陳宇

(廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司， 廣東東莞　523718)

?

一種用于BIPV的半透明非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的研究

陳宇

(廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司， 廣東東莞523718)

利用一種半透明非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池采用高導(dǎo)電性能的透明銀(Ag)薄膜和TCO薄膜組成透明的背電極代替了普通的不透明鋁背電極，通過(guò)ZnO/TiO2薄膜組成復(fù)合增透膜提升入射光能，彌補(bǔ)透明背電極的背反射減弱問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法制備厚度為10～15 nm的銀薄膜與200～300 nm厚度AZO薄膜為透明背電極，采用厚度為65 nm的ZnO薄膜和50 nm的TiO2薄膜為增透膜，制備的電池樣品平均輸出功率為39.76 W，透光率為20.17 %，對(duì)比相同電池工藝的傳統(tǒng)半透明非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件，有效地減少了光損失，提高了電導(dǎo)率。

銀薄膜；增透膜；背電極；薄膜太陽(yáng)能電池；BIPV

BIPV(光伏建筑一體化)[1]是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域,非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池憑借其薄膜特性、綜合發(fā)電能力強(qiáng)、與玻璃結(jié)合外觀漂亮等優(yōu)點(diǎn)，在BIPV領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間[2]。

目前非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池均采用鋁及鋁合金薄膜作為電池的背電極,其透光性能較差，不利于在BIPV領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)此產(chǎn)業(yè)界通常采用激光在薄膜太陽(yáng)能電池上橫向刻線形成光線通道[3],但是被激光刻線的區(qū)域成為死區(qū)，不再具備發(fā)電能力，降低了薄膜太陽(yáng)能電池的輸出功率。

銀是最好的導(dǎo)電材料之一，當(dāng)其厚度在數(shù)十納米以內(nèi)時(shí)，透光率高[4]，同時(shí)導(dǎo)電性能十分優(yōu)異,其與普通鋁背電極薄膜性能對(duì)比如表1所示。

表1　透明導(dǎo)電銀薄膜與普通鋁背電極薄膜性能對(duì)比表

筆者認(rèn)為薄膜太陽(yáng)能電池可以采用透明導(dǎo)電銀薄膜作為背電極以獲得高透光性，同時(shí)也存在兩個(gè)問(wèn)題：首先，鋁背電極會(huì)將部分穿透光線反射回光電轉(zhuǎn)化層進(jìn)行再吸收，采用透明背電極，會(huì)減弱此效應(yīng)；其次，單一的銀薄膜無(wú)法直接應(yīng)用于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[6]。銀薄膜均采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制備，此技術(shù)鍍膜的臺(tái)階覆蓋性能差，厚度僅為十幾納米的銀薄膜會(huì)在激光光刻[7]留下的深度達(dá)到數(shù)百納米溝槽處形成斷層，導(dǎo)致電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)失效或內(nèi)阻過(guò)大，如圖1所示。

圖1　透明導(dǎo)電銀薄膜做背電極的斷層示意圖

為此，需要尋找一種新結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池方案解決此類問(wèn)題。

1　電池設(shè)計(jì)

1.1基本結(jié)構(gòu)

如圖2為設(shè)計(jì)的新型半透明非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。頂層采用ZnO/TiO2復(fù)合薄膜增反射層彌補(bǔ)透明背電極帶來(lái)的光吸收損失。底部采用TCO薄膜(氧化物透明導(dǎo)電薄膜)與銀薄膜組成(TCO/Ag薄膜)做背電極，可獲取半透明的效果，并克服激光光刻斷層問(wèn)題。

圖2　實(shí)驗(yàn)薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

1.2ZnO/TiO2復(fù)合增透膜設(shè)計(jì)

