[發(fā)明專利]一種硫化銻/硅疊層太陽電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610369963.8
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN105810772B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉芳洋;陳鑫;蔣良興
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01L31/078
• 分類號: H01L31/078;H01L31/18
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所43114
• 代理人: 魏娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種疊層太陽能電池，具體設(shè)及一種硫化銻/硅疊層太陽電池及其制備方法，屬于太陽電池材料與器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)

太陽電池作為一種重要的光電能量轉(zhuǎn)換器件，由于其安全無污染、維護(hù)簡單、資源永不枯竭和使用壽命長等特點(diǎn)，近年來發(fā)展十分迅速。疊層太陽電池屬于第三代太陽電池，它可以拓寬太陽電池的吸收光譜，最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能，提升太陽電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率，是太陽電池發(fā)展的重要方向。

由于太陽光光譜的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其禁帶寬度值高的光子，太陽光中能量較小的光子將透過電池被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出禁帶寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點(diǎn)陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有30％左右。

疊層太陽電池通過結(jié)合多種光伏材料，拓寬了太陽電池的吸收光譜，其結(jié)構(gòu)中每一層電池都需要選擇合適的禁帶寬度、摻雜濃度、結(jié)深等，這樣可以使入射光在子電池間有效的分配，并被充分吸收，一般用禁帶寬度大的材料做成頂電池，吸收短波長的光能，并允許較低低能量的長波光子透過，用禁帶寬度小的材料做成底電池，吸收長波長的光能。疊層太陽電池的設(shè)計難題在于，首先要尋找兩種晶格匹配良好的半導(dǎo)體晶體，從而使能量轉(zhuǎn)換效率提高；并且在理想的情況下，頂電池導(dǎo)帶底部應(yīng)該與底電池價帶頂部能級盡可能接近，這可以使頂電池被太陽光激發(fā)的電子能夠很容易的從頂電池的導(dǎo)帶進(jìn)入底電池的價帶，電子在價帶上又被不同波長的太陽光激發(fā)。這樣一來，兩部分的電池像兩個串連的蓄電池一起工作，并且總功率與兩個電池的功率總和相等。疊層電池的電流匹配可用泊松比或連續(xù)性方程設(shè)計，如果在接合處價帶和導(dǎo)帶沒有被正確匹配，電子流過時就會因?yàn)楫a(chǎn)生的電阻造成功率損耗。有研究表明，可以通過制備高太陽能密度的疊層太陽能電池，并且不在連接處丟失電壓，有希望將轉(zhuǎn)化效率提升至45％以上。

硫化銻是一種很有潛力的太陽電池材料，禁帶寬度約為1.6-1.8eV，成本低、無毒性、性能穩(wěn)定；硅是目前發(fā)展最成熟的太陽電池材料，禁帶寬度為1.1-1.4eV，兩種材料的禁帶寬度可以很好地互補(bǔ)，拓寬太陽電池的吸收光譜。然而，由于難以找到一種合適的電極材料，既能實(shí)現(xiàn)硫化銻薄膜太陽電池和晶硅太陽電池的串聯(lián)，又能與兩個子電池在界面、電學(xué)和光學(xué)上實(shí)現(xiàn)兼容，因此目前雖然有硅/硫化銻異質(zhì)結(jié)單節(jié)電池的研究報道，但卻沒有硫化銻/硅疊層太陽電池的相關(guān)研究報道出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有的疊層太陽能電池存在的缺陷，本發(fā)明的一個目的是在于提供了一種理論光電轉(zhuǎn)換效率高的硫化銻/硅疊層太陽電池，該疊成太陽能電池通過復(fù)合連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了硫化銻太陽電池和硅太陽電池兩個子電池的完美串聯(lián)。

本發(fā)明的另一個目的是在于提供一種材耗少、成本低的制備所述硫化銻/硅疊層太陽電池的方法，該方法可利用現(xiàn)有成熟工藝及設(shè)備進(jìn)生產(chǎn)，有利于生產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種硫化銻/硅疊層太陽電池，該疊層電池包括晶硅底電池、硫化銻薄膜頂電池以及中間復(fù)合連接結(jié)構(gòu)層；所述復(fù)合連接結(jié)構(gòu)層由下至上包括二氧化硅鈍化層和高功函數(shù)過渡金屬氧化物層；所述二氧化硅鈍化層中包含金屬納米顆粒陣列。

本發(fā)明的技術(shù)方案首次將硅晶太陽電池和硫化銻薄膜太陽電池首次成功串聯(lián)，利用硫化銻頂電池在短波段的光吸收和硅底電池在長波段的光吸收，可以實(shí)現(xiàn)入射光能量的高效分配和利用，突破晶硅太陽電池效率的理論極限(30％)。本發(fā)明的技術(shù)方案關(guān)鍵在于采用了一種特別適合硅晶底電極和硫化銻薄膜頂電極之間進(jìn)行連接的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)硅晶底電極和硫化銻薄膜頂電極之間的串聯(lián)，又能夠?qū)崿F(xiàn)光子的高效透過及電子的高效傳輸，能獲得高轉(zhuǎn)換率的疊層太陽能電池。

優(yōu)選的方案，晶硅底電池為以p型硅為基體、以n型硅為發(fā)射極的單晶硅或者多晶硅太陽電池，并且不需要制絨、鈍化和金屬化步驟，制備工藝簡單化。

優(yōu)選的方案，晶硅底電池背表面包括背電場和背電極。

優(yōu)選的方案，金屬納米顆粒陣列由Ag、Au或Pd納米顆粒構(gòu)成。金屬納米顆粒陣列是與硅太陽電池的電學(xué)接觸點(diǎn)，用于收集硅電池產(chǎn)生的電流。

優(yōu)選的方案，復(fù)合電極材料連接層包括透明導(dǎo)電氧化物TCO層，所述透明導(dǎo)電氧化物TCO層設(shè)置在二氧化硅鈍化層和高功函數(shù)過渡金屬氧化物層之間。采用透明導(dǎo)電氧化物TCO層的有點(diǎn)在于既能與金屬納米顆粒陣列一起充當(dāng)集流層，也可降低復(fù)合電極的電阻，促進(jìn)電流傳輸。