陳宇

(廣東志成冠軍集團(tuán)有限公司， 廣東東莞　523718)

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一種用于BIPV的半透明非晶硅薄膜太陽能電池的研究

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題。實驗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 %，對比相同電池工藝的傳統(tǒng)半透明非晶硅薄膜太陽能電池組件，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；薄膜太陽能電池；BIPV

BIPV(光伏建筑一體化)[1]是太陽能發(fā)電技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域,非晶硅薄膜太陽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，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。對此產(chǎn)業(yè)界通常采用激光在薄膜太陽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，透光率高[4]，同時導(dǎo)電性能十分優(yōu)異,其與普通鋁背電極薄膜性能對比如表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比表

筆者認(rèn)為薄膜太陽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，同時也存在兩個問題：首先，鋁背電極會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，會減弱此效應(yīng)；其次，單一的銀薄膜無法直接應(yīng)用于非晶硅薄膜太陽能電池產(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)鍍膜的臺階覆蓋性能差，厚度僅為十幾納米的銀薄膜會在激光光刻[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)的非晶硅薄膜太陽能電池方案解決此類問題。

1　電池設(shè)計

1.1基本結(jié)構(gòu)

如圖2為設(shè)計的新型半透明非晶硅薄膜太陽能電池。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題。

圖2　實驗薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)對比示意圖

1.2ZnO/TiO2復(fù)合增透膜設(shè)計

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

隨減反射膜層數(shù)的增加，反射率會減少，帶寬會拓寬。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)計圖如圖3所示，均采用λ/4的厚度，波長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干涉，同時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薄膜作為薄膜太陽能電池的背電極。TCO薄膜一般是用作薄膜太陽能電池的前電極，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)化薄膜太陽能電池生產(chǎn)中的第二次激光光刻帶來的斷層問題，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，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能電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu)

2　實驗

共進(jìn)行兩項實驗，利用3 MW非晶硅薄膜太陽能電池中試生產(chǎn)線進(jìn)行樣品的制備對照實驗。

實驗一：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。本實驗一共制備6片不同厚度的銀薄膜樣片，以探索最佳的結(jié)構(gòu)。

實驗二：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，但是沒有制作ZnO/TiO2復(fù)合增透膜以驗證增透膜的效果(此處采用AZO薄膜是因為AZO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率和導(dǎo)電性的關(guān)系

鍍銀薄膜實驗的6片樣片的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　鍍超薄銀薄膜實驗數(shù)據(jù)表

如圖5所示，當(dāng)銀薄膜厚度在10 nm以下時，方塊電阻明顯上升，這是由于鍍膜時間短，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20 nm以后，盡管可以獲得更好的導(dǎo)電性能，但卻會導(dǎo)致透過率的快速下降。這是因為銀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，對于某一特定波長λ的光，薄膜穿透厚度dp定義為該波長λ的電磁波在膜層中所能傳播的薄膜厚度。

(1)

其中k為該波長對應(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)銀薄膜的厚度超過其穿透厚度時，光波將無法有效地穿透該薄膜，導(dǎo)致透過率迅速的下降。

圖5　方塊電阻和透過率隨銀薄膜厚度變化曲線

實驗中，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

實驗的三組半透明非晶硅薄膜太陽能電池性能如表4所示。

表4　實驗樣片性能對比表

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，平均透過率為20.17 %；無增透膜的第三組樣品電池平均輸出功率為37.56 W，平均透過率為18.83 %，這說明利用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，在平均透過率為20.07 %時，平均輸出功率僅為35.3 W。在透過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

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，透過率可達(dá)20%，比采用激光刻線方式獲得相同透過率的非晶硅薄膜太陽能電池輸出功率高12%，是一種高性能的半透明的非晶硅薄膜太陽能電池。

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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