專利名稱：光伏電池器件的背反射層的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明主要涉及薄膜光伏器件，特別涉及一種用于薄膜光伏器件的多材料層的改善型背反射層結(jié)構(gòu)。更特定地，本發(fā)明提供一種加強型背反射層，其具備絨面織紋并具有高反射率、高良品率及長壽命穩(wěn)定性，可應用于薄膜硅基光伏器件。
背景技術(shù)：
近年來，薄膜光伏器件已得到了深入的研究和發(fā)展，其可通過將諸如薄膜硅基a_Si、a-SiGe、nc_Si或μ -Si層，CdS/CdTe及CdS/CulnSe2層等的所謂薄膜半導體太陽能電池材料形成在諸如玻璃、不銹鋼等的低成本基板上來生產(chǎn)。通常，在光伏半導體層的下 面應用一高光反射率的背反射層來改善器件的性能。通常，還將具有高絨面織紋的一背反射層應用在光伏器件上，以提供一光漫反射面，達成更好的光捕捉能力，進一步提高器件效率。背反射層將已透過但還沒有被吸收的部分太陽光反射和/或漫射回半導體層，以進一步吸收。圖I反映了現(xiàn)有的制作在一金屬基板上的a-Si (非晶硅)基薄膜太陽能電池器件，該金屬基板上涂有傳統(tǒng)的具有高反射率的光滑背反射層。太陽能電池器件100包括一金屬基板101，例如一不銹鋼箔，用于背接觸并作為器件支撐；一背反射層102，其包括一高反射且光滑的金屬層103和一透明且導電的氧化物(TCO)緩沖層104 a-Si基半導體太陽能材料105 前接觸TCO層106 ;以及前接觸電極柵107。圖2反映了現(xiàn)有的制作在一金屬基板上的a-Si基薄膜太陽能電池器件，該金屬基板上涂有高光散射、高絨面織紋的背反射層。太陽能電池器件200包括一金屬基板201，例如一不銹鋼箔，用于背接觸并作為器件支撐；一背反射層202，其包括一具有絨面織紋的金屬層203和一透明且導電的氧化物(TCO)緩沖層204 a-Si基半導體太陽能材料205 ；一前接觸TCO層206 ;以及前接觸電極柵207。幾種材料可用作上述器件中的背反射層。純銀層是反射性最高的材料，其在600nm至1200nm的波長范圍內(nèi)具有約95%或更高的積分全反射率(US專利5，668，050，名稱太陽能電池制造方法)。對于600nm至IOOOnm的波長范圍，銅(Cu)/ZnO BR層提供彡90%的全反射率，而鋁(Α1)/Ζη0 BR層僅提供約85%的全反射率。不銹鋼層僅提供約45%的全積分反射率?，F(xiàn)有的研究也顯示，鋁金屬層可經(jīng)在約300°C的高基板溫度下生產(chǎn)而具有一有絨面織紋的表面。然而，當薄膜硅材料直接沉積在鋁金屬層上時，可能會發(fā)生硅層與鋁層間的相互擴散。優(yōu)選地，在硅層與鋁金屬反射層中間引入一 ZnO緩沖層以防止此類相互擴散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于光伏器件的多材料層的背反射層(BR)結(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明提供一背反射層，其具有絨面織紋、高反射率、高良品率及長壽命穩(wěn)定性，可應用于薄膜太陽能光伏器件。該背反射層結(jié)構(gòu)包括(i) 一帶絨面織紋的第一金屬或合金層(在下文中稱為第一金屬層)，例如鋁(Al)，其形成在一金屬(例如不銹鋼)或聚合物(例如卡普頓Kapton)基板上；(ii) 一薄氧化物或氮化物阻擋層(在下文中稱為第一阻擋層)，例如氧化鋅(ZnO),其形成在第一金屬層上；(iii) 一第二反射金屬或合金層(在下文中稱為第二金屬層)，例如銀(Ag)，其形成在第一阻擋層上；(iv) —透明的氧化物或氮化物阻擋層(在下文中稱為第二阻擋層)，例如氧化鋅，其形成在第二金屬層上。本發(fā)明針對一薄膜光伏器件，其包括一基板和沉積在該基板上的一背反射層。該背反射層具有一帶絨面織紋的金屬層、一高反射金屬層以及定位在絨面織紋層與高反射層之間的一第一阻擋層。一薄膜半導體太陽能材料定位在所述背反射層上。一前接觸TCO層定位在半導體材料上。一前接觸電極柵定位前TCO層上。在研究了以下對優(yōu)選實施例的描述及附圖之后，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點對本領域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。


