CN101262023B - 一种肖特基背结硅太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
一种肖特基背结太阳能电池，包括p型硅衬底(1)，在p型硅衬底(1)背光面上的低功函数的背电极(2)，以及在p型硅衬底(1)迎光面上的高功函数的前透明导电电极(3)。在p型硅衬底(1)和背电极(2)之间可加入第一种本征半导体层或绝缘层(4)；亦可在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(3)之间加入第二种本征半导体层或绝缘层(5)和/或p型掺杂半导体层(6)；在前透明导电电极(3)上还可以具有金属栅线(7)。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别涉及一种肖特基背结硅太阳能电池。
背景技术
硅太阳能电池的研究和利用是实现可再生能源的主要途径之一，晶硅电池占光伏市场总份额的90％以上，其中绝大多数电池所基于的pn结是通过高温扩散工艺制备的，消耗能量大，工艺复杂。
日本Sanyo公司开发了一种HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)异质结电池。如美国专利5213628中所述，利用掺杂非晶硅薄膜在晶硅上制作pn结，并在其间插入一层本征非晶硅层来钝化异质结界面。由于非晶硅淀积工艺可以在200℃以下完成，相比于传统电池，这种异质结电池兼有单晶硅电池稳定与薄膜硅电池廉价的优点：采用无高温扩散的低温制备过程，能耗小；材料成本低；制备工艺相对简单；特别是非晶硅所具有的对晶硅表面优越的钝化能力大大改善了电池效率。基于此，美国专利5066340公开了一种在非晶硅和晶体硅异质结之间插入微晶硅层的电池结构。中国专利申请200510098526.9公开了一种具有TCO/n型纳米晶硅/本征纳米晶硅/p型晶体硅结构的太阳能电池及其制备方法。
然而，得到性能优异的掺杂非晶硅、微晶硅或者纳米晶硅等薄膜硅材料并不容易，实现其光学和电学性能上的统一是技术上的难点，因为掺杂薄膜硅内部缺陷多，掺杂层过厚会影响光吸收效率。并且，从电池结构上来讲，HIT电池也仍然有些复杂。
肖特基结MS(金属-半导体)硅电池直接将电极制作在硅衬底上，利用肖特基接触势垒分离光生载流子，是一种机理完全不同于pn结电池的电池。为了改善MS电池性能，特别是抑制多子电流，常用的做法是在电极和衬底之间插入一层厚度很薄的宽带隙的半导体层或者绝缘层，电池从结构上变成MIS(金属-绝缘体-半导体)电池。MS和MIS电池从结构上比pn结电池简单得多，实现工艺也更加简单，却仍然能够得到与pn结电池相比拟的效率。比如，日本专利JP56088379-A公开了一种在半导体层和金属层之间插入非晶硅层的肖特基结太阳能电池。但是所采用的是肖特基结在太阳能电池迎光面上的结构。
然而，对于p型晶体硅衬底来讲，制成MS或者MIS电池，需要用到功函数低的材料作M层，这样的材料通常是金属类材料，它们的透光性很差。为了解决这个问题，目前广泛采用的办法是将金属层做成厚度只有几个到几十nm的薄层，或者将其做成栅状电极，这样做的结果都会使电池的电流收集效率下降很多。显然，如果在电池迎光面上采用透明导电电极，可以大大减少这方面所造成的光损失。但是，目前的透明导电材料通常都具有高的功函数，尽管非常适合在n型硅衬底迎光面上制作肖特基结，但却只适合在p型硅衬底上用作少子背场。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中因金属电极透光性差或透明导电电极功函数过高而造成p型硅衬底上肖特基结太阳电池性能较低的问题，提供一种基于p型硅衬底的肖特基背结硅太阳能电池。所述太阳能电池的基本特征在于将肖特基结置于p型硅衬底的背光面，这样，就可以采用功函数低的背电极作为肖特基结的金属层，而不会再有因透光性要求而产生的对金属厚度的限制，并且，这种背电极层还可以对未被电池吸收的光起到很好的背反射作用。在本发明的太阳能电池迎光面上，高功函数的常见透明导电电极又刚好可以起到少子背场的作用，从而提高电池的效率。
本发明的太阳能电池的基本结构包括：p型硅衬底，在p型硅衬底背光面上的背电极，在p型硅衬底迎光面上的前透明导电电极。其中，所述的p型硅衬底是CZ单晶硅衬底，FZ单晶硅衬底或多晶硅衬底，优选的，p型硅衬底的厚度在30-500μm的范围，电阻率在0.1-100Ω·cm的范围。所述硅衬底的表面可以是平面的，也可以是经过了如湿法腐蚀或其它工艺处理而具有了绒面结构的；所述的背电极是功函数低于4.5eV的材料；所述的前透明导电电极是功函数高于5.0eV的材料。
为了改善肖特基结的界面特性，本发明的太阳能电池在p型硅衬底和背电极之间还可以含有第一种本征半导体层或绝缘层。所述的第一种本征半导体层或绝缘层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者硅碳化物、硅氮化物、硅氧化物、硅氮氧化物等。第一种本征半导体层或绝缘层的厚度优选范围为1-50nm。
为了改善少子背场的结区界面特性，本发明的太阳能电池在p型硅衬底和前透明导电电极之间还可以含有第二种本征半导体层或绝缘层。所述的第二种本征半导体层或绝缘层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅，或者硅碳化物、硅氮化物、硅氧化物、硅氮氧化物等。的，第二种本征半导体层或绝缘层的厚度优选范围为1-30nm。在所述的第二种本征半导体层或绝缘层和前透明导电电极之间还可以进一步含有一层p型掺杂半导体层，以起到增强少子背场的作用。所述的p型掺杂半导体层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅，或者硅碳化物。的，p型掺杂半导体层的厚度优选范围为1-30nm。在本发明的一些实施方案中，还可以在所述的p型硅衬底和前透明导电电极之间只含有所述的p型掺杂半导体层。
为了增加电流的侧向收集效率和方便电连接，本发明太阳能电池在前透明导电电极上还可以具有金属栅线。栅线的形状和分布可采用传统太阳能电池中的设计。
附图说明
图1本发明所述电池的基本结构示意图，图中：1p型硅衬底，2背电极，3前透明导电电极；
