[发明专利]太阳能电池性能的改进方法及其结构

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池技术领域，具体地说涉及太阳能电池性能的改进方法及其结构。更具体地，涉及一种微晶硅单节薄膜电池和非晶微晶叠层电池，以及一种提高所述微晶硅单节薄膜电池和非晶微晶叠层电池的填充因子及改善其温度系数的方法。

背景技术

随着全球能源危机的日益加剧，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，在全球范围内越来越受到关注。其中，光伏发电是大规模、经济地利用太阳能的最重要的手段之一，太阳电池组件是实现光电转换的最主要部件。受原材料限制和制备工艺的影响，晶体硅电池已经很难再提高转换效率和降低成本。目前各国的研究重点都转向了低成本、高效率和大面积的薄膜太阳电池的研发上。

硅基薄膜太阳能电池和组件，相对晶体硅电池和组件而言，除了材料的节省，潜在的成本优势以外，功率温度系数低也是其优势之一。电池或者组件的功率温度系数是评价其在实际应用中发电量的重要指标。太阳电池组件在户外阳光照射下，内部的温度会随着辐照的时间和周围环境而逐渐升高，导致组件输出功率的下降。功率温度系数是组件功率随着自身温度的增加而下降程度的表征。对于相同的装机容量的光伏发电系统，越小的功率温度系数可以获得更大的电能产出。晶硅电池和组件的功率温度系数通常在-0.45～-0.49%/℃，非晶硅单节电池和组件的功率温度系数在-0.26%/℃~-0.28%/℃。因此，非晶硅组件在气候炎热的地区或者其他地区的正午高温天气下，将表现出更大的发电量。将非晶硅与微晶硅叠层是目前业界普遍采用的提高了硅基薄膜电池的光电转化效率的方法，但由于微晶层与晶体硅类似，具有较高的温度系数，导致叠层系统温度系数变差。非晶微晶叠层电池和组件的功率温度系数通常在-0.28%/℃~-0.38%/℃。目前为止，改善该结构的温度系数的方法，通常都集中在提高Voc上，如采用宽带隙的本征层材料SiOx[K.Sripraphaet.al,Solar Energy Materials&Solar Cells 95(2011)115–118]等。但是采用宽带隙本征层，会随着带隙增加引起组件吸收系数下降，进而不得不采用增加厚度的方式来补偿电流的损失。这样不仅会增加工艺时间，而且更主要的是会导致大的光致衰减。如何在不增加电池结构和工艺的复杂程度下，改善微晶硅子电池和非晶微晶叠层电池功率温度系数，并且维持较高的光电转化效率是目前急需解决的问题。

通常硅基薄膜电池都是生长在大粗糙度的TCO（Transparent ContactOxide，透明导电氧化物）表面上，以增加光在该结构中的总光程，实现多次吸收，提高光电转化效率[J.Muller,B.Rech,J.Springer,and M.Vanecek,Sol.Energy 77,917（2004）]。然而在粗糙表面上生长微晶硅子电池或者非晶微晶叠层结构，却面临着P型掺杂层不能完全覆盖前一个生长表面的问题。这引起了微晶硅本征层生长过程中空隙的形成，最后形成漏电渠道，导致开路电压（Voc）和填充因子（FF）的下降[Journal of Non-Crystalline Solids,V354,Issues19-25,1May 2008,Pages 2258-2262]。这是微晶硅子电池和叠层结构温度系数变差的主要原因之一。2010年以来，瑞士IMT的Christophe Ballif研究小组提出,采用SiOx层可以改善非晶或者微晶电池在粗糙TCO电极表面的性能[M.Despeisse et al.,Appl.Phys.Lett.96,073507（2010）]。Sichanugrist等人也曾经提出过微晶P型SiOx层的电池结构[Sichanugrist et al.U.S.Pat.No.7838442B2]。然而，SiOx层的导电性一直是困扰人们将其应用于薄膜电池的主要问题。

二氧化硅本身是一种绝缘材料。要将这种材料应用于薄膜电池首先就是要提高其导电能力。提高导电能力的方法可以通过两种方式实现，一种是在二氧化硅中形成硅的纳米晶或者微晶区域，通过纳米晶或者微晶区域之间的隧穿作用实现导电，一般这样的薄膜都不是完整化学计量比的二氧化硅，而通常被称为SiOx；另一种是对二氧化硅进行掺杂，如掺磷或者掺硼，通过杂质或者缺陷提高SiOx的导电能力。目前普遍采用将这两种方法结合的技术，在薄膜沉积的过程中，寻找合适的工艺窗口，在形成硅纳米晶嵌入SiOx结构的同时实现N型或者P型掺杂。这样的工艺窗口通常非常窄，在薄膜电池中使用SiOx层通常会导致串联电阻的增加，抵消了其改善填充因子的作用。