圖1為現(xiàn)有的一種制作在一金屬基板上的a-Si基薄膜太陽能電池器件的橫剖面視圖，金屬基板上涂有傳統(tǒng)的高反射率的光滑背反射層。圖2為現(xiàn)有的一種制作在一金屬基板上的a-si基薄膜太陽能電池器件的橫剖面視圖，金屬基板上涂有高光散射的有絨面織紋的背反射層。圖3為一根據(jù)本發(fā)明的制作在一金屬基板上的薄膜太陽能電池器件的橫剖面視圖，金屬基板上涂有有織紋且高反射的背反射層。圖4為表不本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。圖5為表示本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。圖6為表不本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。圖7為表示本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。圖8為表不本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。圖9為表不本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。圖10為表示本發(fā)明的背反射層的反射率的圖表。
具體實施例方式圖3反映了一種根據(jù)本發(fā)明的制作在一金屬基板上的薄膜太陽能電池器件，在金屬基上板涂有一帶絨面織紋且高反射的背反射層。太陽能電池器件300包括一金屬基板301，例如一不銹鋼箔，用于電背接觸和器件支撐；一帶絨面織紋且高反射的背反射層302 ；一 a-Si基半導體太陽能材料307 前接觸TCO層308 ;以及前接觸電極柵309。如圖3所示的帶絨面織紋且高反射的背反射層302，其包括(i)由Al制成的一帶絨面織紋的金屬層303，其具有在約IOOnm至約2000nm范圍內(nèi)的隨機或周期的織紋長度(圖3中標記為L)，以及在約50nm至約IOOOnm范圍內(nèi)的隨機或周期的織紋峰_谷高度(如圖3中標記為H) ；(ii) 一第一阻擋層304，例如具有約IOnm至約200nm厚度的ZnO層(iii)一高反射金屬或合金層305，例如具有約30nm至約300nm厚度的Ag (O. 7) Pd (O. I) Cu (O. 2)，其形成在第一阻擋層上；(iv) —第TCO阻擋層306，例如具有約IOOnm至約4000nm厚度的
ZnO層,其形成在第二金屬層上。帶有隨機或周期織紋表面的第一絨面金屬層303具有在約20nm至約IOOOnm范圍內(nèi)的平均表面粗糙度Ra。背反射層結(jié)構(gòu)包括(i) 一有絨面織紋的金屬或合金層303 (在下文中稱為一第一金屬層)，例如鋁(Al)，其形成在一金屬(例如不銹鋼)或聚合物(例如卡普頓(Kapton))基板301上；(ii) 一薄氧化物或氮化物阻擋層304 (在下文中稱為一第一阻擋層)，例如氧化鋅(ZnO),其形成在該第一金屬層 上；(iii) 一反射金屬或合金層305 (在下文中稱為一第二金屬層)，例如銀(Ag)，其形成在該第一阻擋層304上；(iv) —透明導電的氧化物或氮化物阻擋層(在下文中稱為一第二阻擋層)，例如氧化鋅，其形成在該第二金屬層上。數(shù)據(jù)顯示，與采用傳統(tǒng)Al/ΖηΟ背-反射層制成的太陽能電池相比，利用本發(fā)明的具有帶絨面織紋且高反射的Al/ZnO/Ag/ZnO結(jié)構(gòu)的增強型背_反射層制成的大面積卷對卷薄膜硅太陽能電池提高10%至15%的效率。