專利名稱：一種多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及非晶硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，尤其是一種多吸收層的非晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池主要為單晶硅太陽(yáng)能電池，多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池，其中，非晶硅太陽(yáng)能電池和單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池相t匕，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(yáng)能電池的
執(zhí)占。 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(yáng)輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜(約I微米厚)就能吸收約90%的可見光太陽(yáng)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I. 5^2. Oev的范圍內(nèi)變化，這樣制成的太陽(yáng)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(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，從上往下包括依次層疊的透明玻璃襯底I (起到襯底支撐作用和對(duì)下層結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用)，TC0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(yáng)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(yáng)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(yáng)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
I.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(yáng)能電池為了盡可能增加太陽(yáng)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(yáng)能電池隨著光照時(shí)間的增加，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低10%-20%。因此，拓寬非晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了拓寬非晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池的基礎(chǔ)上提出了疊層非晶硅太陽(yáng)能電池。疊層非晶硅太陽(yáng)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，TC0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(yáng)能電池相當(dāng)于兩個(gè)pin結(jié)構(gòu)的單結(jié)非晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換效率并降低S-W效應(yīng)。但是，疊層非晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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
為了進(jìn)一步提高非晶硅太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能光譜利用率，提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低光至衰退效應(yīng)，消除N-P反向結(jié)的影響，本發(fā)明提供一種多吸收層橫向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括從上往下包括依次層疊的透明玻璃襯底1，TCO透明導(dǎo)電膜2，P型半導(dǎo)體層3，緩沖層4，非晶硅光吸收層5，N型半導(dǎo)體層6，金屬電極7。其中所述非晶硅光吸收層5由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成(如圖4所示)。本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其中多個(gè)非晶硅光吸收子層具有相同的厚度，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度通過在非晶硅材料中摻雜予以實(shí)現(xiàn)。具體摻雜元素為Ge、C、N、Cl或F，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度可通過不同的摻雜元素予以實(shí)現(xiàn)，也可通過同一摻雜元素不同的摻雜量予以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池與現(xiàn)有的單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池相比，具有相似的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池中非晶硅光吸收層為單層結(jié)構(gòu)、具有固定的光學(xué)禁帶寬度，而本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池中非晶硅光吸收層為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)、由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成。本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池與現(xiàn)有的疊層非晶硅太陽(yáng)能電池相比，區(qū)別在于疊層非晶硅太陽(yáng)能電池由兩個(gè)單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池串聯(lián)而成，其中頂電池和底電池的非晶硅光吸收層都是單層結(jié)構(gòu)、具有固定的光學(xué)禁帶寬度，但本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池中非晶硅光吸收層為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)、由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成。本發(fā)明提供的多吸收層橫向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池具有如下效果I、本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，只需考慮各非晶硅光吸收子層的厚度能否使得響應(yīng)波段的光波充分吸收，而不用考慮疊層中由于層的厚度所產(chǎn)生的光電流匹配問題，即不存在疊層非晶硅太陽(yáng)能電池的子電池電流匹配問題。2、本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，不存在疊層非晶硅太陽(yáng)能電池中的反向PN結(jié)，因此在非晶硅光吸收層的非平衡載流子復(fù)合這一不利因素減少了，從而有利于提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。3、本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，由于非晶硅光吸收層為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)、由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成，使其對(duì)應(yīng)吸收不同波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)光，使得太陽(yáng)光的光譜利用率大大提高。4、另外，本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其中各非晶硅光吸收子層之間由于非晶硅光吸收層光學(xué)禁帶寬度的不同是通過不同的摻雜元素或不同的摻雜量予以實(shí)現(xiàn)，所以可以將非晶硅光吸收層中H含量控制在能使吸收層缺陷態(tài)密度較低的范圍內(nèi)，從而同時(shí)降低光至衰退效應(yīng)，使得電池的穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。


