硅基疊層太陽能電池的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池技術，尤其涉及一種硅基疊層太陽能電池的制備方法。
【背景技術】
[0002]太陽能電池是一種光電能量轉換器件，可以將光能轉變為電能并且在轉換過程中沒有任何污染物的排放，是最重要的清潔能源之一。其基本原理是利用半導體材料構成的PN結，光照在太陽能電池內產生電子-空穴對，經過PN結電場作用，并通過電極引出形成光電流。由于太陽光由不同波長的光波組成，而太陽能電池只能吸收能量大于其能隙值的光子，因此，太陽光中的能量只有一部分被轉換為電能，大部分被電極和半導體材料吸收轉變為無用的熱能。為了能提高太陽能電池的利用效率，人們提出了疊層太陽能電池的概念，按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長短的光被寬能隙的材料吸收，波長長的光透射進去被窄能隙的材料利用，這樣可以最大限度將太陽能量轉換為電能，從而提高了太陽能電池的轉換效率。目前，主要的疊層太陽能電池為化合物半導體太陽能電池，但是，由于制備電池的設備昂貴，所用制備電池的原料地球儲量稀少，同時制備過程中毒性大，污染嚴重等多種因素阻礙了其大力推廣。而硅基太陽能電池所用材料地球儲量豐富，且制備工藝簡單，在清潔能源產業獲得廣泛的應用，其結構請參見圖2。它主要由頂電極2、底電極6、P型多晶硅3和N型多晶硅5組成，P型多晶硅3和N型多晶硅疊合連接，在疊合處構成一個PN結，頂電極2和底電極6分別置于P型多晶硅3上端面和N型多晶硅下端面，最終形成一單結多晶硅太陽能電池。但該種太陽能電池的太陽能轉換效率偏低，有待進一步改進。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種具有較高太陽能轉換效率的一種硅基疊層太陽能電池，上述目的由下述技術方案來實現:所述太陽能電池，包括一頂電極、一底電極、P型多晶娃和N型多晶娃，還包括一層P型非晶娃，所述P型多晶娃連接在所述N型多晶娃上，在P型多晶硅與N型多晶硅之間構成一個PN結，所述頂電極和所述底電極分別連接在P型多晶硅的上端面和N型多晶硅的下端面，所述P型非晶硅覆蓋在P型多晶硅及頂電極上，使頂電極位于P型非晶硅與P型多晶硅之間，P型非晶硅與P型多晶硅之間構成一個同型異質結。
[0004]所述太陽能電池的進一步設計在于，所述一層P型非晶硅由P型非晶硅薄膜形成，該非晶硅薄膜的禁帶寬度大致在為1.7ev?
[0005]所述太陽能電池的進一步設計在于，所述P型多晶娃的禁帶寬度大致為1.lev。
[0006]本發明的疊層太陽能電池由兩層不同帶隙的電池疊加而成，頂層利用寬禁帶的非晶硅薄膜作光吸收層與多晶硅襯底構成異質結電池。底層利用窄禁帶的多晶硅作光吸收層，在多晶硅中形成PN結作為底電池。與普通疊層電池設計不同在于頂電池與底電池共用一個P型多晶硅層，減少了一個電池間的界面，避免了電池間界面對于電流的復合作用，提高了電池效率，可以使疊層太陽能電池的光電轉換效率比單層多晶硅電池提高5-10%。
[0007]本發明的頂電極設置在P型多晶硅層與P型非晶硅層之間，與多晶硅形成歐姆接觸，而不是通常慣用的設置在電池最上層，即設置在非晶硅薄膜上，這樣可有效避免非晶硅中大量的材料缺陷對電子的復合作用，提高了光電流強度。
[0008]本發明的疊層太陽能電池的制備工藝與現有工藝兼容極好，制備時僅需調整工藝步驟就可以實現，無需新的設備投資，開發成本低。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明的硅基埋柵疊層太陽能電池的結構示意圖。
[0010]圖2是現有單結多晶硅太陽能電池的結構示意圖。
