一种用于BIPV的半透明非晶硅薄膜太阳能电池的研究

陈宇

(广东志成冠军集团有限公司， 广东东莞　523718)



一种用于BIPV的半透明非晶硅薄膜太阳能电池的研究

陈宇

(广东志成冠军集团有限公司， 广东东莞523718)

利用一种半透明非晶硅薄膜太阳能电池采用高导电性能的透明银(Ag)薄膜和TCO薄膜组成透明的背电极代替了普通的不透明铝背电极，通过ZnO/TiO2薄膜组成复合增透膜提升入射光能，弥补透明背电极的背反射减弱问题。实验采用磁控溅射法制备厚度为10～15 nm的银薄膜与200～300 nm厚度AZO薄膜为透明背电极，采用厚度为65 nm的ZnO薄膜和50 nm的TiO2薄膜为增透膜，制备的电池样品平均输出功率为39.76 W，透光率为20.17 %，对比相同电池工艺的传统半透明非晶硅薄膜太阳能电池组件，有效地减少了光损失，提高了电导率。

银薄膜；增透膜；背电极；薄膜太阳能电池；BIPV

BIPV(光伏建筑一体化)[1]是太阳能发电技术的重要应用领域,非晶硅薄膜太阳能电池凭借其薄膜特性、综合发电能力强、与玻璃结合外观漂亮等优点，在BIPV领域有着广阔的发展空间[2]。

目前非晶硅薄膜太阳能电池均采用铝及铝合金薄膜作为电池的背电极,其透光性能较差，不利于在BIPV领域的应用。对此产业界通常采用激光在薄膜太阳能电池上横向刻线形成光线通道[3],但是被激光刻线的区域成为死区，不再具备发电能力，降低了薄膜太阳能电池的输出功率。

银是最好的导电材料之一，当其厚度在数十纳米以内时，透光率高[4]，同时导电性能十分优异,其与普通铝背电极薄膜性能对比如表1所示。

表1　透明导电银薄膜与普通铝背电极薄膜性能对比表

笔者认为薄膜太阳能电池可以采用透明导电银薄膜作为背电极以获得高透光性，同时也存在两个问题：首先，铝背电极会将部分穿透光线反射回光电转化层进行再吸收，采用透明背电极，会减弱此效应；其次，单一的银薄膜无法直接应用于非晶硅薄膜太阳能电池产业化生产[6]。银薄膜均采用磁控溅射镀膜技术制备，此技术镀膜的台阶覆盖性能差，厚度仅为十几纳米的银薄膜会在激光光刻[7]留下的深度达到数百纳米沟槽处形成断层，导致电池串联结构失效或内阻过大，如图1所示。

图1　透明导电银薄膜做背电极的断层示意图

为此，需要寻找一种新结构的非晶硅薄膜太阳能电池方案解决此类问题。

1　电池设计

1.1基本结构

如图2为设计的新型半透明非晶硅薄膜太阳能电池。顶层采用ZnO/TiO2复合薄膜增反射层弥补透明背电极带来的光吸收损失。底部采用TCO薄膜(氧化物透明导电薄膜)与银薄膜组成(TCO/Ag薄膜)做背电极，可获取半透明的效果，并克服激光光刻断层问题。

图2　实验薄膜太阳能电池结构对比示意图

1.2ZnO/TiO2复合增透膜设计

增透膜即减反膜，主要利用波的叠加原理，让薄膜不同表面的反射光波发生相消干涉，达到反射光线减弱的效果[8]。

设计中，增透膜有两个关键性的指标：反射率和带宽。对于薄膜太阳能电池，反射率越低越好，而带宽则以覆盖薄膜太阳能电池光电转化层的吸收峰值光谱范围为最佳。对于非晶硅薄膜太阳能电池，这一带宽范围为450～550 nm[9]。

随减反射膜层数的增加，反射率会减少，带宽会拓宽。采用ZnO/TiO2双层薄膜在玻璃衬底内侧构成增透膜，设计图如图3所示，均采用λ/4的厚度，波长λ=500 nm，以最大程度的提升非晶硅薄膜的吸收能力。入射光线从低折射率玻璃进入ZnO薄膜，形成第一道反射光波产生180°的相移；光线经ZnO薄膜进入更高折射率的TiO2薄膜时产生第二道反射光线，产生360°相移(反射产生的180°相移+λ/2波长的光程差)，然后光线在由TiO2薄膜进入低折射率SnO2：F薄膜(前电极)的界面时形成第三道反射光波，相移依然为360°(反射相移为0，光程差为λ)。因此，第二道和第三道反射光线形成相长干涉，同时它们与第一道反射光线形成相消干涉，达到减反射增透的效果。

图3　ZnO/TiO2复合增透膜结构示意图

1.3TCO/Ag复合薄膜背电极结构

为获得较好的透光性，采用TCO/Ag薄膜作为薄膜太阳能电池的背电极。TCO薄膜一般是用作薄膜太阳能电池的前电极，提供光线入射和导电的作用。尽管TCO膜层是一种有效的透明导电薄膜，但目前应用的各种TCO薄膜的透光性和导电性都远不如银薄膜，如表2所示。

表2　银薄膜与各种TCO薄膜的性能对比[5，10]

在此处，引入TCO膜层主要是为了解决前文中提到的产业化薄膜太阳能电池生产中的第二次激光光刻带来的断层问题，在极窄的刻线区充当主要导体。由于TCO膜层厚度很厚，为数百纳米的数量级，因此其将有效的填充第二次激光光刻的凹槽，形成子电池的串联结构，如图4所示。

