[發明專利]納米偶極子太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201110358135.1
• 申請日: 2011-11-11
• 公開（公告）號: CN103107214A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 劉向鑫
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/04;H01L31/18;G01R31/26
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種無平面結電場的太陽能電池及其制備方法。

背景技術

太陽能電池通常采用平整界面的半導體材料來收集入射光能量并發電。半導體材料通常分為兩類：富電子材料即n型半導體材料和富有空穴或電子耗盡態的p型半導體。當太陽能電池暴露于光源下時，n型層中的電子運動并穿過半導體材料構成的平面結到達p型層而產生電流。太陽能電池的發電能力與p-n結的表面積有關。具有單p-n結的太陽能電池可能具有更大的表面積。太陽能電池可以采用疊層結構形成多p-n結。事實上，多結太陽能電池是將對特定波段光透明的單結電池疊加起來。這些多結電池可能產生與單p-n結電池相同或更大的輸出功率。

圖1A和圖1B給出了常規p-n結型太陽能電池10。太陽能電池10具有襯底層12，用來支撐透明導電氧化物(TCO)層14。太陽能電池10包括p型半導體層16，n型半導體層18，和常規的平面p-n結20。如圖1B的箭頭方向所示，太陽能電池10的制備過程是，沉積TCO層14在襯底層12上，然后n型層18(由硫化鎘(CdS)構成)沉積到TCO層14上。p型層16(由碲化鎘(CdTe)構成)沉積在n型層18上，p-n結20通過n型層18和p型層16的直接接觸構成，具有平面結構。最后金屬導電電極層22沉積到p型層16上完成太陽能電池的制備。正如上文所述，p型層16和n型層18從不同的靶材分別制備而得到。所構建的p-n結20用來形成電子在從p型層16向n型層18和空穴從n型層18向p型層16的傳輸從而發電。

然而，每種類型的電池都有一定的功能極限。單結光伏電池可能允許很寬波段內的光達到p-n結，然而受限于所選材料，不可能利用所有達到p-n結的光。多p-n結可以利用特定波段的光，但隨著這些層疊加起來，每一層都會阻擋一些對下層發電有用的光。而且各層還需要是“電流匹配”的，以保證輸出電流的大小相等，因為最低的輸出電流是限制電池總輸出的因素。電流匹配同樣將材料的選擇限制在那些具有相近輸出的材料上。隨著層數的增加，電池內的電阻將導致額外的寄生損失并降低電池效率。而且，制備多結電池的步驟復雜，也增加了電池成本。因此，單結和多結太陽能電池一直在電池尺寸、柔性、成本之間相互妥協來提高電池效率和輸出功率。

現有技術中太陽能電池的平面半導體層制備工藝是有順序的并每步相對獨立的。每一層可以用不同工藝實現，如，化學或物理氣相沉積或濺射。通常在最外層的金屬導電電極層(如背電極)或透明導電層(如前窗口層)上接著制備下一層。襯底緊挨著背電極層時被稱為“下襯底”，而襯底緊挨著前窗口層時則被稱為“上襯底”，取決于使用時各層的相對順序。

通常，可使用不同的材料來形成各個半導體層。例如，薄膜太陽能電池可能有硫化鎘(CdS)n型層和碲化鎘(CdTe)p型層。可以使用不同的源材料按順序生長這些層。如果是濺射沉積工藝，源材料指靶材，被高能粒子(如含等離子體的高能離子)轟擊。材料的原子從靶材中被轟擊出來并撞擊已制備好的電池層表面。每一層所用的靶材都不同。在單一腔室中通過更換靶材或選擇不同靶材濺射可以實現制備電池中所需的各層半導體。

然而這種制備方法會影響太陽能電池的成本和質量。每層的沉積必須按照順序進行，并且沉積速度慢，導致生產速率偏低。如果使用單一腔室，則更換靶材會增加工藝和處理時間并可能使腔室受到污染。如果根據工藝選擇在不同的腔室濺射不同的靶材，設備和維護成本則會增加。另外，單腔室制備電池限制了批量生產太陽能電池的產量。如果使用多腔室來實現高產能，即流水線式生產，將大幅增加設備成本。因此，理想的情況是可以生產一種表面積和厚度都低、而p-n結表面積大的太陽能電池。

與具有p-n結結場結構的光伏器件相比，納米偶極子光伏器件理論上可具有如下基本優勢：1)可以實現對稱結構，襯底在下與在上結構對電池效率影響沒有差別，可以自由的選擇透明或不透明的襯底材料，也可以自由的選擇剛性或柔性的襯底材料；2)有望獲得更高的輸出電壓；3)只需一層嵌有納米偶極子的材料，而不是p-n結那樣的兩層，大大減少薄膜制備的設備成本(估計約一半)和生產工藝；4)在納米偶極子材料和光伏效應介質之間不需要良好的電接觸，因此可供選擇的光伏介質和納米偶極子顆粒種類多，受原料供應的限制少。

利用該發明的納米偶極子太陽能電池制備方法，可以進一步提升薄膜太陽能電池的轉換效率、均勻性和出品率，具有高度多樣性。這種納米偶極子太陽能電池的制備方法可以在現有的CdTe薄膜太陽能電池生產線上生產，可以減少昂貴的真空設備成本。