增透膜即減反膜，主要利用波的疊加原理，讓薄膜不同表面的反射光波發(fā)生相消干涉，達(dá)到反射光線減弱的效果[8]。

設(shè)計(jì)中，增透膜有兩個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)：反射率和帶寬。對(duì)于薄膜太陽(yáng)能電池，反射率越低越好，而帶寬則以覆蓋薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化層的吸收峰值光譜范圍為最佳。對(duì)于非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，這一帶寬范圍為450～550 nm[9]。

隨減反射膜層數(shù)的增加，反射率會(huì)減少，帶寬會(huì)拓寬。采用ZnO/TiO2雙層薄膜在玻璃襯底內(nèi)側(cè)構(gòu)成增透膜，設(shè)計(jì)圖如圖3所示，均采用λ/4的厚度，波長(zhǎng)λ=500 nm，以最大程度的提升非晶硅薄膜的吸收能力。入射光線從低折射率玻璃進(jìn)入ZnO薄膜，形成第一道反射光波產(chǎn)生180°的相移；光線經(jīng)ZnO薄膜進(jìn)入更高折射率的TiO2薄膜時(shí)產(chǎn)生第二道反射光線，產(chǎn)生360°相移(反射產(chǎn)生的180°相移+λ/2波長(zhǎng)的光程差)，然后光線在由TiO2薄膜進(jìn)入低折射率SnO2：F薄膜(前電極)的界面時(shí)形成第三道反射光波，相移依然為360°(反射相移為0，光程差為λ)。因此，第二道和第三道反射光線形成相長(zhǎng)干涉，同時(shí)它們與第一道反射光線形成相消干涉，達(dá)到減反射增透的效果。

圖3　ZnO/TiO2復(fù)合增透膜結(jié)構(gòu)示意圖

1.3TCO/Ag復(fù)合薄膜背電極結(jié)構(gòu)

為獲得較好的透光性，采用TCO/Ag薄膜作為薄膜太陽(yáng)能電池的背電極。TCO薄膜一般是用作薄膜太陽(yáng)能電池的前電極，提供光線入射和導(dǎo)電的作用。盡管TCO膜層是一種有效的透明導(dǎo)電薄膜，但目前應(yīng)用的各種TCO薄膜的透光性和導(dǎo)電性都遠(yuǎn)不如銀薄膜，如表2所示。

表2　銀薄膜與各種TCO薄膜的性能對(duì)比[5，10]

在此處，引入TCO膜層主要是為了解決前文中提到的產(chǎn)業(yè)化薄膜太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中的第二次激光光刻帶來(lái)的斷層問(wèn)題，在極窄的刻線區(qū)充當(dāng)主要導(dǎo)體。由于TCO膜層厚度很厚，為數(shù)百納米的數(shù)量級(jí)，因此其將有效的填充第二次激光光刻的凹槽，形成子電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4　TCO/Ag背電極非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu)

2　實(shí)驗(yàn)

共進(jìn)行兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，利用3 MW非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池中試生產(chǎn)線進(jìn)行樣品的制備對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：透明導(dǎo)電銀薄膜的制備。獲取透明導(dǎo)電銀薄膜是本論文的關(guān)鍵技術(shù)之一。銀薄膜工藝要求較高，采用連續(xù)磁控濺射鍍膜設(shè)備制備，基本工藝條件為：至少10～4 Pa的本底真空度，銀極易氧化對(duì)本底真空度要求很高。通入高純Ar氣作為濺射氣體，壓強(qiáng)在3～4 Pa，直流濺射功率為4 000～5 000 W。本實(shí)驗(yàn)一共制備6片不同厚度的銀薄膜樣片，以探索最佳的結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)二：采用三組樣品，每組3片按不同技術(shù)制備。第一組樣品采用ZnO/TiO2復(fù)合增透膜以及AZO/Ag復(fù)合薄膜背電極；第二組樣品采用普通的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，用激光光刻獲取半透明效果，為了進(jìn)行性能比較，第二組樣品均制作成具備與第一組樣品相同的透明度；第三組樣品與第一組樣品的結(jié)構(gòu)和制作方法一樣，但是沒(méi)有制作ZnO/TiO2復(fù)合增透膜以驗(yàn)證增透膜的效果(此處采用AZO薄膜是因?yàn)锳ZO薄膜性能良好且成本低廉)11-12。

