一种薄膜太阳能电池转让专利
申请号 : CN201010236618.X
文献号 : CN101901847B
文献日 : 2012-02-15
发明人 : 赵一辉 , 贺方涓
申请人 : 河南阿格斯新能源有限公司
摘要 :
本发明公开了一种薄膜太阳能电池，其结构为：衬底层/背电极层/P型铜铟镓硒薄膜层/N型铜铟镓硒缓冲层/P+层/P型非晶硅层/I型非晶硅层/N型非晶硅层/ N+层/TCO层。本发明薄膜太阳能电池的非晶硅P-I-N结层厚度设计合理，近红外光谱能量能够被铜铟镓硒P-N结层充分吸收，因此薄膜太阳能电池的功率大大提高。另外，在非晶硅P-I-N结层的P型非晶硅层和N型非晶硅层外分别设置了极薄而重掺杂的P+层和N+层，加强了I型非晶硅层中的电场强度，提高了太阳能电池的功率。本发明薄膜太阳能电池所产生的功率较目前同类型双结层结构的太阳能电池平均增高约1.5%。本发明太阳能电池还具有可靠性高和制造价格低等优点。
权利要求 :
1.一种薄膜太阳能电池，包括衬底层、设置在衬底层上的背电极层、TCO层和设置在背电极层与TCO层之间的太阳能电池模组，其特征在于：所述太阳能电池模组包括一个铜铟镓硒P-N结层和一个非晶硅P-I-N结层，所述铜铟镓硒P-N结层的P型铜铟镓硒薄膜层设置于背电极层上，所述铜铟镓硒P-N结层的N型铜铟镓硒缓冲层与所述非晶硅P-I-N结层+的P型非晶硅层之间设置有重掺杂的P 层，所述非晶硅P-I-N结层的N型非晶硅层与所述+TCO层之间设置有重掺杂的N 层，该太阳能电池的结构为：衬底层/背电极层/P型铜铟镓+ +硒薄膜层/N型铜铟镓硒缓冲层/P 层/P型非晶硅层/I型非晶硅层/N型非晶硅层/N 层/TCO层；所述非晶硅P-I-N结层的厚度为100nm～360nm；所述非晶硅P-I-N结层中P型非晶硅层、I型非晶硅层和N型非晶硅层的厚度比为：P型非晶硅层∶I型非晶硅层∶N型+非晶硅层＝(1～2)∶(10～15)∶(2～4)；所述重掺杂的P 层的厚度为1nm～10nm；
+ 20 3 22 3
所述重掺杂的P 层中电荷载子的密度为10 g/cm ～10 g/cm ；所述铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层的材料为ZnS、ZnSe或ZnIn2Se3。
+
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述重掺杂的N 层的厚度为
1.5nm～15nm。
+
3.根据权利要求1或2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述重掺杂的N 层中电
20 3 22 3
荷载子的密度为10 g/cm ～10 g/cm。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层的厚度为1.0um～2.5um。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层的厚度为40nm～200nm。
说明书 :
一种薄膜太阳能电池
技术领域
[0001] 本发明属于光伏太阳电池技术领域，具体涉及一种薄膜太阳能电池。
背景技术
[0002] CIGS是铜铟镓硒太阳能电池的缩写，由CIGS和a-Si薄膜电池组成的串联电池由于具有效率高、衰减率低、生产过程易于操作和改进等优点，从开始出现就引起了人们的极大关注。在公开号为6368892的美国专利中公开了一种CIGS和a-Si薄膜电池串联组成的多结太阳电池，其结构为：衬底层/背电极层/CIS（或CIGS）层/n型导电层/P-I-N结层/前电极层。但是现有a-Si/CIGS串联多结层太阳能电池的模组设计还不够合理，其目前的光电转换效率只有10%左右。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种性能优异的薄膜太阳能电池。
