CN101393942B - 多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，属太阳能电池技术领域。该太阳能电池由玻璃衬底或者不锈钢衬底，在该衬底上通过磁控溅射沉积的透明导电氧化物层以及通过热丝化学气相沉积方法制备的二个叠接的薄膜子太阳能电池构成，其中一个子电池由p型碳化硅层/n型碳化硅层构成，另一个子电池由p型多晶硅层/n型多晶硅层构成。本发明的特点是由两种不同禁带宽度的硅基材料叠接组成，提高了对太阳光谱的利用率和光电转换效率。采用廉价衬底和低成本薄膜生长源材料，降低了太阳能电池的成本，使之具有与晶体硅太阳能电池的竞争优势。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池，具体是指一种由多晶硅和碳化硅二个子电池叠接构成的可吸收宽波段太阳能的叠层薄膜太阳能电池。
背景技术
太阳能是大自然赐予人类最清洁，最丰富的能源资源。目前商用的多晶硅太阳能电池转换效率多在15％左右，由于硅原材料涨价的影响，多晶硅太阳能电池成本的55％以上花费在硅材料衬底上。从商业产品的角度考虑，人们已经在大力开发低成本、高效率、大面积的硅薄膜太阳能电池。由于硅材料的禁带宽度为1.12eV，其构成的p-n结仅对略高于该能量的太阳光子有较强的吸收作用，由硅薄膜制成的单结太阳能电池的转换效率一般都低于10％。为了进一步提高薄膜太阳能电池的转换效率，叠层硅基薄膜太阳能电池引起了人们极大的重视。叠层太阳能电池的中心思想就是用不同禁带宽度的半导体薄膜材料分别吸收太阳能光谱中不同波长的光子能量，进而提高整个太阳能电池的转换效率。
立方碳化硅(3C-SiC)是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度约为在2.2eV，具有热导率高，抗氧化性能好，对环境友好，且原材料丰富等优点。用它制成的太阳能电池可以吸收太阳光中近紫外光部分的光子能量。2006年，日本的Shuichi Nonomura曾综述过用热丝化学气相沉积方法制备碳立方化硅/非晶硅薄膜单结太阳能电池，获得的太阳能电池转换效率为7.58％(Thin Solid Films，2006，501：164)。在叠层薄膜太阳能电池方面，2008年荷兰的R.E.I.Schropp报导了用热丝化学气相沉积方法制备微晶硅/微晶锗硅/掺氢微晶硅三叠层薄膜太阳能电池，转换效率达到10.9％(Thin Solid Films，2008，516：6818)。
发明内容
本发明的目是提出一种在廉价的玻璃或者不锈钢衬底上制备的有高光电转化效率的多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，以获得有市场竞争力的高性价比的硅基薄膜太阳能电池产品。
一种多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：依次由玻璃衬底、在玻璃衬底上沉积的透明导电薄膜下电极，在透明导电薄膜下电极上通过热丝化学气相沉积生长的叠接在一起的下子电池和上子电池、上电极，以及在上电极和上子电池之间的一层Ag金属反射层组成；其中透明导电薄膜下电极是是氧化铟锡，或者铝掺杂氧化锌或者氧化锡；其中下子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型碳化硅层/p型碳化硅层构成；其中上子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型多晶硅层/p型多晶硅层构成；其中上电极为Al金属层；其p型碳化硅层的厚度为150nm-1500nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型碳化硅层的厚度为：15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3。其p型多晶硅层的厚度为100-2000nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型多晶硅层的厚度为15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3。
上述多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其透明导电薄膜下电极的可见光透过率大于85％，电阻率小于5×10-3Ω·cm。