图2a为本发明具体实施方式之一的结构示意图，图2b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图3a为本发明具体实施方式之二的结构示意图，图3b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图4a为本发明具体实施方式之三的结构示意图，图4b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图5a为本发明具体实施方式之四的结构示意图，图5b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图6a为本发明具体实施方式之五的结构示意图，图6b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图7a为本发明具体实施方式之六的结构示意图，图7b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图8a为本发明具体实施方式之七的结构示意图，图8b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图9a为本发明具体实施方式之八的结构示意图，图9b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基本结构包括：p型硅衬底1，在p型硅衬底1背光面上的背电极2，在p型硅衬底1迎光面上的前透明导电电极3。p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，FZ单晶硅衬底或多晶硅衬底，p型硅衬底1的厚度在30-500μm的范围，电阻率在0.1-100Ω·cm的范围，p型硅衬底1的表面是平面或具有绒面结构；背电极2是功函数低于4.5eV的材料；前透明导电电极3是功函数高于5.0eV的材料。
在本发明的太阳能电池中，在p型硅衬底1和背电极2之间可以含有第一种本征半导体层或绝缘层4；在p型硅衬底1和前透明导电电极3之间还可以含有第二种本征半导体层或绝缘层5，在第二种本征半导体层或绝缘层5和前透明导电电极3之间还可以进一步含有一层p型掺杂半导体层6；或者，还可以在p型硅衬底1和前透明导电电极3之间只含有p型掺杂半导体层6。所述的第一种本征半导体层或绝缘层4、第二种本征半导体层或绝缘层5分别选自非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者硅碳化物、硅氮化物、硅氧化物、硅氮氧化物等，第一种本征半导体层或绝缘层4的厚度在1-50nm的范围，第二种本征半导体层或绝缘层5的厚度在1-30nm的范围；所述的p型掺杂半导体层6是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者硅碳化物，p型掺杂半导体层6厚度在1-30nm的范围。
为了增加电流的侧向收集效率和方便电连接，本发明的太阳能电池在前透明导电电极3上还可以具有金属栅线7。栅线的形状和分布可采用传统太阳能电池中的设计。
实施例1
本发明具体实施方式之一的电池结构如图2a中所示，p型硅衬底1是FZ单晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面具有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是背电极2，背电极2的功函数为4.0eV；在p型硅衬底1迎光面上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图2b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝647mV，短路电流密度JSC＝33.86mA/cm2，填充因子FF＝83.19％，转换效率η＝18.22％。
实施例2
本发明具体实施方式之二的电池结构如图3a所示，p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为0.1Ω·cm，衬底表面为平面；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征半导体层或绝缘层4，第一种本征半导体层或绝缘层4是二氧化硅，厚度为1nm；在第一种本征半导体层或绝缘层4上是背电极2，背电极2的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图3b给出理论模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝752.8mV，短路电流密度JSC＝36.12mA/cm2，填充因子FF＝84.7％，转换效率η＝23.03％。
实施例3
本发明具体实施方式之三的电池结构如图4a所示，p型硅衬底1是多晶硅衬底，其厚度为30μm，电阻率为100Ω·cm，衬底表面具有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征半导体层或绝缘层4，第一种本征半导体层或绝缘层4是本征微晶硅，带隙宽度为1.35eV，厚度为25nm；在第一种本征半导体层或绝缘层4上是背电极2，背电极2的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征半导体层或绝缘层5，第二种本征半导体层或绝缘层5是本征非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为1nm；在第二种本征半导体层或绝缘层5上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图4b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝623.2mV，短路电流密度JSC＝37.99mA/cm2，填充因子FF＝81.66％，转换效率η＝19.33％。
实施例4
