CN101262024A - 硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池 - Google Patents

硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种属于太阳能电池技术领域的硅纳米线阵列太阳能电池装置。其特征在于所述透明氧化铟锡导电薄膜层和P型硅基底层之间含有p型纳米硅线/n型非晶硅三维异质结层。所述太阳能转换装置含有依次相叠的各层为：Ti/Pd/Ag栅形电极，作为正面引出电极；透明ITO导电薄膜层，起透光作用并作为正面引出电极；n型非晶硅位于p型纳米硅线之上，与p型纳米硅线形成p－n异质结；p型纳米硅线位于P型硅基底层之上，与n型非晶硅形成三维p－n异质结。同时也作为太阳电池的减反射层；P型硅基底层，作为太阳能电池的基区；铝金属膜背电极，作为背面引出电极。本发明提供的这种具有新型结构的太阳能转换装置，光吸收能力强，光电转换效率高。

Description

硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种硅纳米线太阳能电池装置，属于太阳能技术领域。
背景技术
面对全球能源短缺危机和生态环境的不断恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能源，从而实现能源工业和社会的可持续发展。其中，太阳能以其独有的优势而成为可再生能源的焦点。假如把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率5％，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。因而太阳能被认为是能源危机和生态环境恶化的最佳解决途径。国内外专家预言到2100年太阳能有望占到全球一次能源的70％，其中太阳能发电更是占64％。
太阳能电池是通过半导体p-n结的光伏效应(photovoltaic effect)或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前商业化太阳能电池以单晶硅和非晶硅为主。当前，人们除大量应用单晶硅太阳电池外[参见专利：专利号JP5243597-A；专利号KR2002072736-A]，还研制成功了多晶硅电池[参见专利：专利号US5949123-A]、非晶硅电池[参见专利：专利号JP2002124689-A；专利号US6307146-B1]、薄膜太阳电池等各种新型的电池[参见专利：专利号JP2002198549-A]，并且还再不断地研制各种新材料、新结构的太阳电池[参见专利：专利号DE19743692-A；DE19743692-A1]。在几种薄膜电池中，非晶硅薄膜太阳电池近年来发展迅速，其主要优点是生产效率高，成本低。但是非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存在，具有光疲劳效应(Staebler-Wronski效应)，故非晶硅太阳能电池经过长期工作稳定性存在问题，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减。多晶硅薄膜电池的研究工作自1987年以来发展迅速[参见专利：专利号JP2002222975-A]，成为世界关注的新热点。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶硅少，又无效率衰减问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本预期要远低于体单晶硅电池，实验室效率也迅速提高。
在第三代低成本高转换效率的太阳能电池研发竞赛中，纳米技术作为建造更好的太阳能电池的一种新方法出现了，纳米材料应用于太阳能电池上能够极大地提高光电转换效率，有望为绿色能源的发展带来革命性的变化。1991年，瑞士洛桑高等理工学院Gratzel教授率先发明了二氧化钛纳米晶薄膜染料敏化太阳能电池[B.O’Regan，M.
Figure A20081008420600031
，A low-cost，highefficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films.Nature 1991，353，737-740.]，其光电能量转换率在AM 1.5模拟日光照射下可达7.1％，接近了多晶硅电池的转换效率。2005年美国加州大学的杨培东教授课题组首次采用一维ZnO纳米线作为太阳能电池的阳极材料，该电池的光电转换效率可达1.5％[M.Law，L.E.Greene，J.C.Johnson，et al.Nanowiredye-sensitized solar cells.Nature Materials 2005，4，455-459.]。2007年，美国圣母大学的Kamat等人将二氧化钛的纳米颗粒吸附于单壁式纳米碳管上，利用纳米碳管来引导光生电荷载子的流动，使电荷更容易到达电极成为电流，结果发现太阳能电池紫外光转换为电流的效率为仅使用二氧化钛的两倍[A.Kongkanand，R.M.Domínguez，P.V.Kamat，Single Wall CarbonNanotube Scaffolds for Photoelectrochemical Solar Cells.Capture and Transport of PhotogeneratedElectrons Nano Letter 2007，7，676-680.]。与其它半导体材料相比较，硅材料含量丰富而且廉价，同时与目前的半导体微加工工艺兼容，因此基于硅纳米结构的太阳能电池正受到越来越多的重视。