[0004] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种薄膜太阳能电池，包括衬底层、设置在衬底层上的背电极层、TCO层和设置在背电极层与TCO层之间的太阳能电池模组，所述太阳能电池模组包括一个铜铟镓硒P-N结层和一个非晶硅P-I-N结层，所述铜铟镓硒P-N结层的P型铜铟镓硒薄膜层设置于背电极层上，所述铜铟镓硒P-N结层的N型铜铟+镓硒缓冲层与所述非晶硅P-I-N结层的P型非晶硅层之间设置有重掺杂的P 层，所述非晶+
硅P-I-N结层的N型非晶硅层与所述TCO层之间设置有重掺杂的N 层，该太阳能电池的结+
构为：衬底层/背电极层/P型铜铟镓硒薄膜层/N型铜铟镓硒缓冲层/P 层/P型非晶硅层+
/I型非晶硅层/N型非晶硅层/ N 层/TCO层。
硅P-I-N结层的N型非晶硅层与所述TCO层之间设置有重掺杂的N 层，该太阳能电池的结+
构为：衬底层/背电极层/P型铜铟镓硒薄膜层/N型铜铟镓硒缓冲层/P 层/P型非晶硅层+
/I型非晶硅层/N型非晶硅层/ N 层/TCO层。
[0005] 进一步地，非晶硅P-I-N结层的厚度为100nm～360nm。
[0006] 非晶硅P-I-N结层中P型非晶硅层、I型非晶硅层和N型非晶硅层的厚度比为：P型非晶硅层:I型非晶硅层:N型非晶硅层=（1～2）:（10～15）:（2～4）。
[0007] 重掺杂的P+层的厚度为1nm～10nm。
[0008] 重掺杂的P+层中电荷载子的密度为1020 g/cm3～1022 g/cm3。
[0009] 重掺杂的N+层的厚度为1.5nm～15nm。
[0010] 重掺杂的N+层中电荷载子的密度为1020 g/cm3～1022 g/cm3。
[0011] 铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层的厚度为1.0um～2.5um。
[0012] 铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层的厚度为40nm～200nm。
[0013] 铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层的材料为ZnS、ZnSe或ZnIn2Se3。
[0014] 本发明薄膜太阳能电池的非晶硅P-I-N结层厚度设计合理，近红外光谱能量能够被铜铟镓硒P-N结层充分吸收，因此本发明提供的薄膜太阳能电池的功率大大提高。另外，+在非晶硅P-I-N结层的P型非晶硅层和N型非晶硅层外分别设置了极薄而重掺杂的P 层和+
N 层，加强了I型非晶硅层中的电场强度，提高了薄膜太阳能电池的功率。在非晶硅P-I-N结层中，由于大量空间电荷载子在电池膜层处的分配造成非晶硅P-I-N结层中的内部电场+
受到扭曲，本发明通过在非晶硅P-I-N结层的P型非晶硅层和N型非晶硅层外分别设置P+
层和N 层，修改了整个非晶硅P-I-N结层的内部电场，使非晶硅P-I-N结层的内部电场更+ +
平滑，场强数值更高。非晶硅P-I-N结层中的内部电场与增设P 层和N 层后非晶硅P-I-N+ +
结层中的内部电场的曲线示意图见图1所示，其中E1为不设P 层和N 层时的非晶硅P-I-N+ +
结层中的内部电场，E2为增设P 层和N 层后非晶硅P-I-N结层中的内部电场，对比E1和E2，可以发现E2更平滑，场强数值更高。
N 层，加强了I型非晶硅层中的电场强度，提高了薄膜太阳能电池的功率。在非晶硅P-I-N结层中，由于大量空间电荷载子在电池膜层处的分配造成非晶硅P-I-N结层中的内部电场+
受到扭曲，本发明通过在非晶硅P-I-N结层的P型非晶硅层和N型非晶硅层外分别设置P+
层和N 层，修改了整个非晶硅P-I-N结层的内部电场，使非晶硅P-I-N结层的内部电场更+ +
平滑，场强数值更高。非晶硅P-I-N结层中的内部电场与增设P 层和N 层后非晶硅P-I-N+ +
结层中的内部电场的曲线示意图见图1所示，其中E1为不设P 层和N 层时的非晶硅P-I-N+ +
结层中的内部电场，E2为增设P 层和N 层后非晶硅P-I-N结层中的内部电场，对比E1和E2，可以发现E2更平滑，场强数值更高。
