阅读说明：本技术 一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制造方法 (Amorphous silicon/microcrystalline silicon laminated solar cell and manufacturing method thereof ) 是由 靳果 王记昌 朱清智 郭闯 袁铸 申一歌 王慧 于 2020-05-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制造方法。按照制备顺序,该太阳电池结构依次由柔性透明衬底、前电极、非晶硅顶电池、连接层、微晶硅底电池、背电极组成。本发明利用连接层串联顶电池和底电池,可以优化子电池的光吸收比例,并且有利于光生载流子克服子电池界面处的反向势垒,从而在降低非晶硅顶电池厚度的情况下实现顶电池和底电池的短路电流密度相匹配,一方面提高太阳电池整体的短路电流密度,改善太阳电池的光电转换效率,另一方面减弱非晶硅顶电池的光致衰退效应,提高电池的稳定性。(The invention discloses an amorphous silicon/microcrystalline silicon laminated solar cell and a manufacturing method thereof. According to the preparation sequence, the solar cell structure sequentially comprises a flexible transparent substrate, a front electrode, an amorphous silicon top cell, a connecting layer, a microcrystalline silicon bottom cell and a back electrode. According to the invention, the connecting layer is connected in series with the top cell and the bottom cell, so that the light absorption ratio of the sub-cell can be optimized, and a photon-generated carrier is facilitated to overcome a reverse potential barrier at the interface of the sub-cell, so that the short-circuit current density of the top cell and the short-circuit current density of the bottom cell are matched under the condition of reducing the thickness of the amorphous silicon top cell, on one hand, the overall short-circuit current density of the solar cell is improved, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is improved, on the other hand, the light-induced degradation effect of the amorphous silicon top cell is.)

一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制造方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体是一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池及其制造方法。

背景技术

非晶硅/微晶硅(a-Si：H/μc-Si：H)叠层太阳电池，由光学带隙约为1.70eV的非晶硅顶电池与光学带隙约为1.10eV的微晶硅底电池串联构成，这种叠层结构扩宽了太阳电池的光谱响应范围，提高了对太阳光的利用率。

但是，叠层太阳电池的性能不仅与顶、底电池各自的光电转换能力有关，而且在很大程度上受限于顶电池和底电池的电流匹配程度，叠层太阳电池整体的短路电流密度取决于最小的子电池短路电流密度。另外，非晶硅顶电池由于非晶硅材料本身所具有的光致衰退现象，会造成叠层太阳电池整体光电转换性能随着光照时间而衰退。

因此，非晶硅/微晶硅叠层太阳电池所面临的主要技术问题，一是提高顶、底电池的短路电流密度匹配程度，改善叠层太阳电池效率，二是降低非晶硅顶电池的厚度，提高叠层太阳电池光电转换性能的稳定性。

发明内容

针对上述叠层太阳电池的主要问题，本发明提出一种新型的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池结构，通过连接层串联顶电池和底电池，降低顶电池和底电池界面处的反向势垒效果，对顶电池和底电池的光吸收比例进行优化，从而降低顶电池的厚度，并改善顶、底电池的短路电流密度匹配程度，得到高转换效率和高稳定性的叠层太阳电池，最主要的，得到连接层的最佳结构参数和顶、底电池的最佳厚度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，按照制备顺序，该太阳电池依次由柔性透明聚酰亚胺衬底、铝掺杂ZnO薄膜、第一p型硅薄膜、第一本征硅薄膜、第一n型硅薄膜、第二n型硅薄膜、硼掺杂ZnO薄膜、第二p型硅薄膜、第三p型硅薄膜、第二本征硅薄膜、第三n型硅薄膜和金属Al薄膜组成。

本发明所述的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的制造方法，具体步骤如下：

(1)衬底安装和清洗；

将柔性透明的聚酰亚胺薄膜裁剪为合适尺寸并绷紧装在模具上，模具放入清洗容器中并加入去离子水，容器放入超声清洗机中清洗两遍，各15分钟，取出后用氮气枪将聚酰亚胺衬底和模具吹干并放入烘箱内烘干。