本发明具体实施方式之四的电池结构如图5a所示，p型硅衬底1是FZ单晶硅衬底，其厚度为500μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面为平面；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征半导体层或绝缘层4，第一种本征半导体层或绝缘层4是本征非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第一种本征半导体层或绝缘层4上是背电极2，背电极2的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征半导体层或绝缘层5，第二种本征半导体层或绝缘层5是本征非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为1nm；在第二种本征半导体层或绝缘层5上是p型掺杂半导体层6，p型掺杂半导体层6是p型掺杂纳米晶硅，带隙宽度为1.9eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为15nm；在p型掺杂半导体层6上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV；在前透明导电电极3上是金属栅线7。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图5b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝667.8mV，短路电流密度JSC＝27.61mA/cm2，填充因子FF＝83.64％，转换效率η＝15.42％。
实施例5
本发明具体实施方式之五的电池结构如图6a所示，p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面为平面；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征半导体层或绝缘层4，第一种本征半导体层或绝缘层4是本征微晶硅，带隙宽度为1.35eV，厚度为50nm；在第一种本征半导体层或绝缘层4上是背电极2，背电极2的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是p型掺杂半导体层6，p型掺杂半导体层6是p型掺杂纳米晶硅，带隙宽度为1.9eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为30nm；在p型掺杂半导体层6上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图5b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝630.8mV，短路电流密度JSC＝28.94mA/cm2，填充因子FF＝78.88％，转换效率η＝14.4％。
实施例6
本发明具体实施方式之六的电池结构如图7a所示，p型硅衬底1是单晶FZ硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面为平面；在p型硅衬底1背光面上是背电极2，背电极2的功函数为4.0eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征半导体层或绝缘层5，第二种本征半导体层或绝缘层5是本征非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第二种本征半导体层或绝缘层5上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV；在前透明导电电极3上是金属栅线7。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图7b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝646.3mV，短路电流密度JSC＝32.87mA/cm2，填充因子FF＝83.15％，转换效率η＝17.66％。
实施例7
本发明具体实施方式之七的电池结构如图8a所示，p型硅衬底1是多晶硅衬底，其厚度为250μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面具有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是背电极2，背电极2的功函数为4.0eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征半导体层或绝缘层5，第二种本征半导体层或绝缘层5是本征非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第二种本征半导体层或绝缘层5上是p型掺杂半导体层6，p型掺杂半导体层6是p型掺杂非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为1nm；在p型掺杂半导体层6上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.6eV；在前透明导电电极3上是金属栅线7。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图8b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝649.6mV，短路电流密度JSC＝35.89mA/cm2，填充因子FF＝82.98％，转换效率η＝19.35％。
实施例8
本发明具体实施方式之八的电池结构如图9a所示，p型硅衬底1是FZ单晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面具有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是背电极2，背电极2的功函数为4.0eV；在p型硅衬底1迎光面上是p型掺杂半导体层6，p型掺杂半导体层6是p型掺杂纳米晶硅，带隙宽度为1.9eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为5nm；在p型掺杂半导体层6上是前透明导电电极3，前透明导电电极3的功函数为5.2eV；在前透明导电电极3上是金属栅线7。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图9b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝646.6mV，短路电流密度JSC＝33.19mA/cm2，填充因子FF＝83.16％，转换效率η＝17.85％。
