Конструкция тонкопленочного солнечного модуля и способ ее изготовления Российский патент 2018 года по МПК H01L31/76 H01L31/18 H01L31/20 C23C16/513 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля (фотопреобразователя) на основе аморфного и микрокристаллического кремния.

Уровень техники

Классические источники энергии, такие как нефть, газ и уголь, выделяют в атмосферу большое количество углекислого и других парниковых газов, сажи и прочих загрязняющих окружающую среду веществ. В связи с эти перспективными сегментами рынка становятся альтернативные источники энергии.

Среди возобновляемых источников энергии фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в настоящее время признано самым перспективным. Дальнейшее развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразовательных устройств (солнечных элементов). В связи с активным развитием отрасли альтернативной энергетики технологии, связанные с этим направлением, становятся особенно актуальны. Это определяется в первую очередь экологичностью данного вида энергии и возможностью электрификации удаленных труднодоступных районов, что немаловажно в условиях России (65% страны имеет децентрализованное энергоснабжение). В связи с этим активно развивается солнечная энергетика, растет эффективность фотопреобразователей и снижается стоимость получаемой от них энергии.

В последнее время большой прогресс достигнут в разработке двухкаскадных тонкопленочных солнечных модулей на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Системы, базирующиеся на данных модулях, являются одними из наиболее рентабельных по стоимости энергии, что связано с низкой стоимостью их изготовления. Одной из проблем двухкаскадных тонкопленочных солнечных фотопреобразователей на основе кремния является фотодеградация широкозонного аморфного каскада. Процесс деградации связан с эффектом Стеблера-Вронского и большой толщиной собственного слоя данного каскада. Под воздействием солнечного света происходит увеличение рекомбинационных центров, что в условиях слабого встроенного поля приводит к тому, что часть носителей не доходит до легированных слоев. Такие носители не дают вклад в генерируемый фототок, в результате чего эффективность фотопреобразователя снижается.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ плазменного осаждения слоя микрокристаллического полупроводникового материала на подложку и солнечный элемент, полученный данным способом (см. [1] международную заявку WO 2012027857, МПК С23С 16/24, опубл. 08.03.2012), включающий осаждение на подложку прозрачного проводящего оксида, далее при помощи плазменного напыления наносят верхний и нижний проводящие слои с p-i-n переходами и покрывают их проводящим оксидом и задним отражателем. Верхний слой состоит из легированного кремниевого слоя р-типа, поглощающего слоя аморфного кремния i-типа и легированного кремниевого слоя n-типа; нижний слой состоит из легированного кремниевого слоя р-типа, поглощающего слоя микрокристаллического кремния i-типа и легированного кремниевого слоя n-типа. В нижнем слое с двух сторон от поглощающего слоя микрокристаллического кремния i-типа выполнен разделительный слой.

Недостатком прототипа является сильная фотоиндуцированная деградация аморфного каскада, связанная с эффектом Стеблера-Вронского.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является борьба с эффектом Стеблера-Вронского, снижение толщины аморфного каскада при увеличении эффективности двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля на основе аморфного и микрокристаллического кремния, за счет применения в структуре промежуточного отражателя и широкозонного входного окна на основе nc-Si/SiOx:H.

Техническим результатом является снижение фотодеградации при снижении толщины собственного слоя аморфного кремния, повышение стабилизированной эффективности, повышение квантовой эффективности за счет снижения потерь от поглощения.

Применение в структуре солнечного модуля входного широкозонного окна и промежуточного отражателя на основе слоев SiOx с наночастицами кремния позволяет уменьшить толщину собственного слоя аморфного каскада без снижения его эффективности, что позволяет уменьшить влияние эффекта Стеблера-Вронского.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного результата предлагается тонкопленочный солнечный модуль, состоящий из последовательно расположенных: фронтальной стеклянной подложки; фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида; подслоя из нестехиометрического карбида кремния р-типа; аморфного и микрокристаллического каскадов, соединенных последовательно, при этом аморфный каскад состоит из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного бором (nc-Si/SiOx:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного фосфором (nc-Si/SiOx:H), являющегося промежуточным отражателем, а микрокристаллический каскад состоит из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H), тыльного контактного слоя из прозрачного проводящего оксида, продольных и поперечных электрических контактных шин, тыльного отражателя, выполняющего герметизирующую функцию, установленного вместе с тыльным стеклом, и коммутационной коробки.

В частном случае реализации конструкции фронтальный контактный слой и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова.