[0015] 本发明提供的薄膜太阳能电池所产生的功率较目前同类型双结层结构的薄膜太阳能电池平均提高约1.5%，转换效率可达到11.5%以上。本发明提供的薄膜太阳能电池还具有可靠性高和制造价格低等优点。
附图说明
[0016] 图1为增设P+层和N+层前后非晶硅P-I-N结层中的内部电场的变化曲线示意图；
[0017] 图2为本发明一种实施例的结构示意图；
[0018] 图3为实施例1的能量频带曲线图。
具体实施方式
[0019] 实施例1
[0020] 如图2所示，本发明一种实施例的薄膜太阳能电池，该太阳能电池的结构为：玻璃+衬底层11/Mo背电极层10/P型铜铟镓硒薄膜层9/N型铜铟镓硒缓冲层8/P 层7/P型非晶+
硅层6/I型非晶硅层5/N型非晶硅层4/ N 层3/ZnO:Al层2/前玻璃衬层1，太阳光从前玻+
璃衬层1射入，依次经过ZnO:Al层2、N 层3、N型非晶硅层4、I型非晶硅层5、P型非晶硅+
层6、P 层7、N型铜铟镓硒缓冲层8，之后被P型铜铟镓硒薄膜层9完全吸收。
硅层6/I型非晶硅层5/N型非晶硅层4/ N 层3/ZnO:Al层2/前玻璃衬层1，太阳光从前玻+
璃衬层1射入，依次经过ZnO:Al层2、N 层3、N型非晶硅层4、I型非晶硅层5、P型非晶硅+
层6、P 层7、N型铜铟镓硒缓冲层8，之后被P型铜铟镓硒薄膜层9完全吸收。
[0021] 其中，非晶硅P-I-N结层的厚度为100nm，非晶硅P-I-N结层中P型非晶硅层6、I型非晶硅层5和N型非晶硅层4的厚度比为：P型非晶硅层6:I型非晶硅层5:N型非晶硅+ + 20层4=1:10:4。重掺杂的P 层7的厚度为1nm，重掺杂的P 层7中电荷载子的密度为10 g/
3 + + 22 3
cm。重掺杂的N 层3的厚度为15nm，重掺杂的N 层3中电荷载子的密度为10 g/cm。铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层9的厚度为2.5um，铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的厚度为40nm。铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的材料为ZnS。
3 + + 22 3
cm。重掺杂的N 层3的厚度为15nm，重掺杂的N 层3中电荷载子的密度为10 g/cm。铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层9的厚度为2.5um，铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的厚度为40nm。铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的材料为ZnS。
[0022] 实施例2
[0023] 本实施例的薄膜太阳能电池结构与实施例1的薄膜太阳能电池结构相同，结构见图2所示，其结构为：玻璃衬底层11/Mo背电极层10/P型铜铟镓硒薄膜层9/N型铜铟镓硒+ +缓冲层8/P 层7/P型非晶硅层6/I型非晶硅层5/N型非晶硅层4/ N 层3/ZnO:Al层2/前+
玻璃衬层1，太阳光从前玻璃衬层1射入，依次经过ZnO: Al层2、N 层3、N型非晶硅层4、+
I型非晶硅层5、P型非晶硅层6、P 层7、N型铜铟镓硒缓冲层8，之后被P型铜铟镓硒薄膜层9完全吸收。
玻璃衬层1，太阳光从前玻璃衬层1射入，依次经过ZnO: Al层2、N 层3、N型非晶硅层4、+
I型非晶硅层5、P型非晶硅层6、P 层7、N型铜铟镓硒缓冲层8，之后被P型铜铟镓硒薄膜层9完全吸收。
[0024] 不同之处是：非晶硅P-I-N结层的厚度为360nm，非晶硅P-I-N结层中P型非晶硅层6、I型非晶硅层5和N型非晶硅层4的厚度比为：P型非晶硅层6:I型非晶硅层5:N+ +型非晶硅层4=1:15:2。重掺杂的P 层7的厚度为10nm，重掺杂的P 层7中电荷载子的