改善長期穩(wěn)定性的一個方法是使用Ag合金。已發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選與Ag形成合金的金屬為Pd和Cu。實際情況顯示,這些金屬(Pd和Cu)改善Ag的耐蝕性。添加Pd也將減弱Ag向半導體材料的遷移。根據(jù)本發(fā)明的背反射層的關(guān)鍵要素如下I.銀提供比其他例如Al、Cu、Zn等金屬層更高的反射率，然而，歸因于其柔軟的性質(zhì)，銀層很容易變形。銀層的變形可導致疊加的多個太陽能電池層變形。此種變形會導致初始太陽能電池制造工藝期間的短路結(jié)、夾層剝落或裂縫，以及低良品率。此外，歸因于銀固有的遷移趨向，當在高水分環(huán)境的戶外長期應用時，具有銀背反射層(Ag BR)的薄膜硅太陽能電池可能會有長期穩(wěn)定性問題。Ag BR是高反射性的，但是據(jù)知因上述原因而提供了較低的良品率。2.鋁背反射層(Al BR)具有比Ag BR低的反射率。但是Al BR具有可采用低沉積溫度而仍有較好的絨面織紋的特性。Al BR還具有更高的良品率，很可能是由于其與基板的更好的粘合。3.本發(fā)明的層狀背反射結(jié)構(gòu)，例如Al/ZnO/Ag/厚ZnO，提供了各材料和層的最好的特征；A1層提供較好的絨面織紋和良品率，而Ag層提供較好的反射，且這種層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一種改善的背反射層。4.還已知的是，Ag BR在潮濕條件下因Ag遷移而提供了較差的穩(wěn)定性。5.厚ZnO層(大于0. 5微米)和/或與Ag成合金的Pd會降低潮濕條件下的遷移，改善穩(wěn)定性并產(chǎn)生一種改善的背反射層。此外,背反射層中的Ag被做成Zn0/Ag/Zn0夾層結(jié)構(gòu)，其提供了更好的硬度(較低的變形性)，更好的粘合，較低的遷移，從而提供了更好的良品率和長期穩(wěn)定性。實例I制作在不銹鋼(SS)箔基板301上的一背反射層302具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)，其包括(i) 一 300nm厚度帶絨面織紋鋁層的第一金屬層303，其具有一隨機織紋表面，該層具有240nm的均方根(RMS)表面粗糙度Rnns,以及480nm的最大峰至谷Rp_v ； (ii) 一厚度為30nm的ZnO層的第一阻擋層304; (iii) —高反射銀層的第二金屬層305，厚度為50nm，其形成在第一阻擋層上；(iv) — ZnO層的第二 TCO阻擋層306，厚度為650nm，其形成在第二金屬層上。圖4展示一 BR的全反射光譜(曲線4a)和漫反射光譜(曲線4b)，其中BR具有上述結(jié)構(gòu)SS/300nm-Al/30nm-Zn0/50nm-Ag。曲線4a在500nm至IOOOnm的波長范圍之間顯不80 %至88 %的高全反射率，而曲線4b在500nm至IOOOnm的波長范圍內(nèi)顯示80 %至85 %的
高漫反射率。作為對比，還在圖5中圖示了一 BR的全反射光譜(曲線5a)和漫反射光譜(曲線5b)，其中BR具有僅有SS/300nm-Al層而沒有30nm-Zn0/50nm_Ag層的結(jié)構(gòu)。對于具有一帶絨面織紋Al-層表面的BR而言，曲線5a在750nm至900nm的波長范圍內(nèi)顯示一全反射率谷，在832nm波長()處具有76 %的最小全反射率；而曲線5b在a=832 nm處顯示55 %的高漫反射率。實例2
