[發明專利]應用于薄膜太陽能電池的小孔陣光陷阱技術

無效

• 申請號: 201210042742.1
• 申請日: 2012-02-15
• 公開（公告）號: CN102623578A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 潘慧英
• 申請（專利權）人: 潘慧英;潘會娟
• 主分類號: H01L31/20
• 分類號: H01L31/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明所處技術領域為太陽能光伏發電設計，適用于超薄太陽能薄膜電池及其它各種材料的太陽能光伏電池。

背景技術

作為一種新興的可再生綠色能源，太陽能光伏發電已成為人類解決能源需求，保護自然環境的重要發展方向。傳統的晶體硅材料(包括單晶硅和多晶硅)太陽能光伏電池雖然已可達到大約20％的光電轉換效率，但由于其材料生產成本高昂，耗能嚴重，其價格一直居高不下。因此，造價低廉的薄膜太陽能光伏電池應成為中國光電產業的重要開發項目。目前薄膜太陽能光伏電池所采用的光電轉換材料主要有非晶硅，硫化鎘，碲化鎘，砷化鎵和銅銦硒等多元混合物。由硫化鎘，碲化鎘，砷化鎵和銅銦硒等多元混合物所生產的薄膜太陽能光伏電池的光譜反應好于非晶硅電池，光電轉換率較高，但這些混合物的構成元素或為地球上的稀有元素，資源有限，價格高昂，或具有很強的毒性，對環境的危害值得關注。而硅是地球上儲藏最豐富的材料之一。非晶硅薄膜太陽能電池與晶體硅太陽電池的制作方法完全不同，工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，能耗更低，也無環境污染的問題。雖然光電轉換率較低，非晶硅材料薄膜太陽能電池將是中國太陽能光伏產業走無污染低能耗綠色發展道路的長期必然選擇。

非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉換率取決于非晶硅材料對太陽光的吸收。非晶硅材料對不同波長的光的吸收差別很大。非晶硅材料對藍綠黃橙波段的光吸收很強，但對紅光和紅外波段的光吸收有限，這是制約非晶硅薄膜太陽能電池光電轉換率的一個重要因素。非晶硅材料對陽光的吸收厚度在1.0微米左右，這是一般非晶硅太陽能薄膜電池非晶硅吸收層厚度設為0.5微米左右的根本原因：在有金屬背反射層的設計下一次正入射加反射的光程可為1.0微米。但即使在非晶硅吸收層厚度為0.5微米的前提下，其對紅光和紅外波段的光吸收也并不理想。而矛盾的是，我們并不能靠增加非晶硅吸收層的厚度以增加其對紅光和紅外光的吸收來達到增加電流的目的。非晶硅材料受結構缺陷的影響，即使做加氫處理后其少數載流子的擴散距離也僅有100納米左右。被吸收的光子在深于100納米部分所產生的電子-空穴對的絕大多數在未脫離吸收層時便重新復合，對電流并無供獻。因此，厚的非晶硅吸收層反而是制約非晶硅薄膜太陽能電池光電轉換率的一個原因。由于一般的非晶硅薄膜太陽能電池無法在減小非晶硅吸收層厚度的同時保證對光的吸收量，因此光電轉換效率普遍偏低，目前國際先進水平為10％左右，且隨著光照時間的加長，其轉換效率會有一定程度的衰減，而這種轉換效率的衰減程度會因非晶硅吸收層加厚而加大。

另外，雖然非晶硅材料在藍光譜段和更小波長上具有優異的吸收能力，但藍光以上高能光子與非晶硅分子作用所產生的電荷多為“熱電子”。一般情況下，這些“熱電子”無法脫離較厚的非晶硅材料的束縛，絕大多數不能形成電流，只具有發熱作用。若要使藍光以上高能光子與非晶硅材料作用所產生的“熱電子”能穿過非晶硅薄膜形成電流，非晶硅薄膜的厚度必須大大減小。有研究發現，當非晶硅材料的厚度小于30納米時，由藍光產生的電壓會大于紅光產生的電壓，說明超薄的非晶硅吸收層是“熱電子”能形成有效電流的必要條件。由于這個發現，有預測說如果非晶硅吸收層遠薄于目前薄膜電池的話則光電轉換率有可能達到50-60％(請參考Kempa?K.et?al.SPIE?doi：10.1117/2.1201003.002630)。

減小非晶硅吸收層的厚度可帶來幾個好處：(1)增加開路電壓：研究表明，在非晶硅吸收層的厚度小到一定程度后非晶硅太陽電池的開路電壓隨非晶硅吸收層的厚度減小呈指數增高；(2)減小體積損耗：非晶硅吸收層的厚度減小能使電子-空穴對重新復合的機會降低，從而減少了體積損耗；(3)增加穩定性：研究表明，非晶硅太陽電池的光電轉換效率隨時間衰減的問題在非晶硅吸收層超薄時變小；(4)可能收集到“熱電子”，增大電流；(5)減少對硅材料的需求，縮短鍍硅過程的加工時間，大大降低成本。