[发明专利]一种电池用复合中间反射层以及多结多叠层硅基薄膜电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有复合中间反射层结构的薄膜太阳能电池结构，可方便应用于大规模产业化的硅基薄膜太阳能电池的制造技术中。

背景技术

1994年，瑞士IMT小组率先提出非晶/微晶硅叠层电池的设计概念，获得转换效率为9.1%的电池，这种叠层电池结构被认为是获得高效率、高稳定性硅基薄膜太阳能电池的有效途径。但是这种串联叠层结构面临着一个挑战，即受光诱导衰减的限制，通常a-Si电池的厚度必须适当减薄，而由于厚度较薄，其电流通常限制着串联器件的电流；1996年，Fischer D等首次提出在叠层电池中加入ZnO中间反射层可使电池的量子效率和短路电流得到显著改善，由此获得了13.1%的电池转换效率，中间反射层的引入被认为是解决非晶层减薄所造成的效率损失的有效途径之一；2006年，Kaneka开发出一种新的中间层材料，其在600nm波长的折射率为1.7，对短波光线具有更好的反射效果，利用该材料制备的叠层电池效率达到13.4%，但是此中间层的材料和结构并未披露。随后对ZnO基中间反射层的研究中发现，当ZnO的厚度小于100nm时，顶电池的短路电流密度Jsc随中间反射层厚度的增加呈线性增加，研究指出作为中间反射层的ZnO材料的厚度应小于100nm。但是对于工业生产来说，ZnO基中间反射层存在两个主要缺陷，首先是需要额外的非原位沉积步骤来沉积ZnO基中间反射层，其次是需要额外的激光划刻来进行整体系列的相互连接，以避免电池模组部分的侧向分流。2008年，Buehlmann等提出掺杂SiO_X作为中间反射层，通过原位沉积即可实现，实验证实此SiO_x基中间反射层的折射率接近2，并且具有较好的电学性质，制备出顶电池、SiO_X基中间反射层、底电池厚度分别为270nm,95nm和1800nm的非微晶电池，其效率达到12.2%(Voc=1.40V,FF=71.9%,Jsc=12.1mA/cm²)。

中间反射层的概念是在顶底电池之间引入一个薄的反射层，在不增加顶电池吸收层厚度的情况下，增加顶电池的光吸收，从而提高顶电池的短路电流密度。通常中间反射层的折射率（1.5<n_{中间反射层}<2.2）要低于Si的折射率(n_Si≈4)，这样才能在顶电池中起到反射光的作用，同时中间反射层必须要透明，具有较小的光吸收系数，尽可能减少活性层以外对光吸收产生的电流损失；同时中间反射层还应具有较好的电导率，避免阻碍电流。

在多结多叠层硅基薄膜太阳能电池的制造技术中，如何控制电池光致衰减和提升电池效率一直是最为重要的两个课题。而中间反射层技术的提出很好的化解了此相互矛盾的课题，使得在减薄亚稳态非晶层厚度的同时，电池的稳定性得到提高，电池效率不会损失甚至会得到提高。而中间反射层的导电性能和选择性反射性能一直是能否有效提升电池性能的关键，尽管陆续有不同设计和不同材料的中间反射层被提出和应用，但是此问题并未得到很好的解决。

多年来IMT、Julich、Kaneka等知名学术机构和公司一直致力于中间层的研究和开发，但大多为单层设计的中间层，据我们所知，迄今为止公开文献上尚未有人提出本发明所描述的新型复合结构的中间反射层。而采用单层设计存在过厚的中间层引起的诸多问题：（1）中间反射层通过引入氧元素来调节折射率，厚的单层结构氧化膜本身电导率不佳，不利于电池效率的进一步提升；（2）中间层通常置于前层PIN结的n型层中，单层结构会削弱电池内部内建电场，导致开路电压有所损失；（3）单层结构仅存在一个选择性反射界面，而多层复合结构存在多个反射界面，相比较更有利于提高光线的选择性反射，从而使短波光线更有效的反射而被前层电池所吸收。

发明内容

针对传统中间反射层技术中存在的缺陷，例如膜层电导率低、选择性反射效果差，提出一种复合中间反射层及相应的电池结构，所述的复合中间反射层为多层交替的复合结构，优点如下：（1）提升中间反射层电导率；（2）增加反射几率而改善选择性反射效果；（3）有效保持电池PIN结构的结电场。这样，一方面可以提升不同能隙材料对其特定波段光能的有效吸收，提高该结电池的电流密度和电压；另一方面可以改善电池电导率，减少转换电能在电池内部的损耗。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明的技术方案之一：