[0011]圖3是本發明太陽電池和單結多晶硅太陽能電池的光譜響應。
[0012]圖4是太陽光譜。
[0013]圖5是本發明太陽電池和單結多晶硅太陽能電池的電壓與波長關系的曲線圖。
[0014]圖6是本發明太陽電池光譜響應與α-si薄膜厚度的關系。
【具體實施方式】
[0015]對照圖1，本實施例的硅基埋柵疊層太陽能電池主要由一頂電極2、一底電極6、P型非晶硅1、多晶硅襯底中P型區3和多晶硅襯底中N型區5組成。其中的P型非晶硅I由P型非晶硅薄膜形成，該非晶硅薄膜的禁帶寬度大致為1.7ev。P型多晶硅3由多晶硅襯底中摻雜P型雜質形成，該多晶硅的禁帶寬度大致為1.lev。多晶硅襯底中P型區連接在N型多晶硅5上，在P型多晶硅3與N型多晶硅5之間構成一個PN結4。頂電極2連接在P型多晶硅上端面的襯底上，非晶硅薄膜覆蓋連接在P型多晶硅3和頂電極2上，在P型非晶硅I與P型多晶硅3之間構成一個同型異質結7。底電極6連接在N型多晶硅5的下端面。
[0016]上述的硅基疊層太陽能電池可用現有的太陽能電池的制備設備進行制作，工藝過程大致如下:
1)利用多晶娃襯底制備PN結電池；
2)淀積鋁頂電極，與P型多晶硅形成歐姆接觸；
3)淀積P型非晶硅層，與P型多晶硅形成同型異質結；
4)制備底電極，形成疊層太陽能電池。
[0017]本發明的疊層太陽能電池利用頂層寬禁帶的非晶硅薄膜作光吸收層，并與多晶硅襯底構成異質結電池。同時利用底層窄禁帶的多晶硅作光吸收層，在多晶硅中形成PN結作為底電池。它與普通疊層電池不同的結構設計是在于:頂電池與底電池共用一個P型多晶硅層。這樣可減少一個電池間的界面，避免了電池間界面對于電流的復合作用，提高了電池效率，可以使疊層太陽能電池的光電轉換效率比單結多晶硅電池提高5?10%。將頂電極設置在P型多晶硅層與P型非晶硅層之間，與多晶硅形成歐姆接觸，可有效避免非晶硅中大量的材料缺陷對電子的復合作用，提高了光電流強度。本發明通過SILVACO軟件的仿真實驗驗證，具有較佳的光電性能，SILVACO軟件仿真結果為IEEE(美國電氣和電子工程師協會)所認可。下面是具體的實施例。
[0018]實施例1，電池光譜響應仿真試驗。
[0019]該試驗的結果請參見圖3，從圖3可以看出，兩種電池的光譜響應變化趨勢相同，都是在300?850nm波段隨著波長的增加而增加，到850nm以后光譜響應強度迅速下降。從光譜響應變化趨勢上看，本發明太陽能電池吸收太陽能量的主要部分還是在多晶硅襯底中。在850nm出現光譜響應峰值與多晶硅的禁帶寬度有關，即此波長與多晶硅禁帶寬度相當。
[0020]本發明電池在整個光譜區的響應強度較單結多晶硅太陽能電池有所增強，特別是在400-600nm波段及850nm以后波段。通過對整個光譜響應的積分可以看出，本發明電池的光譜響應比單結多晶硅太陽能電池增強約5%。這表明本發明電池中的非晶硅層可以有效的提尚多晶娃電池的光譜響應。這是因為本發明電池含有兩種娃材料，而該兩種娃材料的禁帶寬度的差異，在非晶硅與多晶硅之間形成了一個PP同型異質結。根據異質結的“窗口效應”，寬禁帶的非晶硅可以提高禁帶較窄的多晶硅襯底對光的吸收，因此從圖3中可以看出，本發明電池整體光譜響應增強，在850nm以后表現特別明顯。同時，由于非晶硅薄膜的禁帶寬度比多晶硅的禁帶寬度大，其光譜吸收限位于400-600nm波段，因此在400_600nm波段，本發明電池的光譜響應也增強。圖4為太陽能量光譜分布圖，在400-600nm波段，太陽光能量最強，這說明本發明的電池在該波段能很好地適應太陽能的能量光譜，可以改善多晶硅電池在400?600nm波段的光譜響應，從而提高光電轉化效率。
[0021]實施例2，開路電壓仿真實驗。