AZO薄膜的制備采用直流反應(yīng)濺射，其中通入Ar/O2混合氣體，可以調(diào)節(jié)氧含量以獲取最佳的薄膜特性?；竟に嚄l件是：本底真空度為不低于10～3 Pa，直流濺射功率為6 000 W，薄膜厚度為200～300 nm左右。

ZnO和TiO2薄膜均采用中頻濺射制備，其要求至少達(dá)到10～3 Pa的本底真空度，濺射功率為3 500～5 500 W，如圖3所示。為了達(dá)到對(duì)非晶硅吸收最強(qiáng)的λ=500 nm光波增透性最佳，厚度均為λ/4，即ZnO薄膜厚度控制在65 nm左右，TiO2薄膜厚度控制在50 nm左右。

3　結(jié)果與討論

3.1透明導(dǎo)電銀薄膜厚度與透過(guò)率和導(dǎo)電性的關(guān)系

鍍銀薄膜實(shí)驗(yàn)的6片樣片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　鍍超薄銀薄膜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

如圖5所示，當(dāng)銀薄膜厚度在10 nm以下時(shí)，方塊電阻明顯上升，這是由于鍍膜時(shí)間短，襯底表面還未完全生成連續(xù)的銀薄膜，存在較多的孔洞和缺陷;當(dāng)薄膜厚度超過(guò)20 nm以后，盡管可以獲得更好的導(dǎo)電性能，但卻會(huì)導(dǎo)致透過(guò)率的快速下降。這是因?yàn)殂y薄膜的透明性主要由穿透厚度而不是膜層的光譜吸收率所決定，對(duì)于某一特定波長(zhǎng)λ的光，薄膜穿透厚度dp定義為該波長(zhǎng)λ的電磁波在膜層中所能傳播的薄膜厚度。

(1)

其中k為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的消光系數(shù)，以非晶硅薄膜吸收能力最強(qiáng)的500 nm波長(zhǎng)光為例，銀薄膜的穿透厚度極薄，僅為23 nm左右，因此當(dāng)銀薄膜的厚度超過(guò)其穿透厚度時(shí)，光波將無(wú)法有效地穿透該薄膜，導(dǎo)致透過(guò)率迅速的下降。

圖5　方塊電阻和透過(guò)率隨銀薄膜厚度變化曲線

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)銀薄膜控制在厚度為10～20 nm之間，可獲得最佳的表現(xiàn)，方塊電阻為3～4 Ω/?，透過(guò)率89%左右。

3.2采用ZnO/TiO2增透膜以及AZO/Ag背電極結(jié)構(gòu)的電池性能

實(shí)驗(yàn)的三組半透明非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池性能如表4所示。

表4　實(shí)驗(yàn)樣片性能對(duì)比表

1)ZnO/TiO2復(fù)合增透膜的效果分析。如表4所示，采用ZnO/TiO2復(fù)合增透膜的第一組樣品電池平均輸出功率為39.76 W，平均透過(guò)率為20.17 %；無(wú)增透膜的第三組樣品電池平均輸出功率為37.56 W，平均透過(guò)率為18.83 %，這說(shuō)明利用ZnO/TiO2復(fù)合增透膜可以有效地減少光線入射電池時(shí)的反射損失，提高進(jìn)入電池的光量，達(dá)到了預(yù)期效果。

