基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，頂部透明電極均勻覆蓋在非晶硅頂電池上，微晶硅底電池位于非晶硅頂電池下方并與之構成串聯結構；底部透明導電氧化物位于微晶硅底電池和金屬背反射電極之間；低折射率納米孔周期陣列起始于頂部透明電極并深入非晶硅頂電池和微晶硅底電池中。本發明通過對納米孔周期陣列的材料和結構尺寸進行優化，調控子電池光吸收特性，達到子電池光電流的匹配和增強的光電流；選擇不同的頂部透明電極和底部透明導電氧化物，可進一步提高光吸收效率和光電流；納米孔周期陣列的引入可減小非晶硅頂電池的體積，大大消弱非晶硅材料固有的光致衰退效應，穩定高。
【專利說明】
基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池
技術領域
[0001]本發明涉及太陽能光伏技術領域，尤其涉及一種基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池。
【背景技術】
[0002]與單晶硅太陽能電池相比，疊層甚至多層太陽能電池通過串聯2個或多個子電池可將更寬波段的太陽光子能量轉換為電能，效率可被大大提高。對于薄膜硅技術而言，非晶硅和微晶硅的帶隙分別為1.7 ^和1.1 eV，非常適合作為疊層太陽能電池中的頂電池和底電池。目前，基于非晶娃/微晶娃的疊層太陽能電池的組件效率已達12.34%(Progress inPhotovoltaics: Research and Applicat1ns 23(11): 1441-1447，2015)。眾所周知，短路電流偏低是限制疊層太陽能電池光電轉換效率的最主要因素。在疊層太陽能電池中，串聯結構要求頂電池和底電池的電流達到匹配且最大。由于非晶硅存在嚴重的光致衰退效應，非晶硅頂電池不能太厚，通常應彡300 nm；由于微晶硅沉積速率過低，微晶硅底電池也不能太厚，通常應彡2 μπι，以避免過長的沉積時間和制備成本(Thin Solid Films 403-404: 179-187，2002)。在這種情況下，太陽光無法被非晶硅和微晶硅充分吸收，因此子電池光電流偏低，且光電流失配較為嚴重。為此，人們提出了多種方案。
[0003]為了更有效地耦合入射光，頂部透明電極往往采用絨面透明導電氧化物，如氧化鋅(Solar Energy Materials and Solar Cells 74(1-4): 457-467，2002)，其主要作用在于將入射太陽光散射入有源層，并減少反射光。除此之外，納米量級的絨面透明導電氧化物和微米量級的二維光柵相結合，可以大大減小透明導電氧化物的厚度，進而提高其透過率(IEEE Journal of Photovoltaics 4(5): 1177-1184，2014)。絨面結構同樣可運用在背電極，用于將長波段光子更多地散射回有源層，被進一步吸收(Current AppliedPhysics 11(1): S2-S7, 2011)。在非晶硅頂電池和微晶硅底電池之間加入中間反射層也是一種常用的方法，有利于提高非晶硅頂電池的光吸收率，而且還可平衡頂電池和底電池的光電流(Applied Physics Letters 91(14): 143505 , 2007)。此外，將一維(OpticsExpress: 21(13): A677-A686, 2013)或者二維(Nanoscale Research Letters 9:732014)納米光柵引入非晶硅頂電池也可提高光電流。結合單層或者多層(IEEE Journal ofPhotovoltaics: 5(1): 46-54, 2015)中間反射層，其性能可被進一步改善。總的來說，這些結構相對復雜，工藝困難。另一方面，在多數情況下，尤其在非晶硅頂電池和微晶硅底電池之間加入中間反射層的情況下，頂電池光電流的增強要比底電池的高，電流匹配條件要求較厚的微晶硅底電池，但勢必增加微晶硅底電池及整個疊層太陽能電池的制備成本。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有技術的不足，為太陽能光伏技術提供一種高效率的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池設計，在實現子電池光電流匹配的同時，達到最大。