Поставленная задача и технический результат достигается также за счет способа изготовления тонкопленочного солнечного модуля, включающего нанесение на фронтальную стеклянную подложку слоя прозрачного проводящего оксида; нанесение подслоя из нестехиометрического карбида кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в силан-водородной плазме; на подслой методом плазмохимического осаждения из газовой фазы наносят аморфный каскад, состоящий из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния р-типа, легированного бором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния n-типа, легированного фосфором (nс-Si/SiO_x:H), являющегося промежуточным отражателем; на слой аморфного каскада наносят слой микрокристаллического каскада, состоящего из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H), затем наносят тыльный контактный слой из прозрачного проводящего оксида, после чего наносят продольные и поперечные электрические шины, поверх которых наносят тыльный отражатель, выполняющий герметизирующую функцию, на который устанавливают тыльное стекло и коммутационную коробку.

В частном случае реализации способа в состав силановой плазмы при плазмохимическом осаждении, при нанесении слоя р-типа введен углекислый газ в соотношении к силану 1 к 1, водород в соотношении к силану 1 к 300 и триметилбор в соотношении к силану 6 к 1000.

В частном случае реализации способа в состав силан-водородной плазмы при плазмохимическом осаждении при нанесении подслоя из нестехиометрического карбида кремния вводят метан.

В частном случае реализации способа фронтальный контактный слой и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова.

В частном случае реализации способа после нанесения слоя прозрачного проводящего оксида, слоя микрокристаллического каскада и тыльного контактного слоя выполняют скрайбирование слоев на отдельные элементы и изоляцию по периметру.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 - Структура солнечного модуля.

На фигуре обозначены следующие позиции:

1 - фронтальное стекло; 2 - фронтальный контактный слой; 3 - первый каскад (широкозонный каскад на основе аморфного кремния); 4 - второй каскад (узкозонный каскад на основе микрокристаллического кремния); 5 - тыльный контактный слой; 6 - тыльный отражатель; 7 - тыльное стекло; 8 - входное широкозонное окно на основе nc-Si/SiO_x:H р-типа; 9 - промежуточный отражатель на основе nc-Si/SiO_x:H n-типа.

Осуществление изобретения

Поставленная задача решается путем изменения оптического дизайна структуры фотопреобразователя и снижения толщины собственного слоя аморфного каскада. Для этого в структуре можно применить входное широкозонное окно и промежуточный отражатель. Данные слои могут быть изготовлены на основе наноструктурированных материалов, например nс-Si/SiOx:H.

Конструкция тонкопленочного солнечного модуля на основе кремния состоит из:

- фронтального стекла (1), выполняющего в процессе производства тонкопленочного солнечного модуля роль подложки. В качестве фронтального стекла используется специализированное стекло с пониженным содержанием железа, что обеспечивает более широкий спектр оптического пропускания;

- фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида (2), полученного методом осаждения из газовой фазы при пониженном давления и толщиной порядка 1700 нм. Чаще всего в качестве прозрачного проводящего оксида используется оксид цинка или оксид олова. Данный слой выполняет роль электрода (необходимого для токосъема со структуры). При этом он должен быть прозрачен для оптического излучения;

- подслоя нестехиометрического карбида кремния р-типа;

- аморфного каскада (3) состоящего из р-слоя (8) на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного бором (nc-Si/SiO_x:H), собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя (9) на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного фосфором (nc-Si/SiO_x:H);

- микрокристаллического каскада (4), состоящего из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H);

- тыльного контактного слоя (5) прозрачного проводящего оксида так же выполняет функцию электрода и, как правило, изготавливается по той же технологии, что и фронтальный контактный слой, но его оптические качества менее важны;

- для снижения электрических потерь дополнительно применяются продольные и поперечные электрические шины. Это связано с большой площадью солнечного модуля (нет на схеме);

- тыльного отражателя (6), выступающего так же в роли герметика и устанавливаемого вместе с тыльным стеклом (7) в процессе ламинирования (инкапсуляции модуля);

- коммутационная коробка используется для последующей коммутации солнечных модулей в электрических системах. Как правило, содержит в себе шунтирующий диод или диоды (нет на схеме).

При этом нанесение слоев идет в изложенном порядке, а рабочей стороной модуля является сторона подложки.

Одной из причин снижения эффективности двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля на основе аморфного и микрокристаллического кремния является фотодеградация аморфного каскада. Под воздействием оптического излучения в собственном слое аморфного каскада генерируются неравновесные носители заряда. Часть сгенерированных носителей не разделяется встроенным полем и рекомбинируют. Выделяющаяся в результате рекомбинация энергия может разрушать слабые связи кремния и водорода. Образовавшиеся оборванные связи выступают при этом в качестве рекомбинационных центров, что уменьшает время жизни неравновесных носителей заряда и повышает их скорость рекомбинации в собственном слое. Количество носителей заряда, не дошедших до легированных слоев каскада (рекомбинировавших), увеличивается. Неравновесные носители, рекомбинировавшие в пределах собственного слоя, не дают вклад в генерируемую каскадом ЭДС.