制作在SS箔基板301上的一背反射層302具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)，其包括(i)一 300nm厚度帶絨面織紋鋁層的第一金屬層303，其具有與實例I中的Al-層相同的一隨機織紋表面；(ii) 一 ZnO層的第一阻擋層304，厚度為30nm ; (iii) —高反射銀層的第二金屬層305，厚度為lOOnm，其形成在第一阻擋層上；(iv) — ZnO層的第二 TCO阻擋層306，厚度為650nm，其形成在第二金屬層上。圖6展示一 BR的全反射光譜(曲線6a)和漫反射光譜(曲線 6b)，其中 BR 具有上述結(jié)構(gòu) SS/300nm-Al/30nm-Zn0/150nm-Ag。曲線 6a 在 500nm 至IOOOnm的波長范圍內(nèi)顯示90%至98%的非常高的全反射率，而曲線6b在500nm至IOOOnm的波長范圍內(nèi)顯示88%至70%的高漫反射率。實例3制作在SS箔基板301上的一背反射層302具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)，其包括(i)一 300nm厚度帶絨面織紋鋁層的第一金屬層303，其具有與實例I中的Al-層相同的一隨機織紋表面；(ii) 一 ZnO層的第一阻擋層304，厚度為30nm;(iii) —高反射銀層的第二金屬層305，厚度為200nm，其形成在第一阻擋層上；(iv) — ZnO層的第二 TCO阻擋層306，厚度為650nm，其形成在第二金屬層上。圖7展示一 BR的全反射光譜(曲線7a)和漫反射光譜(曲線 7b)，該 BR 具有上述結(jié)構(gòu) SS/300nm-Al/30nm-Zn0/200nm-Ag。曲線 7a 在 500nm 至IOOOnm的波長范圍內(nèi)顯示92%至98%的極好的全反射率，而曲線7b在500nm至IOOOnm的波長范圍內(nèi)顯示92%至88%的非常高的漫反射率。實例4制作在SS箔基板301上的一背反射層302具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)，其包括(i)一 300nm厚度帶絨面織紋鋁層的第一金屬層303，其具有與實例I中的Al-層相同的一隨機織紋表面；(ii) 一 ZnO 層的第一阻擋層 304，厚度為 30nm;(iii) 一 Aga7Cua2Pda i (70% Ag、20% Cu、10% Pd)的第二金屬銀合金層305，厚度為50nm，其形成在第一阻擋層上；(iv) —ZnO層的第二 TCO阻擋層306，厚度為650nm，其形成在第二金屬層上。圖8展示一 BR的全反射光譜(曲線8a)和漫反射光譜(曲線8b)，該BR具有上述結(jié)構(gòu)SS/300nm-Al/30nm-Zn0/50nm-Ag0 7Cu0 2Pd0 ! 曲線8a在400nm至800nm的波長范圍內(nèi)顯示30%至65%的降低的全反射率，歸因于Ag-Cu-Pd合金，其由表面上的銅吸收來控制，而在800nm至1400nm的波長范圍內(nèi)顯示65%至80%的全反射率。曲線8b在400nm至800nm的波長范圍內(nèi)顯示30%至60%的相應的低漫反射率,而在800nm至1200nm的波長范圍內(nèi)顯示60%至67%的漫反射率。
實例5制作在SS箔基板301上的一背反射層302具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)，其包括(i)一 300nm厚度帶絨面織紋鋁層的第一金屬層303，其具有與實例I中的Al-層相同的一隨機織紋表面；(ii) 一 ZnO 層的第一阻擋層 304，厚度為 30nm；(iii) 一 Aga7Cua2Pda i (70% Ag、20% CuUO % Pd)的第二金屬銀合金層305，厚度為150nm，其形成在第一阻擋層上；(iv) —ZnO層的第二 TCO阻擋層306，厚度為650nm，其形成在第二金屬層上。圖9展示一 BR的全反射光譜(曲線9a)和漫反射光譜(曲線9b)，該BR具有上述結(jié)構(gòu)SS/300nm-Al/30nm-Zn0/ISOnm-Aga7Cua2Pdait5與圖8中的曲線相比，曲線9a在400nm至800nm的波長范圍內(nèi)顯示50%至84%的提高了的全反射率，在800nm至1200nm的波長范圍內(nèi)顯示84%至92%的高全反射率。