[发明专利]薄膜硅光伏器件及其制造方法和背电极以及光伏组件

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏器件的领域，并且具体涉及一种薄膜硅光伏器件及其制造方法、用于该薄膜硅光伏器件的背电极、以及由多个薄膜硅光伏器件组成的光伏组件。

背景技术

太阳能是可再生能源以及不产生任何环境污染的清洁能源。太阳能光电(光伏)电池是近年来的热门研究领域之一，并且已经形成了备受瞩目的新兴产业。太阳能电池主要是以半导体材料为基础制造的，其工作原理是利用光电材料吸收光能后产生光电子的光电转换反应。可以将不同的材料用于太阳能电池，所述材料包括晶体硅、诸如砷化镓的III-V族化合物、诸如硫化镉和铜铟硒的晶体薄膜化合物、高分子材料、染料敏化的纳米晶体材料等等。一般地，对于用来制造太阳能电池的材料的要求是：1、该材料的能带隙(禁带)不能太宽；2、该材料应当有较高的光电转换效率；3、该材料本身及其生产对环境不造成污染；4、该材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上要求，晶体硅成为理想的太阳能电池材料，因而目前市场上的太阳能电池主要使用晶体硅材料。但是，高纯度和低缺陷的晶体硅的生产非常困难，并且由于单晶硅及多晶硅原材料供不应求并且电池生产工艺相当繁琐，因此晶体硅光伏组件的生产成本很高。此外，在晶体硅及其光伏器件的高温制造过程中要消耗大量能源，这也不利于环境保护。

随着近三十年来新材料和相关光伏技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池正显示出诱人的前景。为了节省高质量硅材料，对薄膜太阳能电池进行了大量研究开发，并且提出了以氢化非晶硅(a-Si)和氢化纳米硅为基础的薄膜硅太阳能电池。薄膜硅材料通常利用某种化学气相沉积法(CVD)形成，例如辉光放电，即等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。薄膜硅光伏模板(组件)的最大市场优势是其不可比拟的低成本和大规模生产过程，这是因为在大面积廉价基板(衬底)上沉积的光电转换器件的单位成本随生产量的提高而降低。施加于镀在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺使多个太阳能电池单元在薄膜沉积过程中直接形成内联集成式的大面积光伏模板，从而减少了加工步骤并且改善了产品的可靠性。在制造过程中的较低温度允许将包括价格低廉的柔性塑料的多种材料用作基板。另外，这种光伏模板的原材料充足易得，且不具有对人体或环境有害的物质。薄膜硅光伏器件的特点是电压高，充电性能好，弱光性能好，在高温下能保持较高的输出功率，并且易于做成具有所需透光度的部分透明或透视型的大面积光伏模板，从而相对于晶体硅电池具有更高的性价比。

背电极对于薄膜硅太阳能电池，尤其是大面积光伏模板的高光电转换率和可靠性至关重要。薄膜光伏器件的高效捕光能力对于有效地捕获弱吸收光并且把未被吸收的长波长光反射回光伏器件是必不可缺的。被反射的光再次进入硅吸收层以增加其被吸收的机率，从而增加光伏器件的光电流。在过去的实验中，银(Ag)最先被独立地用作基于非晶硅的太阳能电池或者模板的反光背电极。然而，用于非晶硅或纳米硅电池中的银膜的反射率比预期的低，部分原因是银和硅的混合导致了质量较差的银/硅界面，使得光折射系数在该界面没有急剧地改变。银膜直接与硅膜接触，使得银表面的量子化等离子体振动所致的光吸收损耗明显提高。更重要的是，由于与银相关的分流短路和太阳能电池的不稳定性，不能将纯银接触层应用于薄膜硅光伏器件的制造。此外，还尝试了将由诸如铝(Al)、铜(Cu)和铬(Cr)的其它单一金属制成的背接触层应用于a-Si薄膜太阳能电池，但是这种背接触层的光反射率远低于银(Ag)，从而导致太阳能电池的低功率。

考虑到上述问题，目前在实验室中获得的效率最高的薄膜硅太阳能电池都使用透明导电氧化物(TCO)氧化锌和银双层薄膜(ZnO/Ag)作为光反射性好且导电率高的背电极。

然而，ZnO/Ag的组合存在严重的问题。第一，当薄膜硅电池的硅层较薄时，低电阻所要求的足够厚的银膜会导致在电池的许多区域中出现明显的分流短路(shunt)，使得能量转化率降低并且光伏模块的成品率低。随着时间的推移，分流短路的现象往往变得更严重，并且这一问题在大面积模板的生产中尤其严重。第二，将较厚的银膜用作背电极使得光伏模板的稳定性明显下降，这是因为是银原子在电场影响下被温度激活而迁移，使得银沿着结构缺陷扩散到硅膜中。第三，银膜在接触含水分的空气时的不稳定性使得其光反射率在数月或更久之后明显降低，这导致光伏模板发电能力及寿命的损失。第四，由于银是贵金属，因此使用较厚的银膜导致生产成本较高。