[發明專利]一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料及其應用

無效

• 申請號: 201210435814.9
• 申請日: 2012-11-05
• 公開（公告）號: CN102916061A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 倪牮;張建軍;馬峻;侯國付;陳新亮;張曉丹;趙穎
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/0368;H01L31/0376;H01L31/0352
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

【技術領域】

本發明涉及硅基薄膜太陽能電池技術領域，特別涉及一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料及其應用。

【技術背景】

在太陽電池領域中，硅基薄膜太陽電池是受到廣泛認可的低成本技術路線。傳統意義上講，硅基薄膜太陽電池是指以非晶硅、微晶硅、硅鍺合金、硅碳合金、硅氧合金等薄膜材料為本征吸收層的太陽電池，普遍具有原材料消耗量低、易于大面積制備，制造成本、能耗低，且制造過程無毒、無污染等優勢，目前已逐步走向產業化。

采用不同帶隙的吸收層材料制成多結疊層電池，是提高硅基薄膜太陽電池穩定效率的有效途徑。目前，最為常見的疊層電池結構為非晶硅-微晶硅雙結疊層、非晶硅-非晶硅鍺-非晶硅鍺和非晶硅-非晶硅鍺-微晶硅三結疊層結構等。在上述結構中，首層、第二層和后續層具有遞減的帶隙，每一層吸收的太陽光譜波長則不斷遞增。

但是，無論哪種電池結構，最底層電池的理論帶隙均不低于1.1eV，從而將太陽電池的長波光譜吸收限制在1100nm，僅能利用AM1.5標準太陽光譜總輻射量的約80%，造成一定的光損失。因此，拓展光譜吸收范圍，成為進一步提高硅基薄膜太陽電池效率的關鍵。

【發明內容】

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料及其應用，該材料可吸收大于1100nm波長，應用于基于Ⅳ族薄膜材料的四端疊層太陽電池，結構新穎，能夠拓展近紅外區域的太陽電池光譜響應，最大限度地利用太陽光譜。

本發明的技術方案：

一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料，是采用層遞式循環沉積方法制備的由微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜交替生長的多層材料，微晶鍺薄膜的厚度為20-50nm，其內部結晶成分占全部材料的體積百分比為40-80%，晶粒尺寸為15-40nm，之后沉積非晶鍺薄膜的厚度為1-10nm，然后進行等離子體處理或化學退火處理，如此循環沉積微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜，直至形成總厚度為50-1500nm的微晶鍺-非晶鍺異質薄膜，即為窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料。

一種所述窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料的應用，用于基于Ⅳ族薄膜材料的寬光譜四端疊層硅基薄膜太陽電池，該太陽電池由襯底、金屬電極、透明導電電極、底端電池的n型摻雜層、微晶鍺-非晶鍺異質吸收層、底端電池的p型摻雜層、透明導電與柵線復合電極、中間透明絕緣層、透明導電與柵線復合電極、微晶硅電池、非晶硅鍺電池、非晶硅電池和透明導電與柵線復合電極疊加構成，其中金屬電極、透明導電電極、底端電池的n型摻雜層、微晶鍺-非晶鍺異質吸收層、底端電池的p型摻雜層和透明導電與柵線復合電極構成以微晶鍺-非晶鍺異質材料為吸收層的薄膜太陽電池的底端電池，用于吸收1100-1800nm波段的長波太陽光譜，透明導電與柵線復合電極、微晶硅電池、非晶硅鍺電池、非晶硅電池和透明導電與柵線復合電極構成傳統的硅基薄膜疊層頂端電池，用于吸收300-1100nm波段的太陽光譜，底端電池和頂端電池各有電池兩極并設有四個引出端，底端電池和頂端電池之間以透明絕緣層相連，其電阻率高于1010Ωcm、1100-1800nm波段透過率高于60%、折射率為1.5-3.0。

本發明的工作原理：

采用層遞式沉積方法制備的新型微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料，具有優異的光電轉換能力。這是因為，具有單一成分的微晶鍺材料，在生長過程中隨著厚度的增加而不斷累積晶界缺陷，缺陷態密度的大幅增加使載流子輸運特性變差，進而使材料失去吸收光子并將其轉換成電子的能力。采用層遞式沉積方法，在沉積一定厚度的微晶鍺材料后，沉積一層非晶鍺薄層，并結合一定的等離子體處理或者化學退火處理技術，可以有效減緩因晶粒長大、交聯而形成的晶界缺陷，達到鈍化晶界缺陷的目的。另外，周期性的微晶鍺-非晶鍺異質結構是一種多量子阱材料，帶隙為1.1eV的非晶鍺材料構成電子和空穴的勢壘，通過改變非晶鍺層的厚度，可以調節微晶鍺-非晶鍺異質吸收層材料的帶隙，使之在0.70-1.10eV之間變化，達到拓展電池近紅外區域光譜響應的目的。