[发明专利]太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域。更具体而言，本发明涉及包含载体(support)、背电极层(back electrode layer)、至少一个氢化微晶硅光电器件和上电极层(top electrode layer)的太阳能电池。本发明也涉及包含一组非晶硅或硅合金光电器件(吸收蓝光至红光，对于SiGe合金可能吸收红外线)和微晶光电器件(吸收红光至红外线)的太阳能电池。这种电池被称为多结电池(multiple-junction cell)。本发明也涉及制造这种太阳能电池的方法。

本发明的特别有利应用是制造用于产生电能的光伏电池，但是，一般而言，本发明也涉及其中将光辐射转化为电信号如的任何结构光电探测器。

发明背景

可结合氢化非晶硅(a-Si:H)使用氢化微晶硅(μc-Si:H)以制造所谓的“非晶微晶叠层(micromorph)”电池，其与单结a-Si:H或μc-Si:H器件相比能够更有效地利用全部太阳光谱。在a-Si:H和μc-Si:H的情况中，期望具有可能的最薄的有效吸收剂层。这种对于薄的期望部分地是由于众所周知的存在于a-Si:H中的光致衰退(light induced degradation)(LID)效应或Staebler-Wronski效应，也是由于期望减少薄膜硅太阳能电池中材料的使用。另外，当吸收剂层厚度大于大约4-6μm时，μc-Si:H开始发生开路电压(Voc)和填充因子(fill factor)(FF)的减小。

但是，较薄的吸收剂层将吸收较少的入射光并将降低电池的光电流。陷光作用提供了对于光吸收降低问题的解决方案。通过引入结构——通过用透明和纳米结构(nanotextured)的材料涂覆玻璃或通过用粗糙反射结构涂覆不透明基底——获得陷光作用。当光通过该膜时，光在粗糙界面被散射。这种散射可增加通过吸收剂层的有效光程长度(如果漫射以高角度发生)并可在器件内导致多个内部反射。这两种作用结合引起陷光作用，并且可增加吸收剂层的有效厚度而不需要增加实际吸收剂层厚度。文献中报道了5-20的总光程增加的一般值。陷光作用所需特征的一般尺寸和粗糙度对于a-Si:H在100-300nm侧向特征尺寸的范围内，rms粗糙度在30-200nm的范围内，对于μc-Si是200-2000nm，以及对于μc-Si:H，rms粗糙度在50-500nm的范围内。

在结构中，已经发现几种材料与a-Si:H和μc-Si:H一起很好地发挥作用，用于光散射：通过APCVD沉积的天然结构的(textured)SnO₂、溅射蚀刻的ZnO、低压化学气相沉积(LPCVD)的ZnO。例如，LPCVDZnO具有散射光的棱锥形特征的自然粗糙表面。可通过沉积参数改变棱锥形特征，从而控制哪些波长由ZnO优先散射。而且，高的内部反射和真正总的内部反射在a-Si:H/μc-Si:H和ZnO的界面处是可能的。因此，当结合氢化硅电池使用时ZnO提供良好的陷光作用。

可是，一般而言，存在大多数光散射方案的严重缺点。在实现器件中发生的严重问题是当引入粗糙结构以实现强的光散射时，它们也往往在随后生长的太阳能电池的吸收剂层中形成缺陷，其也被称为裂纹。这种作用是非常普遍的，并且适用于所有粗糙(均方根rms＞20nm)超基板(顶衬基板，superstrate)和具有短半径曲率(一般小于100nm)的凹谷方向呈现“尖锐”特征的基底电极。这对于特别受基底形态影响的μc-Si:H器件尤其如此。

特别地，在粗糙LPCVD ZnO或粗糙SnO或粗糙棱锥形结构上沉积的μc-Si:H发生Voc和FF损失，这是由粗糙基底形态产生的裂纹形成引起。几乎总是这样，例如，当增加ZnO的粗糙度确实增加了粗糙LPCVD ZnO上制备的电池的短路电流(Jsc)时，但是由于Voc和FF的损失，效率没有被最大化。相反地，在平的基底上制备的μc-Si:H电池显示了非常高的Voc和FF，但是发生未达最佳的Jsc。这对于在不透明的背反射层(backreflector)上制备的太阳能电池也是如此。

对于微晶电池有害的这种作用在非晶微晶叠层电池中可非常强地出现。如图1显示，在非晶上层电池1生长后，裂纹2继续延伸或甚至开始在微晶层3中生长。这导致Voc和FF的强烈降低。实际上，全世界范围的许多生产线都在防止这种作用。

已经发现一些解决方案来解决该问题。