[0022]該試驗的結果請參見圖5，在300?850nm波段，本發明電池的開路電壓與單結多晶硅電池基本一致，且都隨著波長的增加而增加。但在850nm波段，本發明電池的電壓較單結多晶硅電池有較大的提高。這是因為從電池結構上，兩種電池的電極都是淀積在多晶硅上，所以開路電壓在850nm以前變化不大，但在長波段的光譜響應比單結多晶硅電池強，所以，本發明的電池在長波段的電壓比單結多晶硅電池強。
[0023]實施例3，a-si薄膜厚度對電池光譜響應的影響該試驗的結果請參見圖6，圖6中所示為a-si薄膜厚度分別0.01、0.1、0.5、1μπι及多晶硅電池的光譜響應。從圖中可以看出隨著a -si (非晶硅)薄膜厚度的增加，在300-850nm波段光譜響應強度逐步下降，在850nm波長以后，隨著薄膜厚度的增加，光譜響應逐步增強。這說明，隨著厚度的增加，較短波長的入射光被薄膜自身所吸收，導致到達襯底的光強有所減弱，光譜響應隨著薄膜厚度的增加而減小。但是，由于長波不能被禁帶寬度較寬的薄膜所吸收，導致多晶硅襯底對長波的吸收增加，從而光譜響應隨著薄膜厚度的增加而增加。在短波段薄膜厚度對電壓的影響不大，但在長波段電壓變化較為明顯這應與隨著厚度的增加，薄膜對長波光譜響應增強有關。
【主權項】
1.硅基疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述硅基疊層太陽能電池包括一頂電極、一底電極、P型多晶硅和N型多晶硅，其特征在于還包括一層P型非晶硅，所述P型多晶硅連接在所述N型多晶硅上，在P型多晶硅與N型多晶硅之間構成一個PN結，所述頂電極和所述底電極分別連接在P型多晶硅上表面和N型多晶硅下表面，所述P型非晶硅覆蓋在P型多晶硅及頂電極上，使頂電極位于P型非晶硅與P型多晶硅之間，P型非晶硅與P型多晶硅之間構成一個同型異質結；所述制備方法的步驟順序如下: 第I步、利用多晶硅襯底制備PN結電池； 第2步、淀積鋁頂電極，與P型多晶硅形成歐姆接觸； 第3步、淀積P型非晶硅層，與P型多晶硅形成同型異質結； 第4步、制備底電極，形成疊層太陽能電池。
2.根據權利要求1所述的硅基疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述一層P型非晶硅由P型非晶硅薄膜形成，該非晶硅薄膜的禁帶寬度為1.7evo
3.根據權利要求1所述的硅基疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述P型多晶硅襯底的禁帶寬度為1.lev。
4.根據權利要求1所述的硅基疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述P型非晶硅淀積的厚度范圍為0.01-1 μ m。
【專利摘要】本發明涉及硅基疊層太陽能電池的制備方法，步驟順序如下：第1步、利用多晶硅襯底制備PN結電池；第2步、淀積鋁頂電極，與P型多晶硅形成歐姆接觸；第3步、淀積P型非晶硅層，與P型多晶硅形成同型異質結；第4步、制備底電極，形成疊層太陽能電池。本發明利用頂層寬禁帶的非晶硅薄膜作光吸收層與多晶硅襯底構成異質結，利用底層窄禁帶的多晶硅作光吸收層，在多晶硅中形成PN結，所述兩結共用一個P型多晶硅層，減少了一個電池間的界面，避免了電池間界面對于電流的復合作用，提高了太陽能電池的光電轉換效率比單結多晶硅電池提高5-10%。
【IPC分類】H01L31-18
【公開號】CN104659153
【申請號】CN201510083888
【發明人】王強
【申請人】南通大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2011年3月23日