一种多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：依次由不锈钢衬底、Ag金属反射层、透明导电过渡层、在过渡层上通过热丝化学气相沉积生长的叠接在一起的下子电池和上子电池、以及透明导电上电极组成；其中透明导电过渡层和透明导电上电极是氧化铟锡，铝掺杂氧化锌或者氧化锡；其中下子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型多晶硅层/p型多晶硅层构成；其中上子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型碳化硅层/p型碳化硅层构成；其p型多晶硅层的厚度为100-2000nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型多晶硅层的厚度为15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3。其p型碳化硅层的厚度为150nm-1500nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型碳化硅层的厚度为：15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3。
上述多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其透明导电薄膜上电极的可见光透过率大于85％，电阻率小于5×10-3Ω·cm。
所说的碳化硅层由硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)混合气体在热丝化学气相沉积系统中获得，p型掺杂由加入乙硼烷(B2H6)气体实现，n型掺杂由加入磷烷(PH3)气体实现。多晶硅层由硅烷(SiH4)气体在热丝化学气相沉积系统中获得，p型掺杂由加入乙硼烷(B2H6)气体实现，n型掺杂由加入磷烷(PH3)气体实现。
所说的叠层薄膜太阳能电池的电极为A1金属层或者透明导电薄膜层，它们均由磁控溅射法沉积得到。
本发明的叠层薄膜电池采用标准的一维器件模型进行计算。器件的输运物理性质是通过三组方程获得：泊松方程、自由载流子的电流密度方程、自由载流子的连续性方程。泊松方程是连接自由载流子空间分布、被俘获的电荷的空间分布和电离掺杂物的空间分布与物质系统中电场空间分布的纽带。泊松方程最终与自由载流子n和p有关。电流密度方程将器件宏观参数电流密度与微观载流子浓度的分布，器件中电池强度分布等参数联系到了一起。描述导带中电子与价带中空穴的的方程为连续方程。连续方程将器件中空穴、电子的产生复合过程与流过器件中的电流连续在一起。材料的光吸收系数采用直接带隙模型进行拟合，光学过程采用多层介质模型进行拟合。通过求解满足一定边界条件的泊松方程、自由载流子的电流密度方程和自由载流子的连续性方程求出叠层薄膜电池的电流密度与材料的掺杂浓度，薄膜厚度等参数的关系。考虑叠层薄膜电池上下子电池之间的电流匹配，通过计算机软件计算得到叠层薄膜电池的I-V曲线，进而得到叠层薄膜电池的转换效率、填充因子、开路电压、短路电流参数。根据这些参数的比较得到每层薄膜的最优掺杂浓度和厚度。
计算中所用的标准太阳光谱为AM1.5(IEC904-3)。模拟计算中所用的参数如表一所示。
器件结构模拟举例：
对于单结碳化硅太阳能电池的n+-p结构，假定n+层掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为50nm，p层掺杂浓度为1×1017cm-3，通过计算机软件模拟优化，在p层厚度为178nm时，得到最优效率为9.29％，此时短路电流密度为8.03mA/cm2，开路电压为1.34V，填充因子为0.861。
如果在单结碳化硅电池的下面(太阳光先通过禁带较宽的碳化硅电池)增加一个禁带宽度较窄的多晶硅子电池构成所说的叠层薄膜太阳能电池。只考虑各层材料的吸收，不考虑界面的反射，同时考虑上下子电池之间的电流匹配，经过优化叠层电池结构，得到当下电池的n+多晶层掺杂浓度为1019cm-3，厚度为50nm，p多晶层掺杂浓度为1017cm-3，厚度为141nm时，得到的最高转换效率为15.74％，此时短路电流密度为8.03mA/cm2，开路电压为2.12V，填充因子为0.926，所需碳化硅上子电池加上多晶硅下子电池的总厚度远小于1.0μm。计算得到太阳光通过上子电池和下子电池吸收后光通量随波长的关系如图3所示。
