[发明专利]薄膜硅太阳能电池的背散射表面及其制备方法

说明书

技术领域

本发明技术涉及材料科学、绿色能源、物理光学，在太阳能薄膜电池研究领域有应用前景。

背景技术

在常规能源短缺并造成环境污染，导致全球气候变暖、人类生态环境恶化的形势下，符合可持续发展战略的新能源的开发利用越来越受到了世界各国的重视。光伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，已成为二十一世纪最重要的新能源之一。

太阳能光伏电池是一种将光能量转换成电能的半导体器件。基于单晶硅或者多晶硅硅片的晶体硅电池用厚度为数百微米的P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成pn结而制成，这种电池生产技术成熟，大规模量产的电池太阳能转换效率达18%，是光伏电池市场的主导产品，目前市场占有率高达90%。但是，晶体硅电池本身生产成本较高，组件价格居高不下。与晶体硅太阳能电池相比，薄膜硅太阳能电池的厚度一般在几个微米，相对于数百微米厚度的晶体硅电池来说大大节省了原材料，而且薄膜硅太阳能电池的制作工艺相对简单，成本较为低廉，适合于大面积制作，因此在近年来获得了长足的发展。

然而硅是一种间接带隙材料，其在带隙对应的波长附近(λ＝λg =1.107 μm)对光子仅有非常低的吸收系数。尤其在800～1100 nm的波长范围，对光子的吸收长度达到10μm～3mm，远超出了通常概念上的薄膜太阳能电池结构中硅薄膜吸收层的厚度，因此在此光谱范围对光子的吸收系数不高。当前大规模产业化的薄膜硅太阳能电池转换效率只有5%-8%，为晶体硅太阳能电池组件的一半左右，其中硅材料在近红外波段的吸收系数不高是一个重要因素，这在一定程度上限制了薄膜硅太阳能电池的应用范围，也增加了光伏系统每单位功率的发电成本。因此对薄膜硅太阳能电池开展持续的研究，利用新的技术与工艺降低薄膜硅太阳能电池的成本，从而进一步降低薄膜硅太阳能电池的单位发电成本，显得非常必要和迫切。

提高薄膜硅太阳能电池对入射太阳光子俘获效率的方法主要包括：①减小太阳光辐射在电池表面的反射损耗；②增加入射光在电池吸收层内的传输距离。在第二个方法中，设置背表面高效率光散射层是增加入射光在电池吸收层内传输距离的重要途径。

作为背反射器件结构的一部份，背反射层中的微结构在太阳能电池的光俘获机制中起着非常重要的作用。依据散射特性或衍射级别的不同，微结构将入射光散射或衍射到较大的偏离垂直入射方向的角度。当经背反射层散射或衍射的光的传输角度大于硅-空气界面的临界角时，会使大部分能量在上表面硅-空气界面处反射回硅吸收层，由此大大增加光在吸收层中的传输距离。同时，背反射层还须承担将太阳能电池的电流向外输出的电极作用，因此背反射层还应具有良好的导电性能。Ag和Al是常用的两种背反射层材料，其中Ag的导电性和可见光反射率均优于Al，尤其是作为电极在薄膜硅太阳能电池的制备中与沉积在其上面的透明导电层和薄膜硅吸收层有良好的界面相容特性，因此通常认为是最佳的选择。但由于Ag作为贵金属，其价格远高于Al，因而在实验室小面积电池研究中常采用Ag作为背反射层，而在大面积商用电池上为降低成本，则通常用Al来取代Ag。

瑞士Paul Scherrer研究所的Heine等人通过在电池背面构建Ag的二元光栅，在很大程度上增加了入射光子在薄膜硅太阳能电池硅活性吸收层中的传输距离；德国光伏研究所的Haase等人则分别利用金属Ag反射和分布布拉格反射增强了光在电池内后界面的反射，从而将入射的太阳光限制于电池内部。

制备表面光散射层的更为简单的方法是通过物理或化学方法，在作为衬底的表面上直接形成一定形状或粗糙度的表面结构，然后再沉积上构成太阳能电池电极所需的金属Ag薄膜。目前应用的最多的衬底是Aashi U形玻璃，这种玻璃表面具有微小的陨石坑状的结构，其尺度范围为微米量级。在这样的玻璃表面上制备高反射金属Ag薄膜，然后再沉积制备薄膜硅太阳能电池的其它功能层，已被证明是很有效的提高薄膜硅太阳能电池光俘获效率的途径。也有直接在玻璃或不锈钢基底上沉积高反射金属Ag薄膜，然后在真空环境600℃条件下进行热处理，从而使金属Ag薄膜表面粗糙化，以适用于薄膜硅太阳能电池的制作。但是现有的金属Ag薄膜背散射表面是先在衬底上沉积Ag薄膜，然后在高真空室内通过对薄膜加热处理而得到的，为使Ag表面形成粗糙结构，通常需要在近600℃的高温下进行热处理，因此不易在常规的真空沉积室上实现。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于薄膜硅太阳能电池的背散射表面，该背散射表面具有大的漫散射特性，并具有良好的导电性能。