[0005]—種基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，包括頂部透明電極、非晶硅頂電池、微晶硅底電池、低折射率納米孔周期陣列、底部透明導電氧化物、金屬背反射電極;頂部透明電極均勻覆蓋在非晶硅頂電池上，微晶硅底電池位于非晶硅頂電池下方并與之構成串聯結構;底部透明導電氧化物位于微晶硅底電池和金屬背反射電極之間；低折射率納米孔周期陣列貫穿頂部透明電極并深入非晶硅頂電池和微晶硅底電池中。
[0006]所述的非晶娃頂電池厚度小于等于300 nm，微晶娃底電池厚度小于等于2 μπι，且兩電池均為n-1-p結。
[0007]所述的頂部透明電極厚度為50-300nm。
[0008]所述的底部透明導電氧化物厚度為50-300nm。
[0009]所述的低折射率納米孔周期陣列的折射率低于非晶硅和微晶硅，且不吸收。
[0010]所述的低折射率納米孔周期陣列起始于頂部透明電極并深入非晶硅頂電池和微晶硅底電池中，基于低折射率納米孔周期陣列增強的光散射和光局域特性調控非晶硅頂電池和微晶硅底電池的光吸收效率，進而協調兩電池的光電流分配，實現光電流匹配；同時納米孔周期陣列的引入可減小非晶硅頂電池體積，進而消弱非晶硅材料固有的光致衰退效應，器件穩定性高。
[0011]所述的頂部透明電極和低折射率納米孔周期陣列可減少電池表面反射。
[0012]本發明的有益效果包括:
(I)本發明通過在非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池中引入低折射率納米孔周期陣列，并改變納米孔周期陣列的材料和尺寸，來增強太陽光在非晶硅頂電池和微晶硅底電池中的吸收效率，提高子電池光電流并實現子電池光電流的匹配，克服了傳統非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池中子電池光電流失配的問題。
[0013](2)本發明的結構設計可選擇不同的頂部透明電極和底部透明導電氧化物，從而進一步提高光吸收效率，實現子電池光電流匹配并達到最大。
[0014](3)本發明的結構設計中，低折射率納米孔周期陣列的引入可大大減少非晶硅頂電池的體積，從而削弱非晶硅材料固有的光致衰退效應，穩定性高。
【附圖說明】
[0015]圖1為基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的三維結構示意圖(2X2單元)；
圖2為基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的結構示意圖(俯視圖；2><2單元)；
圖3為基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的截面圖(2X2單元)；
圖4為基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池在平面波垂直入射條件下的吸收譜(實線)，以及無納米孔周期陣列的平面非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的吸收譜(虛線)；
圖中，頂部透明電極1、非晶硅頂電池2、微晶硅底電池3、低折射率納米孔周期陣列4、底部透明導電氧化物5、金屬背反射電極6。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0017]如圖1、2、3所示，一種基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，包括頂部透明電極1、非晶硅頂電池2、微晶硅底電池3、低折射率納米孔周期陣列4、底部透明導電氧化物5、金屬背反射電極6;頂部透明電極I均勻覆蓋在非晶硅頂電池2上，微晶硅底電池3位于非晶硅頂電池2下方并與之構成串聯結構;底部透明導電氧化物5位于微晶硅底電池3和金屬背反射電極6之間；低折射率納米孔周期陣列4起始于頂部透明電極I并深入非晶硅頂電池2和微晶硅底電池3中。
[0018]所述的非晶娃頂電池2厚度小于等于300 nm，微晶娃底電池3厚度小于等于2 μπι,且兩電池均為n-1 -ρ結。
[0019]所述的頂部透明電極I厚度為50-300nm。
[0020]所述的底部透明導電氧化物5厚度為50-300nm。
[0021]所述的低折射率納米孔周期陣列4的折射率低于非晶硅和微晶硅，且不吸收。
[0022]所述的低折射率納米孔周期陣列4貫穿頂部透明電極I并深入非晶硅頂電池2和微晶硅底電池3中，基于低折射率納米孔周期陣列4增強的光散射和光局域特性調控非晶硅頂電池2和微晶硅底電池3的光吸收效率，進而協調兩電池的光電流分配，實現光電流匹配；同時納米孔周期陣列的引入可減小非晶硅頂電池體積，進而消弱非晶硅材料固有的光致衰退效應，器件穩定性高。