可以看出，本发明的叠层薄膜电池在保证电池性能的基础上大大节省了材料和简化了结构。本发明提出的叠层电池的结构是合理的，可行的。
机理和技术特点：
本发明的叠层硅基薄膜太阳能电池与现有的太阳能晶体硅太阳能电池相比，具有以下优点：
1.由不同禁带宽度的材料叠加而成，提高了对太阳能光谱的利用率和光电转化效率。相比于单结SiC太阳能电池(转化效率9.29％，填充因子为0.861)，本发明的叠层薄膜电池的转化效率、填充因子都得到了很大的提高(转化效率为15.74％，填充因子为0.926)。
2.整个叠层电池都是Si基材料，SiC、多晶硅都是无污染，绿色环保材料，原材料来源丰富。
3.将工艺非常成熟的多晶硅薄膜材料用于叠层薄膜太阳能电池中，并且所需的多晶硅薄膜(厚度<1um)的厚度非常薄(多晶硅单结太阳能电池厚度>100um)，大大节省了原材料。
表一 模拟过程中所用到的参数
| 材料参数 | N型SiC | P型SiC | N型多晶硅 | P型多晶硅 |
| 禁带宽度(eV) | 2.26 | 2.26 | 1.12 | 1.12 |
| 相对介电常数 | 9.72 | 9.72 | 11.90 | 11.90 |
| 电子迁移率(cm<sup>2</sup>/V·sec) | 380 | 380 | 1350 | 1350 |
| 空穴迁移率(cm<sup>2</sup>/V·sec) | 20 | 20 | 500 | 500 |
| 电子寿命(μs) | 1 | 1 | 100 | 100 |
| 空穴寿命(μs) | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 本征载流子浓度(cm<sup>-3</sup>) | 1×10<sup>5</sup> | 1×10<sup>5</sup> | 1×10<sup>10</sup> | 1×10<sup>10</sup> |
[0024] 表二 不同载流子浓度和薄层厚度时的模拟计算结果
附图说明
图1是本发明中透明衬底上叠层薄膜太阳能结构剖面示意图。图中标号名称：1.玻璃材料；2.透明导电层-下电极；3.p型碳化硅层；4.n型碳化硅层；5.p型多晶硅层；6.n型多晶硅层；7.Ag反射层；8.Al上电极。图中箭头为入射太阳光。
图2是明中不锈钢衬底上叠层薄膜太阳能结构剖面示意图。。
图中标号名称：9.不锈钢材料；10.Ag反射层；11.透明导电层过渡层；12.p型多晶硅层；13.n型多晶硅层；14.p型碳化硅层；15.n型碳化硅层；16.透明导电层-上电极。图中箭头为入射太阳光。
图3是标准太阳光通过本发明的二个子电池吸收后的光通量与光波长的关系曲线图。
具体实施方式：
第一实施例：玻璃衬底上叠层薄膜太阳能电池的制备
采用普通玻璃片为衬底，经过标准RCA工艺清洗后，放入磁控溅射室中，本底真空优于5×10-5Pa，沉积时真空为0.5Pa，用纯度为99.99％的ITO靶溅射生长600nm厚度的ITO薄膜，溅射时衬底温度为300℃，生长的ITO透明导电薄膜的可见光透过率为86％，电阻率约2×10-3Ω·cm。
随后，将样品装入热丝化学气相沉积系统中，通入硅烷、甲烷、磷烷和氢气的混合气体，其中硅烷与甲烷的比例为1:1，磷烷与硅烷的比例为1％，衬底温度为400℃，生长厚度为50nm的n型碳化硅；再通入硅烷、甲烷、乙硼烷和氢气的混合气体，其中硅烷与甲烷的比例为1:1，乙硼烷与硅烷的比例为0.05％，衬底温度为400℃，生长厚度为180nm的p型碳化硅。之后通入硅烷、磷烷和氢气的混合气体，其中磷烷与硅烷的比例为1％，衬底温度为400℃，生长厚度为50nm的n型多晶硅；再通入硅烷、乙硼烷和氢气的混合气体，其中乙硼烷与硅烷的比例为0.05％，衬底温度为400℃，生长厚度为140nm的p型多晶硅。
其后，将样品装入磁控溅射系统中，以纯度为99.99％的Ag靶溅射生长一层400nm的Ag反射层，以纯度为99.99％的Al靶溅射生长一层1000nm的Al上电极层，衬底温度均为室温。
第二实施例：不锈钢衬底上叠层薄膜太阳能电池的制备
采用不锈钢薄片为衬底，经过标准RCA工艺清洗后，放入磁控溅射室中，本底真空优于5×10-5Pa，沉积时真空为0.5Pa，先用纯度为99.99％的Ag靶溅射生长一层400nm的Ag反射层，衬底温度为室温；再用纯度为99.99％的AZO靶生长一层600nm厚度的AZO薄膜，生长时衬底温度为450℃，生长的AZO透明导电薄膜的可见光透过率为89％，电阻率约4×10-3Ω·cm。
