[發明專利]一種太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201610180491.1
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105826412B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 于振瑞
• 申請（專利權）人: 中興能源（天津）有限公司
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 鞏克棟,侯瀟瀟

技術領域

本發明屬于半導體物理、光伏、光電子及新能源等領域，涉及一種太陽能電池及其制備方法，進一步涉及一種具有高效光電轉化效率的太陽能電池及其制備方法，特別涉及一種理論效率遠遠突破單結太陽能電池最高理論極限效率(32％)的新型單結太陽能電池的結構設計與制造技術，該電池的最高理論效率可以達到60％。

背景技術

如何提高太陽能電池(或其它光電轉換器件)的光電轉換效率是這一領域研究工作持續不斷的目標。然而，對于只有一個PN結(單結)的太陽能電池而言，其最高理論效率為32％；而對于單結硅太陽能電池，其最高理論效率則為29％。目前，實驗室獲得的硅太陽能電池的光電轉換效率已經達到25％，商業化量產硅太陽能電池的效率已經達到24.2％。無論是實驗室效率還是商業化量產的太陽能電池效率都已接近硅太陽能電池的最高理論效率極限。

為了突破單結太陽能電池的最高理論效率極限，人們提出了不同的技術方案。

比如包含多個PN結的多結太陽能電池結構。多結太陽能電池可分為兩種：橫向結構和縱向結構。

所謂橫向多結太陽能電池結構就是把不同材料(因此具有不同的帶隙E_g)制成的單結太陽能電池橫向排列，并與一個光學分光器集成。光學分光器把入射的太陽光按照波長分成不同的光線，分別照射到與之相匹配的太陽能電池上，完成光電轉換。這種太陽能電池的最高理論效率可以達到54％。

所謂的縱向多結太陽能電池(多結疊層太陽能電池)就是把不同材料制成的多個太陽能電池沿著縱向疊在一起，分別響應不同波長的入射光。一般地，響應短波長的電池排在上部，而響應長波長的電池排在底部。這種太陽能電池的理論效率可以達到50％以上，但是結構設計還要充分考慮各個電池之間的電流匹配。

無論是橫向結構還是縱向結構，其制造工藝都是非常復雜的，因此成本也非常高(比如3結疊層化合物半導體太陽能電池的制造成本是現有商業太陽能電池的100倍以上)。在現有的技術條件下，上述多結電池結構不適合大規模的商業化量產。

因此，太陽能電池如何在單結基本結構的基礎上實現高效率就成為一個重要的目標。為了在單結結構的基礎上突破32％最高效率的理論限制，有人曾經提出來通過材料改性增加其光吸收的范圍。

有人提出在硅中注入氫，從而在硅的禁帶之中產生一系列能級，使得硅可以吸收1100納米以外的紅外光，太陽能電池的轉換效率也可以提高到35％。也有人提出，通過材料改性改善硅對于短波長光的響應特性，利用一個高能光子激發出多個載流子，從而提高太陽能電池的效率(理論上可以達到60％)。

但是，上述方案存在著一些關鍵的問題還沒有解決：一是高離子注入導致材料的吸收系數激增，造成所謂的“光暈”現象。由于光暈發生在太陽能電池上表面的“死區”，造成很大一部分光吸收不能產生有用的電子-空穴對；另一個問題是載流子不能被及時有效的收集，因此也就不能最終形成有用的電流。

如何通過有效的手段產生有用的“材料改性”、如何消除材料改性帶來的負面影響、以及如何使載流子被電極有效收集從而形成電流是最終實現太陽能電池的超高效率需要解決關鍵問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種太陽能電池及其制備方法，其光電轉化效率最高能夠達到60％。

本發明通過如下技術方案實現上述目的：

一種太陽能電池，所述太陽能電池包括設置于第一發射層上部的載流子放大(Multiplication of Photo-generated Carriers)單元，用于增大入射光產生的載流子數量；

所述載流子放大單元包含至少一層再晶化硅層，所述再晶化硅層具有缺陷態，所述缺陷態的能級在導帶低之下0.2～0.4eV，所述再晶化硅層中缺陷態的密度為10¹⁸～10²⁰cm^-3。

本發明制備的太陽能電池為改良的太陽能電池，以OSJS(Optimized Single-Junction Structure)記。

單結太陽能電池的主要損失機理包括：高能量光子激發的高動能載流子的熱弛豫所損失的能量(熱弛豫損失)、長波長的光子由于其能量小于材料的禁帶寬度E_g從而不能被電池吸收所產生的能量損失(不吸收損失)、載流子的復合損失等以及其它的能量損失機理，其中熱弛豫損失和不吸收損失造成的能量損失分別高達33％和19％，成為限制單結太陽能電池理論效率的最主要因素。