[發(fā)明專利]一種多吸收層縱向分布的非晶硅太陽能電池

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210351626.8
• 申請(qǐng)日: 2012-09-20
• 公開（公告）號(hào): CN102856399A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉爽;曲鵬程;魏廣路;陳逢彬;何存玉;熊流峰;周晟;劉颯;鐘智勇;劉永
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/0352
• 分類號(hào): H01L31/0352;H01L31/028;H01L31/078
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)，尤其是一種多吸收層的非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著石油，天然氣等不可再生資源的日益枯竭，太陽能作為一種取之不盡的資源成為人類所努力的方向。目前主要的硅基太陽能電池主要為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池，其中，非晶硅太陽能電池和單晶硅和多晶硅太陽能電池相比，在制造工藝上大大簡(jiǎn)化，在材料消耗和電能耗上大大減少，從而成為硅基太陽能電池的熱點(diǎn)。

非晶硅材料具有較高的光吸收系數(shù)，特別是在0.3~0.75微米的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而，它比單晶硅對(duì)太陽輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（約1微米厚）就能吸收約90%的可見光太陽能。非晶硅的光學(xué)帶隙寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5~2.0ev的范圍內(nèi)變化，這樣制成的太陽能電池的開路電壓高。另外制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，沉積溫度低，時(shí)間短，適于大批量生產(chǎn)。由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題，因此可以沉積在任何襯底上，包括廉價(jià)的玻璃襯底，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。

最先提出的是非晶硅單結(jié)太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，從上往下包括依次層疊的透明玻璃襯底1（起到襯底支撐作用和對(duì)下層結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用），TCO透明導(dǎo)電膜2（與金屬電極一起構(gòu)成電池的正負(fù)極），P型半導(dǎo)體層3（與N型半導(dǎo)體層一起構(gòu)成太陽能電池的內(nèi)建電場(chǎng)），緩沖層4（緩沖層的作用是減少半導(dǎo)體層與光吸收層由于晶格失配所帶來的串聯(lián)電阻的增加），非晶硅光吸收層5（吸收太陽光能并產(chǎn)生光生非平衡載流子），N型半導(dǎo)體層6，金屬電極7。其中光吸收層作為非平衡載流子的產(chǎn)生層，P型半導(dǎo)體層3和N型半導(dǎo)體層6為電池提供了內(nèi)建電場(chǎng)，進(jìn)行非平衡載流子的收集。

單結(jié)非晶硅太陽能電池，由于非晶硅光吸收層的光學(xué)帶隙寬度是固定的（約為1.7ev），因此只能單一的吸收波長(zhǎng)為0.3~0.75微米的可見光（），光譜利用率較低。同時(shí)，單結(jié)非晶硅太陽能電池為了盡可能增加太陽能轉(zhuǎn)換效率，非晶硅光吸收層需要做得很厚，但較厚的非晶硅光吸收層反而增加了電池的不穩(wěn)定性，即存在所謂的S-W效應(yīng)（光至衰退效應(yīng)），這會(huì)導(dǎo)致單結(jié)非晶硅太陽能電池隨著光照時(shí)間的增加，太陽能轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低10%-20%。因此，拓寬非晶硅太陽能電池對(duì)光譜的響應(yīng)范圍，降低S-W效應(yīng)，是非晶硅太陽能電池發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為了拓寬非晶硅太陽能電池對(duì)光譜的響應(yīng)范圍，降低S-W效應(yīng)，人們?cè)趩谓Y(jié)非晶硅太陽能電池的基礎(chǔ)上提出了疊層非晶硅太陽能電池。疊層非晶硅太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，從上到下包括依次層疊的透明玻璃襯底1，TCO透明導(dǎo)電膜2，第一P型半導(dǎo)體層3，第一緩沖層4，第一非晶硅光吸收層5，第一N型半導(dǎo)體層6，第二P型半導(dǎo)體層7，第二緩沖層8，第二非晶硅光吸收層9，第二N型半導(dǎo)體層10，金屬電極11。疊層非晶硅太陽能電池相當(dāng)于兩個(gè)pin結(jié)構(gòu)的單結(jié)非晶硅太陽能子電池（頂電池和底電池）的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

疊層非晶硅太陽能電池利用PECVD等薄膜沉積技術(shù)依次沉積兩個(gè)pin結(jié)構(gòu)的太陽能電池。其中，頂電池吸收能量較大的光波段，底電池吸收能量較小的光波段，擴(kuò)展了光譜的響應(yīng)；同時(shí)其吸收層的薄化，使得兩個(gè)子電池的內(nèi)建電場(chǎng)有所增大，這樣有利于非平衡載流子快速?gòu)姆蔷Ч韫馕諏又谐槌?，避免了載流子的復(fù)合損失，從而有利于提高太陽能轉(zhuǎn)換效率并降低S-W效應(yīng)。

但是，疊層非晶硅太陽能電池隨即帶來了一些新的問題，影響著電池的轉(zhuǎn)換效率。由于兩個(gè)子電池相互串聯(lián)，流經(jīng)兩個(gè)子電池的電流必然相等，即兩個(gè)子電池中產(chǎn)生的最小電流為最終輸出的電流，所以必須調(diào)節(jié)頂電池或底電池非晶硅光吸收層的厚度，使兩個(gè)個(gè)子電池的電流相匹配，才能獲得較好的轉(zhuǎn)換效率。如不考慮厚度，則頂電池和底電池皆可成為限制條件，從而影響電池的轉(zhuǎn)換效率。除此之外，疊層非晶硅太陽能電池中，頂電池的N型半導(dǎo)體層（即第一N型半導(dǎo)體層6）和底電池的P型半導(dǎo)體層（第二P型半導(dǎo)體層）相互接觸，形成一個(gè)N-P反向結(jié)，會(huì)使頂電池的電子積累在第一非晶硅光吸收層5中，而底電池的空穴積累在第二非晶硅光吸收層9中，這樣會(huì)增大非平衡載流子的復(fù)合率，使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率降低。

為了解決疊層電池帶來的問題，需要從工藝上控制第一、二非晶硅光吸收層的厚度，以使兩個(gè)個(gè)子電池的電流相匹配；同時(shí)選用不同的材料來制作第一N型半導(dǎo)體層6和第二P型半導(dǎo)體層，以降低N-P反向結(jié)的影響。然而這樣無疑將增加工藝難度和復(fù)雜程度，同時(shí)也無法完全消除N-P反向結(jié)的影響。

發(fā)明內(nèi)容