圖I是傳統(tǒng)疊層太陽(yáng)能電池的吸收層結(jié)構(gòu)示意圖。其中I是透明玻璃襯底1，2是TCO透明導(dǎo)電膜，3是第一 P型半導(dǎo)體層3，4是第一緩沖層，5是第一非晶硅光吸收層，6是第一 N型半導(dǎo)體層，7是第二 p型半導(dǎo)體層7,8是第二緩沖層，9是第二非晶硅光吸收層，10是第二 N型半導(dǎo)體層，11是金屬電極。 圖2是本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。其中其中I是透明玻璃襯底，2是TCO透明導(dǎo)電膜，3是P型半導(dǎo)體層，4是緩沖層，5是非晶硅光吸收層，6是N型半導(dǎo)體層6，7是金屬電極。而非晶硅光吸收層5由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成。圖3是本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池中非晶硅光吸收層5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。該示意圖給出了三個(gè)非晶硅光吸收子層復(fù)合的結(jié)構(gòu)，其中頂層非晶硅光吸收子層禁帶寬度最大，中間層非晶硅光吸收子層禁帶寬度居中，底層非晶硅光吸收子層禁帶寬度最小。圖4是現(xiàn)有單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池的光吸收與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系仿真圖。圖5是本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布(三層復(fù)合結(jié)構(gòu))的非晶硅太陽(yáng)能電池的光吸收與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系仿真圖。其中，曲線I是頂層非晶硅光吸收子層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系，曲線2是中間層非晶硅光吸收子層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系，曲線3是底層非晶硅光吸收子層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系，曲線4是真?zhèn)€非晶硅光吸收層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系。
具體實(shí)施例方式一種多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括從上往下包括依次層疊的透明玻璃襯底1，TCO透明導(dǎo)電膜2，P型半導(dǎo)體層3，緩沖層4，非晶硅光吸收層5，N型半導(dǎo)體層6，金屬電極7。其中所述非晶硅光吸收層5由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成(如圖4所示)。本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其中多個(gè)非晶硅光吸收子層具有相同的厚度，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度通過在非晶硅材料中摻雜予以實(shí)現(xiàn)。具體摻雜元素為Ge、C、N、Cl或F，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度可通過不同的摻雜元素予以實(shí)現(xiàn)，也可通過同一摻雜元素不同的摻雜量予以實(shí)現(xiàn)。非晶硅光吸收層中各個(gè)子層的分布-E1 (g) >E2 (g) > E3 (g) >En(g)，采取這樣分布的原因是增大了太陽(yáng)能電池對(duì)光譜的利用率，如果這樣分布E1 (g)〈E2(g) <E3(g)....〈En (g)，那么光學(xué)禁帶寬度為EJg)的子層在最頂層，由于其最小， 所以能量大于其光學(xué)禁帶寬度的光波都會(huì)使其產(chǎn)生非平衡載流子，那么最下面禁帶寬度較大的子層將會(huì)吸收較少的光。所以子層的排列從頂?shù)降椎捻樞驊?yīng)該是^(gDEdg) >E3 (g)——>En (g)。非晶硅光吸收層中各個(gè)子層的厚度應(yīng)該受到約束(1)子層太厚，會(huì)增加整個(gè)太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻，導(dǎo)致電池效率下降。(2)子層太薄，光在吸收層中不能完全吸收，不足以產(chǎn)生足夠的非平衡載流子。如圖5所示，本發(fā)明仿真了一種由三層非晶硅光吸收子層復(fù)合的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池(如圖3所示)各子電池光強(qiáng)的吸收與入射光波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。三層非晶硅光吸收子層厚度均為L(zhǎng)=140um，光學(xué)禁帶寬度分別為Eg1=L 3ev、Eg2=L 9ev、Egs=3. Oev，模擬太陽(yáng)光波長(zhǎng)范圍為200-2200nm。其中，曲線I是頂層非晶硅光吸收子層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系，曲線2是中間層非晶硅光吸收子層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系，曲線3是底層非晶硅光吸收子層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系，曲線4是真?zhèn)€非晶硅光吸收層的光強(qiáng)吸收與入射光波長(zhǎng)關(guān)系。由圖5可以看到，本發(fā)明提供的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池拓寬了電池吸收光譜的范圍，提高了對(duì)光譜的利用率，并且總的吸收強(qiáng)度得以增強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)從上往下包括依次層疊的透明玻璃襯底(1)，TC0透明導(dǎo)電膜(2)，P型半導(dǎo)體層(3)，緩沖層(4)，非晶硅光吸收層(5)，N型半導(dǎo)體層(6)，金屬電極(7);其特征在于，所述非晶硅光吸收層(5)由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述多個(gè)非晶硅光吸收子層具有相同的厚度，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度通過在非晶硅材料中摻雜予以實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其特征在于，在非晶娃材料中摻雜的摻雜元素為Ge、C、N、Cl或F。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其特征在于，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度通過不同的摻雜元素予以實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，其特征在于，多個(gè)非晶硅光吸收子層之間不同的光學(xué)帶隙寬度通過同一摻雜元素不同的摻雜量予以實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種多吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池，屬于太陽(yáng)能利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及非晶硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的吸收層縱向分布的非晶硅太陽(yáng)能電池與現(xiàn)有的單結(jié)非晶硅太陽(yáng)能電池相比具有相似的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明中非晶硅光吸收層為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)、由多個(gè)光學(xué)帶隙寬度依次減小的非晶硅光吸收子層沿縱向從上往下依次層疊而成。本發(fā)明能夠進(jìn)一步提高非晶硅太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能光譜利用率，提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低光至衰退效應(yīng)，消除N-P反向結(jié)的影響。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102856399SQ20121035162
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者劉爽, 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)人:電子科技大學(xué)