(2)制备前电极；

将模具装入直流对靶磁控溅射系统，完成前电极铝掺杂ZnO薄膜的制备。

(3)制备第一p型硅薄膜；

将模具装入等离子体化学气相沉积系统装片室的支架上，真空度达标后转入p型非晶硅材料沉积室，完成顶电池的第一p型硅薄膜的制备。

(4)制备第一本征硅薄膜；

用真空泵抽取残余气体，真空度达标后转入本征型非晶硅材料沉积室，完成顶电池的第一本征硅薄膜的制备。

(5)制备第一n型硅薄膜；

用真空泵抽取残余气体，真空度达标后转入n型非晶硅材料沉积室，完成顶电池的第一n型硅薄膜的制备。

(6)制备第二n型硅薄膜；

用真空泵抽取残余气体，真空度达标后转入n型微晶硅材料沉积室，完成连接层的第二n型硅薄膜的制备。

(7)制备硼掺杂ZnO薄膜；

将模具由等离子体化学气相沉积系统装片室取出，放入金属有机化学气相沉积系统，完成连接层的硼掺杂ZnO薄膜的制备。

(8)制备第二p型硅薄膜；

将模具由金属有机化学气相沉积系统取出，装入等离子体化学气相沉积系统装片室的支架上，真空度达标后转入p型微晶硅材料沉积室，完成连接层的第二p型硅薄膜的制备。

(9)制备第三p型硅薄膜；

调整反应物浓度连续沉积，完成底电池的第三p型硅薄膜的制备。

(10)制备第二本征硅薄膜；

用真空泵抽取残余气体，真空度达标后转入本征型微晶硅材料沉积室，完成底电池的第二本征硅薄膜的制备。

(11)制备第三n型硅薄膜；

用真空泵抽取残余气体，真空度达标后转入n型非晶硅材料沉积室，完成底电池的第三n型硅薄膜的制备。

(12)制备金属Al薄膜；

将模具由等离子体化学气相沉积系统装片室取出，放入金属热蒸发系统，完成背电极金属Al薄膜的制备。

其中，所述第一n型硅薄膜的厚度为4nm；

所述第二n型硅薄膜为n型氢化微晶硅薄膜，厚度为22nm，掺杂浓度为5.7×10¹⁸cm^-3；

所述硼掺杂ZnO薄膜的厚度为40nm，掺杂浓度为5.8×10¹⁹cm^-3；

所述第二p型硅薄膜的厚度为19nm，掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3；

所述第三p型硅薄膜的厚度为3nm；

所述太阳电池有效面积为2.6cm²，顶电池厚度为275nm，底电池厚度为2680nm。

本发明采用新型的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池结构，改善了顶、底电池短路电流密度失配问题，提高了叠层太阳电池光电转换性能，转换效率达到12.9％；将非晶硅顶电池的厚度降为275nm，提高了叠层太阳电池的光照稳定性，1000h光致衰退率在7.5％以内。

附图说明

图1为本发明提出的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池结构示意图。

具体实施方式

为了更加明确的阐述本发明所解决的技术问题、技术方案和有益效果，以下结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例S1

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S1中，第一n型硅薄膜的厚度为4nm，第二n型硅薄膜的厚度为22nm，第二p型硅薄膜的厚度为19nm，第三p型硅薄膜的厚度为3nm。

对比例T1-1～T1-8

叠层太阳电池T1-1～T1-8的制备改为下述表1中记载的结构，与叠层太阳电池S1相比，仅调整第一n型硅薄膜、第二n型硅薄膜、第二p型硅薄膜和第三p型硅薄膜的厚度，除此以外，采用与叠层太阳电池S1相同的方法制备叠层太阳电池T1-1～T1-8。

表1叠层太阳电池S1与T1-1～T1-8的结构和性能测试结果

表1注释：厚度为“0”的薄膜，代表叠层太阳电池结构中不含该层。

从表1中可知，结构中包括第一n型硅薄膜、第二n型硅薄膜、第二p型硅薄膜和第三p型硅薄膜的叠层太阳电池性能较高，且叠层太阳电池结构中第一n型硅薄膜和第三p型硅薄膜的最佳厚度分别为4nm和3nm。

实施例S2

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S2中，第二n型硅薄膜的为n型氢化微晶硅薄膜。

对比例T2-1～T2-4

叠层太阳电池T2-1～T2-4的制备改为下述表2中记载的结构，与叠层太阳电池S2相比，将第二n型硅薄膜的材料类型调整为n型氢化非晶硅薄膜，并调整该n型氢化非晶硅薄膜的厚度，除此以外，采用与叠层太阳电池S2相同的方法制备叠层太阳电池T2-1～T2-4。

表2叠层太阳电池S2与T2-1～T2-4的结构和性能测试结果

由表2可知，叠层太阳电池结构中，第二n型硅薄膜采用n型氢化微晶硅薄膜比n型氢化非晶硅薄膜可以得到更高的转换效率。

实施例S3

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S3中，第二n型硅薄膜的厚度为22nm。

对比例T3-1～T3-3

叠层太阳电池T3-1～T3-3的制备改为下述表3中记载的结构，与叠层太阳电池S3相比，仅调整第二n型硅薄膜的厚度，除此以外，采用与叠层太阳电池S3相同的方法制备叠层太阳电池T3-1～T3-3。

表3叠层太阳电池S3与T3-1～T3-3的结构和性能测试结果

由表3可知，叠层太阳电池结构中，第二n型硅薄膜的最佳厚度为22nm。

实施例S4

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S4中，第二n型硅薄膜的掺杂浓度为5.7×10¹⁸cm^-3。

对比例T4-1～T4-3

叠层太阳电池T4-1～T4-3的制备改为下述表4中记载的结构，与叠层太阳电池S4相比，仅调整第二n型硅薄膜的掺杂浓度，除此以外，采用与叠层太阳电池S4相同的方法制备叠层太阳电池T4-1～T4-3。