Снижение фотодеградации возможно за счет уменьшения толщины собственного слоя аморфного каскада. Однако в связи с тем что в структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля аморфный и микрокристаллический каскады соединены последовательно (вследствие чего величины токов каскадов взаимосвязаны), а величина тока аморфного каскада зависит от толщины его собственного слоя, нельзя внести данную модификацию без изменения оптического дизайна солнечного модуля.

Для внесения данной коррекции возможно применение промежуточного отражателя и входного широкозонного окна. Промежуточный отражатель представляет из себя слой полупроводникового материала n-типа с коэффициентом преломления, отличным от коэффициента преломления собственного слоя аморфного каскада (в данном случае, приблизительно в 1.7-2 раза, но в общем случае это не принципиально, отражение будет при любом отличие, но чем больше разница, тем больше отражение) и располагается вместо n-слоя аморфного каскада. Входное широкозонное окно представляет из себя слой полупроводникового материала р-типа, с шириной запрещенной зоны больше, чем ширина р-слоя аморфного каскада. В качестве этих материалов может быть использованы слои наночастиц кремния в матрице нестехиометрического оксида кремния (nc-Si/SiOx:H), легированные соответствующим типом примеси.

Применение этих слоев на основе nc-Si/SiOx:H в структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля на основе кремния позволяют снизить толщину собственного слоя аморфного каскада до 50%, что в значительной мере снижает деградацию (до 50%).

При изготовлении/производстве тонкопленочного солнечного модуля наносят на фронтальную стеклянную подложку слой прозрачного проводящего оксида, поверх которого наносят подслой нестехиометрического карбида кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с добавлением в состав силан-водородной плазмы метана. На подслой методом плазмохимического осаждения из газовой фазы наносят аморфный каскад, при этом сначала наносят слой наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния р-типа, легированного бором (nc-Si/SiO_x:H), выполняющего роль входного широкозонного окна, затем наносят слой на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и далее слой наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния n-типа, легированного фосфором (nc-Si/SiO_x:H), выполняющего роль промежуточного отражателя. На слой аморфного каскада наносят слой микрокристаллического каскада. Толщина собственного слоя подбирается из расчета согласования токов аморфного и микрокристаллического каскадов. Затем наносят тыльный контактный слой, после чего наносят продольные и поперечные электрические шины, поверх которых наносят тыльный отражатель, выполняющий герметизирующую функцию, на который установлено тыльное стекло и коммутационная коробка. В состав силановой плазмы при плазмохимическом осаждении, при нанесении слоя р-типа, введен углекислый газ в соотношении к силану 1 к 1, водород в соотношении к силану 1 к 300 и триметилбор в соотношении к силану 6 к 1000. При этом ширина запрещенной зоны получаемого слоя составляет более 2 эВ. Введение CO₂ в состав газовой смеси, содержащей силан и водород, в процессе плазмохимического осаждения слоев кремния из газовой фазы приводит к формированию нестехиометрического оксида кремния и изменению механизма формирования наночастиц. Фронтальный контактный слой из прозрачного проводящего оксида и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова. После нанесения слоя прозрачного проводящего оксида, слоя микрокристаллического каскада и тыльного контактного слоя выполняют скрайбирование слоев на отдельные элементы и изоляцию по периметру.

Применение промежуточного отражателя на основе nc-Si/SiOx:H в структуре двухкаскадного тонкопленочного фотопреобразователя на основе аморфного и микрокристаллического кремния позволяет снизить толщину аморфного каскада, что снижает его деградацию и повышает стабилизированную эффективность.

Применение слоя nc-Si/SiOx:H в качестве входного широкозонного р-окна верхнего каскада позволяет повысить квантовую эффективность аморфного каскада двухкаскадного тонкопленочного фотопреобразователя на основе аморфного и микрокристаллического кремния, за счет снижения потерь от поглощения.