Claims (9)
1.一种肖特基背结太阳能电池，其特征在于肖特基结处于该太阳能电池的背面，所述太阳能电池的基本结构包括p型硅衬底(1)，在p型硅衬底(1)背光面上的低功函数的背电极(2)，以及在p型硅衬底(1)迎光面上的高功函数的前透明导电电极(3)；所述的p型硅衬底(1)是CZ单晶硅衬底、FZ单晶硅衬底或多晶硅衬底，表面是平面或具有绒面结构；所述的背电极(2)是功函数低于4.5eV的材料；所述的前透明导电电极(3)是功函数高于5.0eV的材料。
2.根据权利要求1所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在p型硅衬底(1)和背电极(2)之间含有第一种本征半导体层或绝缘层(4)；所述的第一种本征半导体层(4)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅；所述的第一种绝缘层(4)是硅碳化物、硅氮化物、硅氧化物或硅氮氧化物。
3.根据权利要求1所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(3)之间含有第二种本征半导体层或绝缘层(5)，所述的第二种本征半导体层(5)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅；所述的第二种绝缘层(5)是硅碳化物、硅氮化物、硅氧化物或硅氮氧化物。
4.根据权利要求1所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(3)之间含有p型掺杂半导体层(6)；所述的p型掺杂半导体层(6)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅。
5.根据权利要求2所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(3)之间含有第二种本征半导体层或绝缘层(5)；所述的第二种本征半导体层(5)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅；所述的第二种绝缘层(5)是硅碳化物、硅氮化物、硅氧化物或硅氮氧化物。
6.根据权利要求2所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(3)之间含有p型掺杂半导体层(6)；所述的p型掺杂半导体层(6)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅。
7.根据权利要求3所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在第二种本征半导体层或绝缘层(5)和前透明导电电极(3)之间含有p型掺杂半导体层(6)；所述的p型掺杂半导体层(6)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅。
8.根据权利要求5所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在第二种本征半导体层或绝缘层(5)和前透明导电电极(3)之间含有p型掺杂半导体层(6)；所述的p型掺杂半导体层(6)是非晶硅、纳米晶硅或微晶硅。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的肖特基背结太阳能电池，其特征在于在前透明导电电极(3)上含有增加电流侧向收集效率的金属栅线(7)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: CECEP SOLAR ENERGY TECHNOLOGY (ZHENJIANG) CO., LTD. Assignor: Institute of Electrical Engineering of the Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2011320000863 Denomination of invention: A Schottky back agglomeration silicon solar battery Granted publication date: 20101027 License type: Exclusive License Open date: 20080910 Record date: 20110621 |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CECEP SOLAR ENERGY TECHNOLOGY (ZHENJIANG) CO., LTD Free format text: FORMER OWNER: ELECTROTECHNICS INST., OF THE CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date: 20110913 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100080 HAIDIAN, BEIJING TO: 212132 ZHENJIANG, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110913 Address after: 212132 No. 1 Dagang Road, Zhenjiang New District, Jiangsu Patentee after: CECEP SOLAR ENERGY TECHNOLOGY (ZHENJIANG) CO., LTD. Address before: 100080 Beijing Haidian District Zhongguancun north two No. 6 Patentee before: Institute of Electrical Engineering of the Chinese Academy of Sciences |