图4　TCO/Ag背电极非晶硅薄膜太阳能电池的串联结构

2　实验

共进行两项实验，利用3 MW非晶硅薄膜太阳能电池中试生产线进行样品的制备对照实验。

实验一：透明导电银薄膜的制备。获取透明导电银薄膜是本论文的关键技术之一。银薄膜工艺要求较高，采用连续磁控溅射镀膜设备制备，基本工艺条件为：至少10～4 Pa的本底真空度，银极易氧化对本底真空度要求很高。通入高纯Ar气作为溅射气体，压强在3～4 Pa，直流溅射功率为4 000～5 000 W。本实验一共制备6片不同厚度的银薄膜样片，以探索最佳的结构。

实验二：采用三组样品，每组3片按不同技术制备。第一组样品采用ZnO/TiO2复合增透膜以及AZO/Ag复合薄膜背电极；第二组样品采用普通的非晶硅薄膜太阳能电池结构和生产工艺，用激光光刻获取半透明效果，为了进行性能比较，第二组样品均制作成具备与第一组样品相同的透明度；第三组样品与第一组样品的结构和制作方法一样，但是没有制作ZnO/TiO2复合增透膜以验证增透膜的效果(此处采用AZO薄膜是因为AZO薄膜性能良好且成本低廉)11-12。

AZO薄膜的制备采用直流反应溅射，其中通入Ar/O2混合气体，可以调节氧含量以获取最佳的薄膜特性。基本工艺条件是：本底真空度为不低于10～3 Pa，直流溅射功率为6 000 W，薄膜厚度为200～300 nm左右。

ZnO和TiO2薄膜均采用中频溅射制备，其要求至少达到10～3 Pa的本底真空度，溅射功率为3 500～5 500 W，如图3所示。为了达到对非晶硅吸收最强的λ=500 nm光波增透性最佳，厚度均为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　结果与讨论

3.1透明导电银薄膜厚度与透过率和导电性的关系

镀银薄膜实验的6片样片的实验数据如表3所示。

表3　镀超薄银薄膜实验数据表

如图5所示，当银薄膜厚度在10 nm以下时，方块电阻明显上升，这是由于镀膜时间短，衬底表面还未完全生成连续的银薄膜，存在较多的孔洞和缺陷;当薄膜厚度超过20 nm以后，尽管可以获得更好的导电性能，但却会导致透过率的快速下降。这是因为银薄膜的透明性主要由穿透厚度而不是膜层的光谱吸收率所决定，对于某一特定波长λ的光，薄膜穿透厚度dp定义为该波长λ的电磁波在膜层中所能传播的薄膜厚度。

(1)

其中k为该波长对应的消光系数，以非晶硅薄膜吸收能力最强的500 nm波长光为例，银薄膜的穿透厚度极薄，仅为23 nm左右，因此当银薄膜的厚度超过其穿透厚度时，光波将无法有效地穿透该薄膜，导致透过率迅速的下降。

图5　方块电阻和透过率随银薄膜厚度变化曲线

实验中，当银薄膜控制在厚度为10～20 nm之间，可获得最佳的表现，方块电阻为3～4 Ω/▯，透过率89%左右。

3.2采用ZnO/TiO2增透膜以及AZO/Ag背电极结构的电池性能

实验的三组半透明非晶硅薄膜太阳能电池性能如表4所示。

表4　实验样片性能对比表

1)ZnO/TiO2复合增透膜的效果分析。如表4所示，采用ZnO/TiO2复合增透膜的第一组样品电池平均输出功率为39.76 W，平均透过率为20.17 %；无增透膜的第三组样品电池平均输出功率为37.56 W，平均透过率为18.83 %，这说明利用ZnO/TiO2复合增透膜可以有效地减少光线入射电池时的反射损失，提高进入电池的光量，达到了预期效果。

2)采用ZnO/TiO2增透膜以及AZO/Ag背电极结构的效果分析。如表4所示，在相同的工艺条件下，采用AZO/Ag复合背电极薄膜以及ZnO/TiO2复合增透膜的第一组样品电池的平均透过率为20.17 %，平均输出功率为39.76 W。采用激光光刻获得半透明效果的第二组样品，在平均透过率为20.07 %时，平均输出功率仅为35.3 W。在透过率几乎相同的情况下，两组样品的输出功率相差约12 %，差异明显，充分证明了该结构为有效结构。

4　结语

由银薄膜与TCO薄膜可构成3 Ω/▯的高导电性透明导电背电极，再辅以ZnO/TiO2增透膜进行入光量补偿，透过率可达20%，比采用激光刻线方式获得相同透过率的非晶硅薄膜太阳能电池输出功率高12%，是一种高性能的半透明的非晶硅薄膜太阳能电池。

[1]李现辉，郝斌，任远.太阳能光伏建筑一体化(BIPV)应用研究及发展[J]. 建设科技，2012(17)：38-40.

[2]武振羽. 硅基薄膜电池在建筑上的应用[J].建设科技，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. 大面积玻璃镀膜[M].上海：上海交通大学出版社,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]张超，张庆茂，郭亮,等.非晶硅薄膜太阳能电池的紫外线刻蚀工艺[J].强激光与粒子束, 2012(11):2751-2756.

[8]卢维强,王华清,肖畅,等.光学薄膜及其应用[J].现代显式, 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薄膜的制备及其在太阳能电池中的应用[D]. 北京：清华大学,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

陈宇(1982—)，男，四川治县人，硕士，工程师，主要从事新能源技术研究。

TK512

A

1009-0312(2016)03-0090-05