[發明專利]一種橫向結構的PIN太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201210073365.8
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102544184A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 劉寶林;張玲;朱麗虹
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L31/075
• 分類號: H01L31/075;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池，特別是涉及一種橫向結構的PIN太陽能電池及其制備方法。

背景技術

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源，太陽照射地球一小時的能量相當于世界一年的總消費能量。太陽能的有效利用已經成為人類的共識，作為太陽能利用的重要手段之一，對太陽能電池即光伏發電的研究與開發也變得日益重要。目前太陽能電池主要以硅系太陽能電池為主，超過89％的光伏市場由硅系列太陽能電池所占領，硅基太陽能電池的研究和開發得到廣泛的重視。而在硅系列太陽電池中，以單晶硅太陽電池轉換效率最高，技術也最為成熟，在當前的光伏應用領域占主導地位。

單晶硅太陽能電池在結構上最常采用的是p-n結構，在這種結構下，單晶硅材料的純度要求很高，必須達到99.999％以上。否則其中的雜質和缺陷所造成的復合中心較多，這將大大降低少子壽命。但高純度硅材料的價格很昂貴，這使得所制作的太陽能電池成本很高([1]安其霖等編，太陽電池原理與工藝，194～219)。因此若能在保持較高轉換效率的前提下，降低晶體硅太陽能電池對硅材料的純度要求則能夠大大降低其材料成本。

另外，單晶硅太陽電池制作工藝較復雜，制作過程中需要消耗大量的單晶硅材料，因此受限于單晶硅的材料價格及繁瑣的電池工藝，其成本一直居高不下。為了進一步降低太陽電池的成本，人們發展了硅基薄膜太陽電池。其中，非晶硅薄膜太陽電池就是一種很有發展前景的硅基薄膜太陽電池([2]Martin?A.Green，Solar?Cells?Operating?Principles，Technology，and?System?Applications，183～186)。非晶硅薄膜太陽電池有如下優點：非晶硅屬于準直接帶系材料，其光吸收系數比單晶硅高50～100倍，只需要大約1μm厚的薄膜就可以吸收足夠的陽光，生產過程中所消耗的硅材料僅及晶體硅電池的1/100，大大地減小了半導體材料的消耗，因此材料成本非常低；采用低溫制備技術(不超過300℃)，比單晶硅電池的800～1000℃低得多，能源消耗少；薄膜制作的工藝簡單，僅通過各種氣體源就可一次性連續完成復雜器件的制作，材料與器件同時完成，而且可獲得大面積均勻薄膜，所以制造成本非常低；易實現大規模生產，完全與半導體微電子技術中的各種集成化技術相兼容。另外，對襯底材料要求不高，能沉積在玻璃、石英、陶瓷、不銹鋼、塑料等廉價的襯底上，特別是近期發展起來的柔性襯底非晶硅太陽電池具有高重量比功率，輕便，柔韌性強等優點，容易與建筑材料相結合，構成光伏建筑一體化系統。所以，非晶硅太陽能電池有廣闊的應用前景，在降低成本方面有著不可比擬的優勢。

非晶硅太陽能電池在結構上最常采用的是與表面垂直的p-i-n結構。非晶硅電池的工作原理與單晶硅電池類似，都是利用半導體的光伏效應實現光電轉換。與單晶硅電池不同的是，非晶硅電池光生載流子只有漂移運動而無擴散運動，原因是由于非晶硅結構中的長程無序和無規網絡引起的極強散射作用，使載流子的擴散長度很短。如果在光生載流子的產生處沒有電場存在，則光生載流子受擴散長度的限制，將會很快復合而不能吸收。為能有效地收集光生載流子，將電池設計成p-i-n型，其中p層是入射層，i層是本征吸收層，處在p和n層產生的內建電場中。當入射光通過p層進入i層后，產生電子-空穴對，光生載流子一旦產生后就由內建電場分開，空穴漂移到p型一側，電子漂移到n型一側，在pn結兩側集聚形成了電位差，形成光生電流和光生電壓。因此在這種與表面垂直的p-i-n結構下，i層是電池的核心部分，是光生載流子的產生區。i層的設計原則上應同時考慮材料的光吸收系數和帶隙中的缺陷態密度，因此該層的質量及其厚度是否合適，將直接影響電池的性能參數。若i層的質量較差或厚度太厚，則i層中的雜質和缺陷所造成的復合中心較多，這將大大降低光生載流子的壽命，同時厚度太厚會使得內建電場太弱，不利于光生載流子的收集。相反，若i層的厚度薄，則i層中的雜質和缺陷所造成的復合中心較少且內部電場較大，從而提高光生載流子的收集效率，但同時卻減小了光吸收，即減小了i層內光生載流子的總數，仍然會影響電池的性能。總之，要提高電池的效率，制備高質量的i層以及尋找合適的i層厚度是關鍵。

另外，在這種與表面垂直的p-i-n結構下作為窗口的p層或者n層為盡可能地避免遮擋太陽光充分地進入到i層，其厚度必須盡可能薄。但是若窗口的厚度太薄，則無法產生足夠的內建電場。顯然，窗口的厚度要求也是p-i-n結構的難點。

發明內容

本發明的目的在于針對現有晶體硅、非晶硅太陽能電池對高轉換效率和低成本的要求，提供一種橫向結構的PIN太陽能電池及其制備方法。