?10%; 制作背電極的復(fù)合層電極的厚度為300nm~400nm，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。2.一種復(fù)合層電極的制備方法，其特征是，包括以下步驟: a、濺射第一層透明導(dǎo)電薄膜:將透明絕緣基板清洗并預(yù)熱后，放入磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中在透明絕緣基板的暴露面進行濺射，或是將已沉積P-1-N發(fā)電層薄膜的基板放入磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中，在P-1-N發(fā)電層薄膜的暴露面進行濺射，形成第一層的透明導(dǎo)電薄膜;磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室的壓強為0.003Torr?0.005Torr，功率為80W?150W，襯底溫度 150°0200°C，濺射時間為20min -30min； b、濺射金屬膜層:使用磁控濺射設(shè)備，在已濺射好的第一層透明導(dǎo)電薄膜上濺射金屬膜層，磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室的壓強為0.004Torr?0.005Torr，功率為150W?200W，襯底溫度為50°0100°C，濺射時間為30s -100s； c、退火制備金屬納米顆粒:制備完成的金屬薄膜在磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)腔室中直接進行退火處理，反應(yīng)腔室中的真空度為I X 10—3Pa~5X 10—3Pa以上，溫度為200°0400°C，退火時間為20min ~90min；制作前電極復(fù)合層的中間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為10nm~50nm，覆蓋率為5%?10%;制作背電極復(fù)合層的中間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%; d、濺射第二層透明導(dǎo)電薄膜:使用磁控濺射設(shè)備，按照與步驟a相同的控制條件，在已退火處理的金屬膜層上濺射，形成第二層的透明導(dǎo)電薄膜；制作前電極復(fù)合層的厚度為300nm?400nm，透過率為80%以上；制作背電極復(fù)合層的厚度為300nm?400nm。3.—種透光太陽能電池，包括透明絕緣基板、前電極、P-1-N發(fā)電層薄膜、背電極和透明絕緣背板，其特征是，所述前電極和所述背電極均是由上、下兩層透明導(dǎo)電薄膜和位于兩層透明導(dǎo)電薄膜之間的金屬膜層復(fù)合構(gòu)成的復(fù)合層結(jié)構(gòu)，所述透明導(dǎo)電薄膜由透明導(dǎo)電氧化物制成，所述金屬膜層由金屬納米顆粒構(gòu)成;所述前電極的復(fù)合層的厚度為300nnr400nm，透過率為80%以上，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為1nm?50nm，覆蓋率為5%~ 10%;所述背電極的復(fù)合層的厚度為300nnr400nm，其間的金屬膜層中的金屬納米顆粒的平均粒徑為150nm?200nm，覆蓋率為20%?30%。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透光太陽能電池，其特征是，所述P-1-N發(fā)電層薄膜是由P型摻雜層、I層本征吸收層與N型摻雜層疊合組成的P-1-N發(fā)電層結(jié)構(gòu)； 所述P型摻雜層是用P型nc-S1x:H薄膜材料制成，所述P型nc-S1x:H薄膜材料的能帶隙為1.8eV?2.0eV，暗電導(dǎo)為I X 10—2 S/cm?5 X 10—2 S/cm,晶化率為30%?40%，薄膜材料的厚度為15 nm~25nm； 所述I層本征吸收層是用I層nc-S1x:H薄膜材料制成，所述I層nc-S1x:H薄膜材料的能帶隙為1.5eV?2.0eV，光敏性為I X 12?5 X 12，晶化率為30%?50%，薄膜材料的厚度為100nm?200nm; 所述N型摻雜層是用N型nc-S1x:H薄膜材料制成，所述N型nc-S1x:H薄膜材料的能帶隙為1.8eV?2.0eV，暗電導(dǎo)為I X 10—2 S/cm?5 X 10—2 S/cm,晶化率為30%?40%，薄膜材料的厚度為20 nm?35nm。
【文檔編號】H01L31/0224GK106057924SQ201610618370
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月1日
【發(fā)明人】于威, 黃艷紅, 傅廣生, 劉海旭, 郭強, 叢日東, 劉嘯宇
【申請人】河北大學(xué)