[发明专利]作为非晶硅电池p层的透明导电聚合物

说明书

技术领域

本发明属于太阳能材料范围，特别涉及到应用于薄膜光伏器件的材料技术。

背景技术

近年来，薄膜太阳能光伏电池和大面积模块或模板(光电组件)的开发已受到世界范围的瞩目。氢化非晶硅，特别是纳米晶硅(纳米硅)广泛应用于商业及住宅光电器件的巨大潜力已经显示出来。在低于260℃的温度下制成的氢化硅薄膜光电器件有一个重要特征，就是通过大面积沉积所述半导体硅薄膜和电接触层时，使用廉价的薄膜基板材料和精湛的处理方法和设备，使其同时具有低生产成本和优良性能的优势。在同一基板上进行的激光刻线制程，允许多个太阳能电池形成并被单一地电路集成串联，在薄膜沉积的过程中直接生成大面积光伏模板。

光伏(PV)器件，又称为太阳能电池或光电转换装置，被用于将辐射能(例如太阳光，白炽光或萤光)转换成电能。这一转换的实现被称为光伏效应。当辐射穿过光电器件并被器件的活性区吸收时，电子和空穴对产生了。电子和空穴被器件里的电场分离开来，并被外电路收集。在具有p-i-n型结构的光伏电池中，当光辐射被本征层或i层(吸收层)吸收时，光致电子空穴对形成。在内置电场的影响下，电子流向n型导电区域，空穴流向p型导电区域，使它们发生分离，这种基于吸光后的电子空穴流动产生了光伏电池的光电压与光电流。

根据已知的基于非晶硅或纳米硅及其合金的太阳能电池的构造，内置电场在由基于非晶硅(a-Si)或纳米硅(nc-Si)材料的p型、i型(本征)和n型膜层组成的结构中形成。一个典型的p-i-n型太阳能电池由以下部分组成：一个具有高透明度和结构稳定的首层或基板，一个在基板上形成的透明导电氧化物前电极(前接触层)，一个p层，一个i层，一个n层，另一个透明导电膜，一个金属膜，一个密封性的粘合剂和一个防护板。在操作中，阳光从太阳能电池基板的外侧进入p-i-n结构，虽然有时候p型纳米晶硅(nc-Si)也被使用，但通常选择作为p层6的材料是一种硼掺杂的、宽带隙的非晶硅合金，例如非晶硅碳(a-SiC)，非晶硅氮(a-SiN)或者非晶硅氧(a-SiO)。光伏“吸收层”或i层(又称转换层)通常由非晶硅、纳米硅或非晶锗硅合金构成。磷掺杂的n层通常由非晶硅或纳米硅组成。前透明导电氧化物电极层通常是由氟掺杂的锡氧化物(SnO₂:F)组成。透明导电膜通常是铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)。金属膜通常是铝或银。

很重要的一点是用来制造光伏器件的半导体材料能够将辐射尽可能地吸收，以高产量的产生电子和空穴，并且转换为有用的电能，提高转换效率。

在目前已知技术的p-i-n型薄膜硅光伏电池中，夹在p层和n层之间的非掺杂的i层远远厚于p层和n层。本征i层的作用是阻止电子空穴在被内置电场分离前复合。

有的入射光被掺杂层(p层和n层)吸收，因为这些层产生的载流子寿命极短，在被收集前就迅速复合。因此，在掺杂层的吸收对光伏电池光电流的生成没有帮助。因此掺杂层的最小吸收会增强p-i-n型光伏电池的短路电流。具有宽能带隙p层的功能之一，就是最大限度地减小p层的光吸收损耗，而不减弱其对内置电场的贡献。通过调整p层的能带隙(光带隙)，p层的吸收损耗可以通过包括p层带隙加宽材料(通常包括碳、氮、氧、硫等元素)而最小化。例如，p层通常由上述的硼掺杂的具有p型导电性的非晶硅碳(a-SiC)组成。但是，对p层带隙加宽材料的增加，必然导致了它的电阻率上升。因此，带隙加宽材料在p层中的浓度(原子成分百分比)不可太高，它被光电器件的内部电阻的最大许可值所限制。另一个问题是，传统的p层的能带隙相对于非晶硅i层还是不够宽，限制了光电压的提高。另外一点是，生长最佳的非晶硅碳合金p层的参数空间非常狭窄，给光伏板的工业化生产过程带来困难。最理想的宽带隙的非晶硅合金p层具有最高掺杂效率和导电性，且具有例如大于2.1-2.2eV的光带隙。基于非晶硅的光伏技术最新进展的部分原因是由于改进了不论是单结电池还是良好的多结电池中对光电压和光电流影响最大的p层的性能。为了尽量减少光损失，增强光电流，一个性能优良的p层的光能带隙必须尽可能宽，厚度尽可能低，费米能级靠近价带的边缘，充分导电(比如导电率高于10^-7Scm^-1)。它还必须在接触性能和沉积(生长)条件方面，与透明导电氧化物前电极层和邻近的i层(或缓冲层)具有兼容的特性。非常薄的p层(约10010纳米)必须具有厚膜的性能。光电压主要是在p-i分界面附近产生。除非使用附加的界面层，p层会和透明导电膜建立接触。为了提高光伏器件的效率，低接触“屏障”或有效的“隧道”功能是必要的。