[发明专利]用于光生伏打装置的基材

说明书

本申请要求2008年3月25日提交的美国专利临时申请第61/039,398号的优先权。

背景技术

发明领域

实施方式一般涉及光生伏打电池，更具体涉及用于光生伏打电池的光散射基材和覆材(superstrate)。

背景技术

对于薄膜硅光生伏打太阳能电池，光优选有效地结合入硅层，然后被俘获在该层中，提供足够进行光吸收的路径长度。特别优选大于硅厚度的光路长度。

结合了无定形硅和微晶硅的常规串联电池通常包括：在其上设置有透明电极的基材，无定形硅的顶部电池，微晶硅的底部电池，以及背面接触或对电极。光通常从沉积基材一侧入射，使得基材在此电池结构中作为覆材。

无定形硅主要在低于700纳米(nm)的光谱可见光部分吸收，而微晶硅的吸收与大块晶体硅类似，随着向延伸至大约1200纳米的过程，吸光率逐渐降低。这两种材料都能够由具有提高的散射和/或改进的透射的表面获益。

透明电极(也称为透明导电氧化物，TCO)通常是氟掺杂的SnO₂膜(FTO)或者铝掺杂的或硼掺杂的ZnO(分别为AZO或BZO)膜，厚度约为1微米，对其进行织构化，用来将光散射入无定形Si和微晶Si。散射的主要测量方式称为“雾度”，定义为散射到进入电池的光束2.5度以外的光与向前透射过电池的全部的光之比。由于散射表面对波长的依赖性，在300-1200纳米的很宽的太阳光谱范围内，雾度通常不是恒定的值。另外，如上文所述，对单次通过硅的均匀薄层而吸收的光，对长波长光的俘获要比对短波长光的俘获更重要。

在一些常规的光生伏打应用中，在550纳米波长处测得，雾度约为10-15％。但是，所述散射分布函数(distribution function)并不是仅由这一个参数支配的，相对于窄角散射，大角散射能够更有效地提高在硅内的路径长度。对于不同种类的分布函数的文献表明，改进的大角散射对电池的性能具有显著的影响。

可以通过各种技术对TCO表面进行织构化。例如，对于FTO，可以通过用来沉积膜的化学气相沉积法(CVD)的参数来控制织构。对于AZO或BZO，通常在沉积之后采用等离子体处理或者湿法蚀刻形成所需的形貌。

在过去，雾度通常写作单个数字的形式。长波长响应对微晶硅是特别重要的。更近些时候，报道了随波长变化的雾度值。因为散射与波长和散射体的尺寸直接相关，所以可以通过改变织构化的表面上的特征的尺寸来改良波长响应。可以在单个织构中将大的特征尺寸和小的特征尺寸结合起来，同时在长波长和短波长提供散射。这样的结构还将光俘获的功能性与改进的透光性相结合。另一方面，对于无定形Si，较短的波长是有益的。

织构化的TCO技术可能包括以下的一种或多种缺点：1)织构的粗糙结构会降低沉积的硅的质量，造成电短路，从而降低太阳能电池的总体性能；2)织构的最优化同时受到沉积或蚀刻工艺可以形成的织构以及与较厚的TCO层相关的透光性降低的限制；以及3)对于ZnO的情况，为了制造织构而采用等离子体处理或湿法蚀刻会增加成本。

另一种满足薄膜硅太阳能电池的光俘获需求的方法是在沉积氮化硅之前，对硅下方的基材进行织构化，而不是对沉积的膜进行织构化。在一些常规的薄膜硅太阳能电池中，采用通孔代替TCO，用以与接触基材的Si的底部形成接触。一些常规的薄膜硅太阳能电池中的织构化由沉积在平面玻璃基材上的粘结剂基质中的SiO₂颗粒组成。此类织构化通常使用溶胶-凝胶法完成，其中颗粒悬浮在液体中，牵拉基材通过液体，然后进行烧结。珠粒保持球形，通过烧结的凝胶保持在原位。

织构化的玻璃基材法可能包括以下的一种或多种缺点：1)需要溶胶-凝胶化学方法和相关的工艺以提供玻璃微球体与基材的结合；2)所述工艺在玻璃基材的两个侧面上形成织构化的表面；3)与氧化硅微球体和溶胶-凝胶材料相关的额外成本；以及4)硅膜中膜粘着性和/或形成裂纹的问题。

人们已经开发了许多另外的方法，在TCO沉积之前制造织构化的表面。这些方法包括喷砂，聚苯乙烯微球体沉积和蚀刻，以及化学蚀刻。这些涉及织构化的表面的方法可能在可以形成的表面织构种类方面受到限制。