CN101055899A - 多孔硅层结构的晶体硅太阳电池 - Google Patents

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李涛勇
刘琼
张铃菊
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Abstract

本发明涉及太阳电池，为解决晶体硅太阳电池的结构问题，本发明公开了多孔硅层结构的晶体硅太阳电池，其结构顺序包括N型硅层、P型硅层、背面电极、在N型硅层和P型硅层交界处形成具有光伏效应的PN结，其特点是在靠近受光面一侧的硅材料表面上设有一层纳米多孔硅层，该纳米多孔硅层表面上有透明导电膜结构。本发明对现有的结构作了改进，增加了一层纳米多孔硅层，从而提高了太阳电池光电转换效率。由于纳米多孔硅层的准孔径和准孔壁的尺寸在2纳米到300纳米之间，且纳米多孔硅层厚度较薄，用较薄的晶体硅层可以达到与较厚晶体硅层相同的光量子的产额。节省了贵重的半导体硅材料，使成本降低。

Description

多孔硅层结构的晶体硅太阳电池
技术领域
本发明涉及太阳电池，特别属于一种带有纳米晶体结构的晶体硅太阳电池，其纳米晶体是由多孔硅结构形成的。
背景技术
现有的晶体硅太阳电池的结构，由受光面电极、减反射膜、N型硅及表面织构结构、P型硅、N型硅和P型硅交界处形成具有光伏效应的PN结、背面电极所组成。这种晶体硅太阳电池的结构存在着以下几个问题：一是电池的表面织构结构是周期性或非周期性的突起或凹陷的结构，这些微结构的典型尺寸是微米数量级，以减少入射光的反射为目的，不具有量子尺寸效应；二是形成电池PN结的P型硅材料和N型硅材料都是体状晶体硅，具有相同的禁带宽度。因为太阳电池能够吸收大于禁带宽度的光量子的能量，但只将相当于禁带宽度的能量转换为电能，光量子大于禁带宽度的能量只能转换成热能，电池光电转换效率较差；三是半导体硅属于间接带隙材料，电子由阶带顶向导带底跃迁的过程中伴随着动量的改变，因此，体状晶体硅材料的光吸收系数较低。为吸收入射的大部分能量合适的光量子，一般需要100微米以上的晶体厚度，这不但要浪费较多贵重的半导体硅材料，而且远离PN结处入射光激发产生的载流子在向PN结扩散和漂移过程中增加了复合的几率，使之不能转化为电能输出。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，为解决现有晶体硅太阳电池的结构问题，本发明提供多孔硅层结构的晶体硅太阳电池，它能够改善电池的光电转换效率，能够在较薄晶体硅层厚度的情况下产生较高的光量子产额。
本发明是通过以下的技术方案实现的，其结构顺序包括N型硅层、P型硅层、背面电极、在N型硅层和P型硅层交界处形成具有光伏效应的PN结，其中N型硅层和P型硅层的顺序可以相互交换排列，其结构要点是在靠近受光面一侧的硅材料表面上设有一层纳米多孔硅层，该纳米多孔硅层表面上有透明导电膜结构。
本发明有如下优点：
首先，采用增加一层纳米多孔硅层结构，由具有不同禁带宽度的纳米多孔硅层和晶体硅层吸收具有不同能量等级的光量子(即不同波长的光波)，使得在相同量子吸收率的情况下可以得到较高的输出电压，有助于提高光电转换效率；
其次，由于纳米多孔硅的孔和孔壁的尺寸均在纳米数量级，量子尺寸效应将导致电子的跃迁不再受动量的限制，因此纳米多孔硅层具有较强的光吸收系数，即在相同量子产额的情况下只需要较薄的半导体硅的厚度，因此，可以发展一种薄膜工艺，减少硅材料的用量，降低生产成本；