22 3 + +
密度为10 g/cm。重掺杂的N 层3的厚度为1.5nm，重掺杂的N 层3中电荷载子的密
20 3
度为10 g/cm。铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层9的厚度为1.0um，铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的厚度为200nm。铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的材料为ZnSe。
22 3 + +
密度为10 g/cm。重掺杂的N 层3的厚度为1.5nm，重掺杂的N 层3中电荷载子的密
20 3
度为10 g/cm。铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层9的厚度为1.0um，铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的厚度为200nm。铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的材料为ZnSe。
[0025] 实施例3
[0026] 本实施例的薄膜太阳能电池结构与实施例1的薄膜太阳能电池结构相同，结构见图2所示，其结构为：玻璃衬底层11/Mo背电极层10/P型铜铟镓硒薄膜层9/N型铜铟镓硒+ +缓冲层8/P 层7/P型非晶硅层6/I型非晶硅层5/N型非晶硅层4/ N 层3/ZnO:Al层2/前+
玻璃衬层1，太阳光从前玻璃衬层1射入，依次经过ZnO: Al层2、N 层3、N型非晶硅层4、+
I型非晶硅层5、P型非晶硅层6、P 层7、N型铜铟镓硒缓冲层8，之后被P型铜铟镓硒薄膜层9完全吸收。
玻璃衬层1，太阳光从前玻璃衬层1射入，依次经过ZnO: Al层2、N 层3、N型非晶硅层4、+
I型非晶硅层5、P型非晶硅层6、P 层7、N型铜铟镓硒缓冲层8，之后被P型铜铟镓硒薄膜层9完全吸收。
[0027] 不同之处是：非晶硅P-I-N结层的厚度为200nm，非晶硅P-I-N结层中P型非晶硅层6、I型非晶硅层5和N型非晶硅层4的厚度比为：P型非晶硅层6:I型非晶硅层5:N型+ +非晶硅层4=2:12:3。重掺杂的P 层7的厚度为5nm，重掺杂的P 层7中电荷载子的密度
21 3 + + 21
为10 g/cm。重掺杂的N 层3的厚度为10nm，重掺杂的N 层3中电荷载子的密度为10
3
g/cm。铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层9的厚度为1.5um，铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的厚度为50nm。铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的材料为ZnIn2Se3。
21 3 + + 21
为10 g/cm。重掺杂的N 层3的厚度为10nm，重掺杂的N 层3中电荷载子的密度为10
3
g/cm。铜铟镓硒P-N结层中P型铜铟镓硒薄膜层9的厚度为1.5um，铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的厚度为50nm。铜铟镓硒P-N结层中N型铜铟镓硒缓冲层8的材料为ZnIn2Se3。
[0028] 在图3中，Cb、Vb表示增设P+层和N+层后的电池能带曲线，即本发明实施例1的+ +能带曲线，Ca、Va表示未设置P 层和N 层时电池的能带曲线，C表示传导带，V表示电价带，+ + + +
Ef,b表示增设P 层和N 层后的电池的费米能级，Ef,a表示未设置P 层和N 层时电池的费米能级。从图3中可以看出，Cb、Vb能障较窄，且具有更高的能垒。
Ef,b表示增设P 层和N 层后的电池的费米能级，Ef,a表示未设置P 层和N 层时电池的费米能级。从图3中可以看出，Cb、Vb能障较窄，且具有更高的能垒。