[發明專利]一種藍寶石襯底單結太陽能電池結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201610480333.8
• 申請日: 2016-06-27
• 公開（公告）號: CN105938855B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 張雨;張新;吳德華;于軍
• 申請（專利權）人: 山東浪潮華光光電子股份有限公司
• 主分類號: H01L31/0236
• 分類號: H01L31/0236;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 楊樹云

技術領域

本發明涉及一種藍寶石襯底單結太陽能電池結構及其制備方法，屬于光電子技術領域。

背景技術

太陽能電池是一種利用光生伏特效應把光能轉換成電能的器件，又叫光伏器件，主要有單晶硅電池和單晶砷化鎵電池等。太陽電池最初為空間航天器使用，空間航天器用單晶硅太陽電池的基本材料為純度達0.999999、電阻率在10歐·厘米以上的P型單晶硅，包括p-n結、電極和減反射膜等部分，受光照面加透光蓋片保護，防止電池受外層空間范愛倫帶內高能電子和質子的輻射損傷。單體電池尺寸從2×2厘米至5.9×5.9厘米，輸出功率為數十至數百毫瓦，它的理論光電轉換效率為20％以上，實際已達到15％以上。為了提高單體太陽電池的性能，可以采取淺結、密柵、背電場、背反射、絨面和多層膜等措施。增大單體電池面積有利于減少太陽電池陣的焊接點，提高可靠性。

太陽電池發展歷史可以追溯到1839年，當時的法國物理學家Alexander-Edmond Becquerel發現了光生伏打效應(Photovoltaic effect)。直到1883年，第一個硒制太陽電池才由美國科學家Charles Fritts所制造出來。在1930年代，硒制電池及氧化銅電池已經被應用在一些對光線敏感的儀器上，例如光度計及照相機的曝光針上。而現代化的硅制太陽電池則直到1946年由一個半導體研究學者Russell Ohl開發出來。接著在1954年，科學家將硅制太陽電池的轉化效率提高到4％左右，次年達到11％。隨后，太陽電池應用于人造衛星。1973年能源危機之后，人類開始將太陽電池轉向民用。最早應用于計算器和手表等。1974年，Haynos等人，利用硅的各向異性(anisotropic)的刻蝕(etching)特性，在單晶硅太陽電池表面刻蝕出具有許多金字塔結構的絨面。金字塔絨面結構能有效降低太陽光在電池表面反射損失，使得當時的太陽電池轉換效率達到17％。

其原理是當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。

當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P區移動，而P區中的電子往N區移動，從而形成從N區到P區的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。如圖1所示。由于半導體不是電的良導體，電子在通過PN結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋PN結，以增加入射光的面積。

1976年以后，如何降低太陽電池成本成為業內關心的重點。1990年以后，電池成本降低使得太陽電池進入民間發電領域，太陽電池開始應用于并網發電。

分類太陽電池是光伏發電系統的核心。從產生技術的成熟度來區分，太陽電池可分為以下幾個階段：

第一代太陽電池：晶體硅電池；

第二代太陽電池：各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池(a-Si)、碲化鎘太陽電池(CdTe)、銅銦鎵硒太陽電池(CIGS)、砷化鎵太陽電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽電池等；

第三代太陽電池：各種超疊層太陽電池、熱光伏電池(TPV)、量子阱及量子點超晶格太陽電池、中間帶太陽電池、上轉換太陽電池、下轉換太陽電池、熱載流子太陽電池、碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。

按電池結構劃分，太陽電池可分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。

按照使用的基本材料不同，太陽電池可分為硅太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化電池和有機薄膜電池幾種。

典型的III-Ⅴ族化合物太陽電池為砷化鎵(GaAs)電池，轉換率達到30％以上，這是因為III-Ⅴ族是具有直接能隙的半導體材料，僅僅2um厚度，就可在AM1的輻射條件下吸光97％左右。在單晶硅基板上，以化學氣相沉積法成長GaAs薄膜所制成的薄膜太陽電池，因效率較高，應用在太空。而新一代的GaAs多接面太陽電池，因可吸收光譜范圍高，所以轉換效率可達到39％以上，是目前轉換效率了最高的太陽電池種類。而且性能穩定，壽命也相當長。不過這種電池價格昂貴，平均每瓦價格可高出多晶硅太陽電池數十倍以上，因此不是民用主流。