[發(fā)明專利]太陽(yáng)能電池及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110454266.X
• 申請(qǐng)日: 2011-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103187458A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱虹;徐根保
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 朱虹;徐根保
• 主分類號(hào): H01L31/0352
• 分類號(hào): H01L31/0352;H01L31/078;H01L31/20
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池，尤其涉及具有高的光電轉(zhuǎn)化效率的串疊型(tandem)太陽(yáng)能電池及其制作方法。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能電池通常以為固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)為特征，所述固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)在它們的價(jià)電子帶和它們的傳導(dǎo)電子帶之間具有能帶隙。當(dāng)光為材料所吸收時(shí)，占據(jù)低能態(tài)的電子受激發(fā)而穿過(guò)能帶隙至較高能態(tài)。例如，當(dāng)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子從太陽(yáng)輻射的光子吸收足夠的能量時(shí)，它們可躍過(guò)能帶隙至更高能量的導(dǎo)帶。激發(fā)至較高能態(tài)的電子留下未占據(jù)的低能量位置或者空穴。和導(dǎo)帶中的自由電子一樣，這種空穴可在晶格中在原子間移動(dòng)并由此作為電荷載流子，并有助于晶體的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體中吸收的大多數(shù)光子產(chǎn)生這種電子空穴對(duì)，這種電子空穴對(duì)產(chǎn)生光電流并進(jìn)而產(chǎn)生由太陽(yáng)能電池顯示出的光電壓。半導(dǎo)體摻雜有不同的材料以產(chǎn)生使用作電荷載流子的空穴和電子分離的空間電荷層(space?charge?layer)。一旦分離，這些收集的空穴和電子電荷載流子產(chǎn)生空間電荷，該空間電荷引起作為光電壓的橫跨結(jié)區(qū)的電壓。如果這些空穴和電荷載流子允許流過(guò)外部負(fù)載，那么它們構(gòu)成光電流。

在半導(dǎo)體中跨越能帶隙存在固定量的勢(shì)能差。對(duì)于待激發(fā)躍過(guò)能帶隙至高能導(dǎo)帶的出于低能價(jià)帶中的電子，其必須通常從吸收的光子中吸收足夠量的能量，該能量值至少等于跨越能帶隙的勢(shì)能差。半導(dǎo)體對(duì)光子能量小于能帶隙的輻射是透明的。如果電子例如從較高能量的光子吸收超過(guò)能量的閾值量，那么其可躍過(guò)能帶隙。吸收的能量超過(guò)電子躍過(guò)能帶隙所需要的的閾值量，則產(chǎn)生了能量高于導(dǎo)帶中大部分其它電子的電子。多余能量最后以熱的形式散失。最終結(jié)果是單個(gè)能帶隙半導(dǎo)體的有效光電壓受限于能帶隙。因此，在單個(gè)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池中，為了從太陽(yáng)輻射光譜俘獲盡可能多的光子，半導(dǎo)體必須具有小的能帶隙，使得即使具有較低能量的光子也可激發(fā)電子躍過(guò)能帶隙。因?yàn)樾〉哪軒恫牧系氖褂脤?dǎo)致裝置的光電壓和功率輸出降低，所以存在限制。另外，來(lái)自較高能量輻射的光子產(chǎn)生作為熱而散失的多余能量。

然而，如果半導(dǎo)體設(shè)計(jì)為具有較大的能帶隙以提高光電壓并減小由熱載流子的熱化所導(dǎo)致的能量損失，則具有較低能量的光子不能被吸收。因此，在設(shè)計(jì)單結(jié)太陽(yáng)能電池時(shí)，有必要平衡這些考慮因素和優(yōu)化能帶隙，并盡量設(shè)計(jì)具有最優(yōu)能帶隙的半導(dǎo)體。近年來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了許多工作，通過(guò)制造串疊型或者多結(jié)(級(jí)聯(lián))太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)來(lái)解決該問(wèn)題，在這些太陽(yáng)能電池中，頂部電池具有較大的能帶隙并吸收較高能量的光子，而較低能量光子通過(guò)頂部電她進(jìn)入具有較小能帶隙的下部或者底部電池以吸收較低的能量輻射。這些能帶隙從高至低、從上到下來(lái)排序，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(cascading?effect)。原則上，可以以如此方式堆疊任意數(shù)量的子電池；然而，實(shí)際極限通常認(rèn)為是兩個(gè)或三個(gè)。由于每個(gè)子電池在能夠有效轉(zhuǎn)換能量的小的光子波長(zhǎng)帶上將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，所以多結(jié)太陽(yáng)能電池能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。制造這種串疊型電池的技術(shù)記載于美國(guó)專利5,019,177，通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文。

現(xiàn)有的串疊型或者多結(jié)太陽(yáng)能電池大部分是由不同的硅基子電池堆疊形成，比如常見(jiàn)的由非晶硅子電池與微晶硅子電池堆疊形成的串疊型太陽(yáng)能電池，這類電池制作成本較低，但對(duì)光的轉(zhuǎn)換效率仍較低。市場(chǎng)上也有高效率的串疊型太陽(yáng)能電池出現(xiàn)，例如美國(guó)專利5,019,177公布的由磷化銦(InP)子電池與磷砷化銦鎵(GaInAsP)子電池形成的串疊型太陽(yáng)能電池，但其材料和制造成本過(guò)高，很難在民用的市場(chǎng)大規(guī)模推廣。

因此，期望提供光電轉(zhuǎn)換效率高且制作成本較低的太陽(yáng)能電池。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種光電轉(zhuǎn)換效率高且制作成本較低的太陽(yáng)能電池。

本發(fā)明的目的還在于提供一種上述太陽(yáng)能電池的制作方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能電池，其包括疊層設(shè)置的硅基子電池與III-V族化合物子電池，所述III-V族化合物子電池比所述硅基子電池更靠近光入射方向。

可選的，所述硅基子電池、所述III-V族化合物子電池為p-n型或p-i-n型接合結(jié)構(gòu)。

可選的，所述硅基子電池包括由非晶硅、微晶硅或多晶硅材料制成的光電轉(zhuǎn)換層。

可選的，所述非晶硅包括氫化非晶硅(α-Si:H)、氫化非晶硅碳(α-SiC:H)、氫化非晶硅鍺(α-SiGe:H)或氫化非晶硅碳鍺(α-SiGeC:H)。

可選的，所述III-V族化合物子電池包括由Al_1-XGa_XN材料制成的光電轉(zhuǎn)換層，其中，0≤X≤1。

可選的，所述硅基子電池與所述III-V族化合物子電池之間設(shè)置有導(dǎo)電連接層。