随后，将样品装入热丝化学气相沉积系统中，通入硅烷、乙硼烷和氢气的混合气体，其中乙硼烷与硅烷的比例为0.05％，衬底温度为600℃，生长厚度为140nm的p型多晶硅；再通入硅烷、磷烷和氢气的混合气体，其中磷烷与硅烷的比例为1％，衬底温度为600℃，生长厚度为50nm的n型多晶硅。之后通入硅烷、甲烷、乙硼烷和氢气的混合气体，其中硅烷与甲烷的比例为1:1，乙硼烷与硅烷的比例为0.05％，衬底温度为600℃，生长厚度为180nm的p型碳化硅；再通入硅烷、甲烷、磷烷和氢气的混合气体，其中硅烷与甲烷的比例为1:1，磷烷与硅烷的比例为1％，衬底温度为600℃，生长厚度为50nm的n型碳化硅。
其后，将样品装入磁控溅射系统中，用纯度为99.99％的AZO靶生长一层1000nm厚度的AZO薄膜作为上电极，生长时衬底温度为450℃，生长的AZO透明导电薄膜的可见光透过率为89％，电阻率约4×10-3Ω·cm。
Claims (4)
1.一种多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：
依次由玻璃衬底、在玻璃衬底上沉积的透明导电薄膜下电极，在透明导电薄膜下电极上通过热丝化学气相沉积生长的叠接在一起的下子电池和上子电池、上电极，以及在上电极和上子电池之间的一层Ag金属反射层组成；
其中透明导电薄膜下电极是氧化铟锡，或者铝掺杂氧化锌或者氧化锡；
其中下子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型碳化硅层/p型碳化硅层构成；
其中上子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型多晶硅层/p型多晶硅层构成；
其中上电极为Al金属层；
上述p型碳化硅层的厚度为150nm-1500nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型碳化硅层的厚度为15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3；
上述p型多晶硅层的厚度为100-2000nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型多晶硅层的厚度为15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3。
2.根据权利要求1所述的多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池， 其特征在于：透明导电薄膜下电极的可见光透过率大于85％，电阻率小于5×10-3Ω·cm。
3.一种多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：
依次由不锈钢衬底、Ag金属反射层、透明导电过渡层、在过渡层上通过热丝化学气相沉积生长的叠接在一起的下子电池和上子电池、以及透明导电上电极组成；
其中透明导电过渡层和透明导电上电极是氧化铟锡，铝掺杂氧化锌或者氧化锡；
其中下子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型多晶硅层/p型多晶硅层构成；
其中上子电池由热丝化学气相沉积法生长的n型碳化硅层/p型碳化硅层构成；
上述p型多晶硅层的厚度为100-2000nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型多晶硅层的厚度为15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3；
上述p型碳化硅层的厚度为：150nm-1500nm，载流子浓度为：1×1016cm-3至5×1017cm-3；n型碳化硅层的厚度为：15-200nm，载流子浓度为：1×1018cm-3至5×1019cm-3。
4.根据权利要求3所述的多晶硅-碳化硅叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：透明导电上电极的可见光透过率大于85％，电阻率小于5×10-3Ω·cm。
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