最近我们在制备大面积硅纳米线及其阵列的基础上[参见：中国专利CN1382626；中国专利申请号2005100117533；Kuiqing Peng，Mingliang Zhang，Aijiang Lu，NingBew Wong，Ruiqin Zhang，Shuit-Tong Lee.Ordered Si nanowire arrays via Nanosphere Lithography andMetal-induced etching.Applied Physics Letters 2007，90，163123]，发展了一种制备大面积有序纳米硅线的方法，这种技术不需要高温和复杂设备，可以在室温附近制备出大面积直径均一排列有序的纳米硅线及其阵列。大面积有序硅纳米线的光吸收实验表明其具有良好的减反射和光吸收性能，这主要是因为硅片表面由于纳米结构化形成的巨大的比表面积造成的。单根硅纳米线的导电性能测试表明我们制备的硅纳米线具有优异的导电性能。在此基础之上，我们设计了一种基于我们制备的硅纳米线的硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池装置。相对传统的硅太阳能电池，硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池是新一代太阳能电池的代表。
发明内容
本发明目的是设计和提供一种具有新型结构且光吸收能力强，光电转换效率高的硅纳米线太阳能转换装置。
本发明提出的硅纳米线阵列太阳能转换装置，它含有Ti/Pd/Ag栅形电极、透明氧化铟锡(ITO)导电层薄膜、n型氢化非晶硅、p型纳米硅线、p型硅基底层、铝金属膜背电极层，其特征在于：所述太阳能转换装置含有依次相叠的下述各层，
(1)Ti/Pd/Ag栅形电极，位于透明ITO导电薄膜层之上，其作用是作为正面引出电极；
(2)透明ITO导电薄膜层位于n型非晶硅/p型硅纳米线异质结层之上，作为正面引出电极；
(3)n型非晶硅位于p型纳米硅线阵列层之上，其作用是与p型纳米硅线形成p-n异质结，产生光生伏特效应；
(4)p型纳米硅线位于P型硅基底层之上，其作用是与n型非晶硅形成p-n异质结，产生光生伏特效应，同时也作为太阳能电池的减反射层；
(5)P型硅基底层，位于铝金属膜背电极之上，其作用是作为太阳电池的基区；
(6)铝金属膜背电极层，其作用是形成电池背电场：
本发明首先用我们发明的纳米硅线及其的制备方法，首先在P型硅基片表面制备出大面积的纳米硅线阵列。随后采用等离子增强型化学气相沉积技术在p型硅纳米线及其阵列表面沉积n型氢化非晶硅薄膜(α-Si:H)，形成硅纳米线/非晶硅三维径向p-n异质结。为了最大效率收集硅纳米线/非晶硅三维径向p-n异质结产生的光生载流子并引出电流，利用磁控溅射技术在硅纳米线/非晶硅三维异质结表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜。然后再用掩膜法在ITO导电薄膜上面制备Ti/Pd/Ag栅形正面欧姆接触电极。用真空蒸镀法在P型硅基底面沉积金属铝，烧结后作为背面欧姆接触电极。在两面的金属接触电极上引出外引线，便得到了一个单片的硅纳米线太阳能电池。
附图说明
图1为本发明的硅纳米线太阳电池结构示意图。
1 Ti/Pd/Ag栅形电极
2透明氧化铟锡(ITO)导电薄膜
3 n型氢化非晶硅
4 p型纳米硅线阵列
5 p型硅基底层
6铝金属膜背电极层
具体实施方式
本发明首先用我们提出的纳米硅线阵列的制备方法，首先在P型硅基片表面制备出大面积的纳米硅线阵列后，用真空蒸镀法在P型硅基底面沉积金属铝薄膜，烧结后作为背面欧姆接触电极。随后采用等离子增强型化学气相沉积技术在p型硅纳米线及其阵列表面沉积n型氢化非晶硅薄膜(α-Si:H)，形成硅纳米线/非晶硅三维径向p-n异质结，利用磁控溅射技术在硅纳米线/非晶硅三维异质结表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜。再用掩膜法在ITO导电薄膜表面沉积Ti/Pd/Ag作为正面欧姆接触电极，从而形成一个新型的硅纳米线阵列太阳能转换装置。在两面的金属接触电极上引出外引线，便得到了一个单片的硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池。

Claims (1)

1、硅纳米线/非晶硅异质结太阳能电池，它含有Ti/Pd/Ag栅形电极、透明氧化铟锡(ITO)导电层、n型非晶硅、p型纳米硅线、p型硅基底层、铝金属膜背电极层，其特征在于：所述太阳能转换装置含有依次相叠的下述各层，
(1)Ti/Pd/Ag栅形电极，位于透明ITO导电薄膜层之上，其作用作为正面引出电极；
(2)透明ITO导电薄膜层位于n型非晶硅/p型纳米硅线异质结层之上，作为正面引出电极；
(3)n型非晶硅位于p型纳米硅线之上，其作用是与p型纳米硅线形成p-n异质结，产生光生伏特效应；
(4)p型纳米硅线位于P型硅基底层之上，其作用是与n型非晶硅形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应，同时也作为太阳电池的减反射层；
(5)P型硅基底层，位于铝金属膜背电极之上，其作用是作为太阳能电池的基区；
(6)铝金属膜背电极，其作用是作为背面引出电极。
其主要特征在于透明ITO导电薄膜(2)和P型硅基底层(3)之间含有p型纳米硅线/n型非晶硅三维异质结层。
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