表4叠层太阳电池S4与T4-1～T4-3的结构和性能测试结果

由表4可知，叠层太阳电池结构中，第二n型硅薄膜的最佳掺杂浓度为5.7×10¹⁸cm^-3。

实施例S5

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S5中，第二p型硅薄膜的厚度为19nm。

对比例T5-1～T5-3

叠层太阳电池T5-1～T5-3的制备改为下述表5中记载的结构，与叠层太阳电池S5相比，仅调整第二p型硅薄膜的厚度，除此以外，采用与叠层太阳电池S5相同的方法制备叠层太阳电池T5-1～T5-3。

表5叠层太阳电池S5与T5-1～T5-3的结构和性能测试结果

由表5可知，叠层太阳电池结构中，第二p型硅薄膜的最佳厚度为19nm。

实施例S6

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S6中，第二p型硅薄膜的掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3。

对比例T6-1～T6-3

叠层太阳电池T6-1～T6-3的制备改为下述表6中记载的结构，与叠层太阳电池S6相比，仅调整第二n型硅薄膜的掺杂浓度，除此以外，采用与叠层太阳电池S6相同的方法制备叠层太阳电池T6-1～T6-3。

表6叠层太阳电池S6与T6-1～T6-3的结构和性能测试结果

由表6可知，叠层太阳电池结构中，第二n型硅薄膜的最佳掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3。

实施例S7

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S7中，硼掺杂ZnO薄膜的厚度为40nm。

对比例T7-1～T7-5

叠层太阳电池T7-1～T7-5的制备改为下述表7中记载的结构，与叠层太阳电池S7相比，仅调整硼掺杂ZnO薄膜的厚度，除此以外，采用与叠层太阳电池S7相同的方法制备叠层太阳电池T7-1～T7-5。

表7叠层太阳电池S7与T7-1～T7-5的结构和性能测试结果

由表7可知，叠层太阳电池结构中，硼掺杂ZnO薄膜的最佳厚度为40nm。

实施例S8

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S8中，硼掺杂ZnO薄膜的掺杂浓度为5.8×10¹⁹cm^-3。

对比例T8-1～T8-4

叠层太阳电池T8-1～T8-4的制备改为下述表8中记载的结构，与叠层太阳电池S8相比，仅调整硼掺杂ZnO薄膜的掺杂浓度，除此以外，采用与叠层太阳电池S8相同的方法制备叠层太阳电池T8-1～T8-4。

表8叠层太阳电池S8与T8-1～T8-4的结构和性能测试结果

表8注释：掺杂浓度为“0”的薄膜，代表该薄膜在制备时不进行掺杂。

由表8可知，叠层太阳电池结构中，硼掺杂ZnO薄膜的最佳掺杂浓度为5.8×10¹⁹cm^-3。

实施例S9

如图1所示的一种非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，从光的入射方向依次由柔性透明衬底(1)、前电极(2)、非晶硅顶电池(3)、连接层(4)、微晶硅底电池(5)以及背电极(6)组成；其中，柔性透明衬底(1)为柔性透明的聚酰亚胺薄膜材料；前电极(2)为铝掺杂ZnO薄膜；非晶硅顶电池(3)从光的入射方向依次由第一p型硅薄膜(7)、第一本征硅薄膜(8)和第一n型硅薄膜(9)构成；连接层(4)从光的入射方向依次由第二n型硅薄膜(10)、硼掺杂ZnO薄膜(11)和第二p型硅薄膜(12)构成；微晶硅底电池(5)从光的入射方向依次由第三p型硅薄膜(13)、第二本征硅薄膜(14)和第三n型硅薄膜(15)构成；所述背电极(6)为金属Al薄膜。

叠层太阳电池S9中，顶电池厚度为275nm，底电池厚度为2680nm。

对比例T9-1～T9-7

叠层太阳电池T9-1～T9-7的制备改为下述表9中记载的结构，与叠层太阳电池S9相比，仅调整顶电池和底电池的厚度，除此以外，采用与叠层太阳电池S9相同的方法制备叠层太阳电池T9-1～T9-7。

表9叠层太阳电池S9与T9-1～T9-7的结构和性能测试结果

由表9可知，叠层太阳电池结构中，顶电池和底电池的最佳厚度分别为275nm和2680nm。

对比例T9-4

叠层太阳电池T9-4为不加入连接层时性能最佳的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，其顶电池和底电池厚度如下述表10中记载。

表10叠层太阳电池S9与T9-4的结构和性能测试结果

表11叠层太阳电池S9与T9-4的光照测试结果

由表10和表11可知，新型非晶硅/微晶硅叠层太阳电池结构中包括连接层，非晶硅顶电池的厚度降低，顶、底电池的匹配度提高，转换效率达到12.9％，1000h光照衰退率在7.5％以内。

通过以上具体的实施例和对比例详细的描述了本方明，但本发明并不局限于以上所述实施例，凡在分发明的原理和结构之内所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。