第三，当纳米多孔硅结构的晶粒尺寸与载流子散射长度相当或更小时，载流子在晶粒内的散射机率将会降低，这意味着载流子将有更长的寿命值和扩散长度，有利于提高电池的光电转换效率。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的电池结构示意图。
图2是图1电池的能带结构图。
附图中，1为透明导电膜，2为纳米多孔硅层，3为N型硅层，4为PN结，5为P型硅衬底，6为背电极，7为晶体硅的禁带宽度Eg1，8为纳米多孔硅层的禁带宽度Eg2。
具体实施方式
为了说明本发明的可实施性，结合附图1列举一个可实施的方案：
a.使用P型硅衬底5，按照现有技术，在接受光照的一面通过扩散5价元素制备一个典型的N+P结4(如果使用N型硅衬底，则必须扩散3价元素制备P+N结。除硅片以外，在其他合适的硅衬底材料上，如通过外延工艺得到的硅衬底、化学淀积得到的硅衬底上都可以制得N+P结或P+N)，得N型硅层3。
b.在电池的非受光面，通过制备与该面半导体硅导电类型相同的电导率更高的薄层形成背反射场，在此基础上制备背电极6。
c.与现有结构不同的是，在受光面一侧的N型硅层3上用化学腐蚀或电化学腐蚀的方法，即使N型硅层3与含有氢氟酸的溶液相接触，在合适的光照、温度和电流密度条件下生长一层纳米多孔硅层2。所谓纳米多孔硅是指这样一些蜂窝状孔，孔的生长方向与电池的受光面垂直，其准孔径和准孔壁尺度在2纳米到300纳米之间，纳米多孔硅层2的厚度，即孔的深度不超过N型硅层3的厚度。
d.为了减轻纳米多孔硅表面悬挂键和缺陷引入的表面态的影响，采用适当的技术手段钝化纳米多孔硅表面，例如采用卤族元素或氢元素或采用几个纳米厚度的氧化硅钝化纳米多孔硅表面。
e.在纳米多孔硅层2表面制备透明导电膜1，使透明导电膜1填充电池受光面纳米多孔硅层2的孔隙。典型的工艺可以是等离子增强化学气相淀积(PECVD)。
f.经适当烧结，使透明导电膜1与纳米多孔硅层2形成良好的欧姆接触。
g.透明导电膜1可以作为电池的输出电极，也可在其上另行制备电极。
如图2所示，图1的太阳电池结构具有图2所示的能带图，图中Eg1为体状晶体硅的禁带宽度7，Eg2为纳米多孔硅层的禁带宽度8，纳米多孔硅层2，N型硅层3，PN结4，P型硅衬底5。由于纳米多孔硅层结构的准孔径和准孔壁尺寸范围为2纳米-300纳米，纳米多孔硅的孔和孔壁的尺寸均在纳米数量级，量子尺寸效应将导致电子的跃迁不再受动量的限制，因此纳米多孔硅层具有较强的光吸收系数，即在相同量子产额的情况下只需要较薄的半导体硅的厚度；由于纳米多孔硅层和晶体硅层具有不同禁带宽度，可以吸收具有不同能量等级的光量子(即不同波长的光波)，使得在相同量子吸收率的情况下可以得到较高的输出电压，有助于提高光电转换效率；由于纳米多孔硅结构的尺寸与光生载流子散射长度相当或更小，载流子在纳米多孔硅层的散射机率降低，将有更长的寿命值和扩散长度，有利于提高电池的光电转换效率。

Claims (2)

1.多孔硅层结构的晶体硅太阳电池，其结构顺序包括N型硅层、P型硅层、背面电极、在N型硅层和P型硅层交界处形成具有光伏效应的PN结，其中N型硅层和P型硅层的顺序可以相互交换排列，其特征在于在靠近受光面一侧的硅材料表面上设有一层纳米多孔硅层，该纳米多孔硅层表面上有透明导电膜结构。
2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于纳米多孔硅层的准孔径和准孔壁的尺度范围为2纳米-300纳米。
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