曲線9b在400nm至800nm的波長范圍內(nèi)顯示50%至65%的相應的漫反射率，而在800nm至1200nm的波長范圍內(nèi)顯示65%至50%的漫反射率。實例6 制作在SS箔基板301上的一背反射層302具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)，其包括(i)一 300nm厚度帶絨面織紋鋁層的第一金屬層303，其具有與實例I中的Al-層相同的一隨機織紋表面；(ii) 一 ZnO 層的第一阻擋層 304，厚度為 30nm；(iii) 一 Aga7Cua2Pda i (70% Ag、20% CuUO % Pd)的第二金屬銀合金層305，厚度為200nm，其形成在第一阻擋層上；(iv) —ZnO層的第二 TCO阻擋層306，厚度為650nm，其形成在第二金屬層上。圖10展示一 BR的全反射光譜(曲線IOa)和漫反射光譜(曲線10b)，該BR具有上述結(jié)構(gòu)SS/300nm-Al/30nm-Zn0/200nm-Aga7CuQ.2PdQ.i。曲線 IOa 在 400nm 至 800nm 的波長范圍內(nèi)顯示 44%至 78% 的全反射率，而在800nm至1200nm的波長范圍內(nèi)顯示78%至89%的全反射率。曲線IOb在400nm至800nm的波長范圍內(nèi)顯示44%至74%的相應的漫反射率,而在800nm至1200nm的波長范圍內(nèi)顯示74%至78%的漫反射率。實例7一 a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結(jié)太陽能電池材料307分別制作在以上實例1-6中所描述的各背反射層302上。在每一 BR條件下制造相應的太陽能PV組件，并將其暴露于1000小時的濕熱環(huán)境測試(85°C，85% )。相應的太陽能組件性能概括在表I中并在其中比較。表I每一 BR條件下的各太陽能PV組件的1000小時濕熱測試前后的PV組件性倉泛
權(quán)利要求
1.一種薄膜光伏電池器件，包括一基板；一背反射層，該背反射層沉積在所述基板上，所述背反射層具有一帶絨面織紋的金屬層、一高反射金屬層以及一第一阻擋層，第一阻擋層位于絨面織紋層與高反射層之間；一薄膜半導體太陽能材料，定位在所述背反射層上；一前接觸TCO層，定位在所述半導體材料上；一前接觸電極柵，定位在所述前接觸TCO層上。
2.如權(quán)利要求I所述的器件，它還包括一第二TCO阻擋層，位于高反射金屬層的一側(cè)， 第二 TCO阻擋層與第一阻擋層相間隔開，其中，所述的絨面織紋層包括一帶絨面織紋的金屬或金屬合金層，所述高反射層包括一金屬或金屬合金層。
3.如權(quán)利要求I所述的器件，其中，所述薄膜半導體太陽能材料包括至少一個由非晶娃形成的n-i-p結(jié)。
4.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述帶絨面織紋的金屬層包括一種金屬或金屬合金，其與高反射層所包括的金屬或金屬合金不同。
5.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述帶絨面織紋的金屬或合金層由選自一材料組中的材料形成，該材料組優(yōu)選包括招、招合金、鋅、鋅合金、銅、銅合金及前述材料的組合。
6.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述帶絨面織紋的金屬或金屬合金層具有約IOOnm 至約2000nm范圍內(nèi)的一隨機或周期的織紋長度、約50nm至約IOOOnm范圍內(nèi)的一隨機或周期的織紋高度、約Inm至約IOOOnm范圍內(nèi)的一 Rnns表面粗糙度。
7.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述第一阻擋層為厚度約IOnm至約200nm的一氧化鋅阻擋層。
