[發明專利]一種高效疊層太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 200710042793.3
• 申請日: 2007-06-27
• 公開（公告）號: CN101097968A
• 公開（公告）日: 2008-01-02
• 發明（設計）人: 黃素梅;孫卓;許修兵;褚家寶;陳奕衛
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042;H01L31/18
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司
• 代理人: 程宗德

技術領域

本發明涉及一種高效疊層太陽能電池及其制備方法，可以極大提高對太陽能的利用效率和太陽能電池的光電轉換效率，屬于太陽能電池及其制備技術領域。

背景技術

太陽電池是直接將光能轉換成電能的元件，其基本構造是運用半導體材料構成P-N，光照射在太陽電池上，使半導體內部產生空穴一電子對，經P-N結電場的作用后，積累在P-N結兩側的電子(空穴)經過電極引出后形成電流。

由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現有的任何一種半導體材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉變成熱能；高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效的電能。為了提高對太陽能的利用效率，人們提出了疊層太陽能電池的概念。將太陽光光譜可以被分成連續的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結構就是疊層電池，可以大大提高性能和穩定性。疊層太陽能電池的制備通常可以通過兩種方式得到。一種是機械堆疊法，先制備出兩個獨立的太陽能電池，一個是高帶寬的，一個則是低帶寬的。然后把高帶寬的堆疊在低帶寬的電池上面；另一種是一體化的方法，先制備出一個完整的太陽能電池，再在該電池上生長或直接沉積在第二層電池。根據相關理論計算，對于疊層太陽能電池，最佳的頂、底層太陽能電池的光吸收層的能隙分別為1.7eV和1.0eV。

銅銦鎵硒Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)薄膜太陽電池，其光吸收效率高、戶外性能穩定，是目前國際上太陽電池的研究重點，實驗室單個電池轉換效率高達20％。銅銦硒化合物具有性能長期穩定，抗輻射能力強，制備的電池不存在光致衰退，被一致認為是硅材料的最佳替代者及下一代空間電源的候選者。CIS薄膜的一個重要特性是具有承受標準配比(I，III和VI族成分的比例)變化的能力，具有可改變合金成分所帶來的設計上的靈活性，其能隙可通過用Ga和Al部分取代In，或用S部分取代Se來進行調節。CIGS能隙的可調節性還可用來研制多節、疊層太陽能電池。通過調節Ga的成分比率，CIGS薄膜能隙可調至1eV，低能隙的CIGS太陽能電池是疊層太陽能電池的底電池的最佳候選者。

由于傳統的一體化的疊層太陽能電池是先制備出一個完整的太陽能電池，再在該電池上直接沉積在第而層電池。在已制備完畢的電池上再開始制備另一太陽能電池的各功能層，由于太陽能電池大都對溫度、材料交叉污染十分敏感，而太陽能電池的制備往往涉及沉積不同材料及高溫工藝。因此這種早期一體化結構的疊層太陽能電池有局限性、有固有缺陷。一體化疊層電池的結構需要優化、簡化，結構設計應使頂、底層太陽能電池各功能層的制備能不受彼此干擾、順利進行，同時還需要盡量簡化工藝、降低成本，制備出高效價廉的太陽能電池，從而使得太陽能電池能最終得到廣泛應用。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種光譜吸收范圍寬，光吸收利用效率高，光電轉換效高的高效疊層太陽能電池。

本發明的另一目的在于提供一種高效疊層太陽能電池的制備方法，它可使頂、底層太陽能電池各功能層的制備能彼此不受干擾，并優化頂層、底層太陽能電池，簡化相關工藝，極大地提高疊層太陽能電池的光電轉換效率，提高太陽能電池的質量和性能。

本發明提供的高效疊層太陽能電池，由頂層太陽能電池和底層太陽能電池的透明電極用密封膠黏結而成，或者頂層和底層共用同一塊玻璃基板，從頂層太陽電池引出一對電極，同時從底層太陽電池引出另一對電極，構成四個終端結構的疊層太陽能電池。實現對太陽能電池的最佳匹配，極大的提高太陽能電池的光電轉換效率，提高太陽能電池的質量和性能。

本發明提供的高效疊層太陽能電池，其中頂層太陽能電池是用寬禁帶Cd_1-xZn_xTe薄膜作光吸收層制成的太陽電池，Cd_1-xZn_xTe薄膜的禁帶寬度在1.7eV左右，x值為0.65～0.75，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。

本發明提供的高效疊層太陽能電池，其中頂層太陽能電池還可以是用寬禁帶CuGaSe₂(CGS)薄膜作光吸收層制成的太陽電池，CuGaSe₂(CGS)薄膜的禁帶寬度在1.7eV左右，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。