2)采用ZnO/TiO2增透膜以及AZO/Ag背電極結(jié)構(gòu)的效果分析。如表4所示，在相同的工藝條件下，采用AZO/Ag復(fù)合背電極薄膜以及ZnO/TiO2復(fù)合增透膜的第一組樣品電池的平均透過(guò)率為20.17 %，平均輸出功率為39.76 W。采用激光光刻獲得半透明效果的第二組樣品，在平均透過(guò)率為20.07 %時(shí)，平均輸出功率僅為35.3 W。在透過(guò)率幾乎相同的情況下，兩組樣品的輸出功率相差約12 %，差異明顯，充分證明了該結(jié)構(gòu)為有效結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)語(yǔ)

由銀薄膜與TCO薄膜可構(gòu)成3 Ω/?的高導(dǎo)電性透明導(dǎo)電背電極，再輔以ZnO/TiO2增透膜進(jìn)行入光量補(bǔ)償，透過(guò)率可達(dá)20%，比采用激光刻線方式獲得相同透過(guò)率的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池輸出功率高12%，是一種高性能的半透明的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。

[1]李現(xiàn)輝，郝斌，任遠(yuǎn).太陽(yáng)能光伏建筑一體化(BIPV)應(yīng)用研究及發(fā)展[J]. 建設(shè)科技，2012(17)：38-40.

[2]武振羽. 硅基薄膜電池在建筑上的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2009(20)：70-71.

[3]Shah A V, Schade H, Vanecek M. Thin-film silicon solar cell technology[J]. Progress in photovoltaics: research and applications, 2004 (12):113-142.

[4]Xing-Hong X U, Zhou L P, Peng K, et al. Effects of Ag Film Thickness on optical Properties of Low-Emissivity Glass[J]. Materials for Mechanical Engineering，2013,379 (3):49-327.

[5]Glaser H. 大面積玻璃鍍膜[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2006.

[6]Yeon Sik Jung, Dong Wook Lee, Duk Young Jeon. Mass productions of thin film silicon PV modules[J]. Applied Surface Science 2004,221:136-142.

[7]張超，張慶茂，郭亮,等.非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的紫外線刻蝕工藝[J].強(qiáng)激光與粒子束, 2012(11):2751-2756.

[8]盧維強(qiáng),王華清,肖暢,等.光學(xué)薄膜及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代顯式, 2007(03):6-9.

[9]Meier a J, Kroll a U, Vallat-Sauvain E. Amorphous solar cells, the micromorph concept and the role of VHF-GD deposition technique[J]. Solar Energy,2004,77( 6) :983-993.

[10]Beyer W, Hüpkes J, Stiebig H. Transparent conducting oxide films for thin film silicon photovoltaics[J]. Thin Solid Films,2007,516: 147-154.

[11]Mial D, Jiang S,Zhao , et al. Characterixation of AZO and Ag based films by RF magnetron sputtering[J]. Journal of Allaysand Compunds,2014,616(2): 26-31.

[12]周辰, AZO薄膜的制備及其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用[D]. 北京：清華大學(xué),2014.

The Semitransparent A-Si Thin Film Solar Cell for BIPV

CHEN Yu

(Guangdong Zhicheng Champion Group Co. Ltd.， Dongguan 523718, China)

A semitransparent A-Si thin film solar cell is composed of a highly conductive transparent TCO/Ag film back electrode and a special designed ZnO/TiO2antireflection film which is used to compensate the decrease in back electrode reflection light absorption. The experiment shows that with 10～15 nm thickness Ag film and 200～300 nm AZO film as back electrode and ZnO (65 nm in thickness)/TiO2(50 nm in thickness) antireflection film, the new semitransparent A-Si thin film solar cell can get 39.76 W output power and 20.17 % transmittance in average, while the traditional semitransparent solar cell gets 35.3 W output power at 20.07 % transmittance in average.

Ag film; antireflection film; back electrode; thin film solar cells; BIPV

2015-12-28

陳宇(1982—)，男，四川治縣人，碩士，工程師，主要從事新能源技術(shù)研究。

TK512

A

1009-0312(2016)03-0090-05