8.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述高反射金屬或合金層為銀或一銀合金，厚度為約 30nm 至約 500nm。
9.如權(quán)利要求2所述器件，其中，所述第二TCO阻擋層為厚度約IOOnm至約4000nm的 ZnO 層。
10.如權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述背反射層在電磁波譜的500nm至IOOOnm波長范圍內(nèi)具有約80%至約98%的全反射率。
11.如權(quán)利要求6所述的器件，其中，所述Rms表面粗糙度在約40nm至約400nm的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求7所述的器件，其中，所述第一阻擋層為ZnO，厚度為約IOnm至約80nm。
13.如權(quán)利要求8所述的器件，其中，所述高反射層為與Pd和Cu成合金的銀。
14.如權(quán)利要求10所述的器件，其中，所述背反射層在電磁波譜的500nm至IOOOnm波長范圍內(nèi)具有等于或大于70%的漫反射率。
15.如權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述背反射層在電磁波譜的SOOnm至1400nm波長范圍內(nèi)具有大于65%的全反射率,在電磁波譜的400nm至1200nm的波長范圍內(nèi)具有大于 30%的漫反射率。
16.如權(quán)利要求14所述的器件，其中，所述背反射層在電磁波譜的500nm至IOOOnm波長范圍內(nèi)具有等于或大于80%的漫反射率。
17.如權(quán)利要求15所述的器件,其中,所述漫反射率在電磁波譜的400nm至1200nm的整個波長范圍內(nèi)等于或大于44%。
18.如權(quán)利要求17所述的器件,其中,所述漫反射率在電磁波譜的400nm至1200nm的整個波長范圍內(nèi)等于或大于50%。
19.一種薄膜光伏電池器件，包括一不銹鋼基板；一背反射層，該背反射層沉積在所述基板上，所述背反射層具有一帶絨面織紋的金屬或金屬合金層、一高反射銀或銀合金層、位于帶絨面織紋的層和高反射層之間的一第一阻擋層以及位于高反射金屬層一側(cè)的一第二 TCO阻擋層，該第二 TCO阻擋層與第一阻擋層相間隔開，背反射層在電磁波譜的SOOnm至1200nm的波長范圍內(nèi)具有大于70%的全反射率；一非晶硅薄膜半導體太陽能材料，定位在所述背反射層上；一前接觸TCO層，定位在所述半導體材料上；一前接觸電極柵，定位在所述前接觸TCO層上；其中該光伏器件產(chǎn)生一穩(wěn)定功率輸出，該穩(wěn)定功率輸出損失不超過其初始最大輸出功率的12%。
20.如權(quán)利要求19所述的器件，其中，帶絨面織紋的金屬或金屬合金層具有約IOOnm至約400nm的一 Rnns表面粗糙度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于薄膜光伏器件的多材料層的改善型背反射層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供一種加強型背反射層，其具有絨面織紋、高反射率、高良品率及長期穩(wěn)定性，可應用于薄膜硅基光伏器件。背反射層結(jié)構(gòu)包括(i)一帶絨面織紋的第一金屬或合金層，例如鋁(Al)，其形成在一金屬(如不銹鋼)或聚合物(如卡普頓(Kapton))基板上；(ii)一薄氧化物或氮化物第一阻擋層，例如氧化鋅(ZnO)，其形成在第一金屬層上；(iii)一第二反射金屬或合金層，例如銀(Ag)，其形成在第一阻擋層上；(iv)一透明的氧化物或氮化物第二阻擋層，例如氧化鋅，其形成在第二金屬層上。
文檔編號H02N6/00GK102934350SQ201080040647
公開日2013年2月13日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者曹新民 申請人:美國迅力光能公司