Уменьшение влияния эффекта Стеблера-Вронского происходит за счет уменьшения толщины собственного слоя. Уменьшение влияния данного эффекта повышает стабилизированную мощность двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля. Компенсация падения тока аморфного каскада производится за счет использования широкозонного материала р-слоя аморфного каскада (входного широкозонного р-окна) и промежуточного отражателя, переотражающего часть излучения обратно в аморфный каскад. Уменьшение количества излучения, проходящего в микрокристаллический каскад после введения промежуточного отражателя, компенсируется при уменьшении толщины аморфного каскада. В совокупности происходит уменьшение толщины аморфного каскада с сохранением токов аморфного и микрокристаллического каскадов, вследствие чего исходная мощность сохраняется, а стабилизированная мощность повышается.

Изобретение относится к структуре двухкаскадного тонкопленочного солнечного модуля (фотопреобразователя) на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Тонкопленочный солнечный модуль состоит из последовательно расположенных: фронтальной стеклянной подложки, фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида, подслоя из нестехиометрического карбида кремния р-типа, аморфного и микрокристаллического каскадов, соединенных последовательно. Аморфный каскад состоит из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного бором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (а-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного фосфором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося промежуточным отражателем. Микрокристаллический каскад состоит из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H), тыльного контактного слоя из прозрачного проводящего оксида, продольных и поперечных электрических контактных шин, тыльного отражателя, выполняющего герметизирующую функцию, установленного вместе с тыльным стеклом и коммутационной коробки. Способ изготовления тонкопленочного солнечного модуля включает нанесение на фронтальную стеклянную подложку слоя прозрачного проводящего оксида, нанесение подслоя из нестехиометрического карбида кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в силан-водородной плазме, на подслой методом плазмохимического осаждения из газовой фазы наносят аморфный каскад. На слой аморфного каскада наносят слой микрокристаллического каскада, затем наносят тыльный контактный слой из прозрачного проводящего оксида, после чего наносят продольные и поперечные электрические шины, поверх которых наносят тыльный отражатель, выполняющий герметизирующую функцию, на который устанавливают тыльное стекло и коммутационную коробку. Обеспечивается снижение фотодеградации при снижении толщины собственного слоя аморфного кремния, повышение стабилизированной эффективности, повышение квантовой эффективности за счет снижения потерь от поглощения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тонкопленочный солнечный модуль, состоящий из последовательно расположенных:

фронтальной стеклянной подложки;

фронтального контактного слоя из прозрачного проводящего оксида;

подслоя из нестехиометрического карбида кремния р-типа;

аморфного и микрокристаллического каскадов, соединенных последовательно, при этом аморфный каскад состоит из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного бором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (а-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния, легированного фосфором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося промежуточным отражателем, а микрокристаллический каскад состоит из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H);

тыльного контактного слоя из прозрачного проводящего оксида;

продольных и поперечных электрических контактных шин;

тыльного отражателя, выполняющего герметизирующую функцию, установленного вместе с тыльным стеклом; и

коммутационной коробки.

2. Тонкопленочный солнечный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фронтальный контактный слой и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова.

3. Способ изготовления тонкопленочного солнечного модуля, включающий

нанесение на фронтальную стеклянную подложку слоя прозрачного проводящего оксида;

нанесение подслоя из нестехиометрического карбида кремния методом плазмохимического осаждения из газовой фазы в силан-водородной плазме;

на подслой методом плазмохимического осаждения из газовой фазы наносят аморфный каскад, состоящий из р-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния р-типа, легированного бором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося широкозонным окном, собственного слоя на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) и n-слоя на основе слоя наночастиц кремния в матрице гидрогенизированного нестехиометрического оксида кремния n-типа, легированного фосфором (nc-Si/SiO_x:H), являющегося промежуточным отражателем;

на слой аморфного каскада наносят слой микрокристаллического каскада, состоящего из pin структуры на основе микрокристаллического кремния (uc-Si:H), затем наносят тыльный контактный слой из прозрачного проводящего оксида, после чего наносят продольные и поперечные электрические шины, поверх которых наносят тыльный отражатель, выполняющий герметизирующую функцию, на который устанавливают тыльное стекло и коммутационную коробку.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в состав силановой плазмы при плазмохимическом осаждении, при нанесении слоя р-типа, введен углекислый газ в соотношении к силану 1 к 1, водород в соотношении к силану 1 к 300 и триметилбор в соотношении к силану 6 к 1000.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в состав силан-водородной плазмы при плазмохимическом осаждении при нанесении подслоя из нестехиометрического карбида кремния вводят метан.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что фронтальный контактный слой и тыльный контактный слой выполнены из оксида цинка или оксида олова.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после нанесения слоя прозрачного проводящего оксида, слоя микрокристаллического каскада и тыльного контактного слоя выполняют скрайбирование слоев на отдельные элементы и изоляцию по периметру.