[0023]所述的頂部透明電極I和低折射率納米孔周期陣列4可減少電池表面反射。
[0024]實施例1
設置頂部透明電極I為氧化鋅，其厚度為80 nm;非晶硅頂電池2的厚度為260nm;微晶硅底電池3的厚度2 μπι;低折射率納米孔周期陣列4為二氧化硅，其直徑為300 nm，深度為1.94ym，周期為500 nm;底部透明導電氧化物5為氧化鋅，厚度為80 nm;金屬背反射電極6為銀，厚度為200 nm。
[0025]圖4所示為上述實施例中非晶硅頂電池和微晶硅底電池的吸收譜線(實線)，以及平面非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的非晶硅頂電池和微晶硅底電池的吸收譜線(虛線)。從圖4可見，在平面非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池中引入納米孔周期陣列后，非晶硅頂電池和微晶硅底電池的吸收效率可被顯著提高，相應的光電流分別為12.48 mA/cm2和12.065mA/cm2，達到了很好的匹配關系；總電流為12.065 mA/cm2，比平面結構提高了 22.24%。
[0026]實施例2
設置頂部透明電極I為氧化錫，厚度為亞微米量級;非晶硅頂電池2的厚度小于等于300nm;微晶硅底電池3的厚度小于等于2 Mi;低折射率納米孔周期陣列4為三氧化二鋁，其直徑和周期亞微米量級，深度不超過微晶硅底部;底部透明導電氧化物5為氧化錫，厚度為亞微米量級;金屬背反射電極6為銀，厚度足夠厚，沒有光可透過。
[0027]通過選擇不同材料并設置不同的結構參數，本發明的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池的子電池光吸收效率和光電流可被靈活調控。因此，本領域技術人員可以在本發明的基礎上做出有針對性的修改和改進。
【主權項】
1.一種基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，包括頂部透明電極(I)、非晶硅頂電池(2)、微晶硅底電池(3)、低折射率納米孔周期陣列(4)、底部透明導電氧化物(5)、金屬背反射電極(6);頂部透明電極(I)均勻覆蓋在非晶硅頂電池(2)上，微晶硅底電池(3)位于非晶硅頂電池(2)下方并與之構成串聯結構；底部透明導電氧化物(5)位于微晶硅底電池(3)和金屬背反射電極(6)之間；低折射率納米孔周期陣列(4)貫穿頂部透明電極(I)并深入非晶硅頂電池(2 )和微晶硅底電池(3 )中。2.根據權利要求1所述的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，所述的非晶硅頂電池(2)厚度小于等于300 nm，微晶硅底電池(3)厚度小于等于2 μm，且兩電池均為n-1-p結。3.根據權利要求1所述的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，所述的頂部透明電極(I)厚度為50-300 nm。4.根據權利要求1所述的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，所述的底部透明導電氧化物(5)厚度為50-300 nm。5.根據權利要求1所述的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，所述的低折射率納米孔周期陣列(4)的折射率低于非晶硅和微晶硅的折射率，且不吸收。6.如權利要求1所述的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，所述的低折射率納米孔周期陣列(4)貫穿頂部透明電極(I)并深入非晶硅頂電池(2)和微晶硅底電池(3)中，基于低折射率納米孔周期陣列(4)增強的光散射和光局域特性調控非晶硅頂電池(2)和微晶硅底電池(3)的光吸收效率，進而協調兩電池的光電流分配，實現光電流匹配；同時納米孔周期陣列的引入可減小非晶硅頂電池體積，進而消弱非晶硅材料固有的光致衰退效應，器件穩定性高。7.如權利要求1所述的基于納米孔周期陣列的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池，其特征在于，所述的頂部透明電極(I)和低折射率納米孔周期陣列(4)可減少電池表面反射。
【文檔編號】H01L31/0352GK106024932SQ201610425454
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】楊柳, 戴浩, 何賽靈
【申請人】浙江大學