CN101697359A - 一种太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池，用于实现较低的光致衰退率。所述太阳能电池包括：a-SiA:H/μc-Si:H双结叠层电池单元(其中A代表Ge、C、O等元素)；其中，顶电池单元的I层减薄并采用能带渐变设计，使得顶电池的光谱响应向长波扩展而底电池的光谱响应向短波扩展，从而可以使顶电池与底电池的厚度大大减小，降低了光致衰退率和成本。

Description

一种太阳能电池
技术领域
本发明涉及电池领域，特别是涉及太阳能电池。
背景技术
硅基薄膜电池具有可大面积制备、发电量高、造价低廉等特点。但由于SW(两个人名的缩写)效应的存在，使得这一类电池的发展受到很大的影响。
为了解决该问题，现有技术采用了多种方案。第一种方案：在双结叠层电池中增加反射层。即在a-Si:H/μc-Si:H双结叠层电池结构的顶电池和底电池之间增加一层反射层。目前的反射层材料包括金属氧化物(如氧化铟锡ITO和氧化硅等)，这种方法虽然可以减薄I层，但这一方案的缺点是这一中间反射层材料的制备比较困难，并且与现有的硅基薄膜电池的制备工艺相容性不好，光致衰退率仍然较高。另外，在a-Si:H/μc-Si:H双结叠层电池结构中，a-Si:H顶电池的厚度仍然较厚(300nm以上)，μc-Si:H底电池一般需要2μm的厚度，加之μc-Si:H材料的沉积速率较慢，需要的沉积时间很长。
第二种方案是采用三结叠层设计方案。目前的三结结构电池是a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结叠层电池，每一个子电池的厚度均可以大幅减小。但Ge掺杂会使材料的性能变坏，所以为了提高器件性能，有人提出中间电池和底电池的I层带隙渐变的设计。I层渐变的目的是改善空穴的收集。但对于电池制造来说，叠层数目越多，技术和工艺复杂性越高。
综上，现有技术不仅由于电池的结构问题使得工艺复杂，而且电池的光致衰退率仍然较高。
发明内容
本发明实施例提供一种太阳能电池，用于实现较低的光致衰退率。
一种太阳能电池，包括：用于光电转换的a-Si:H/μc-Si:H双结叠层电池单元；双结叠层电池单元包括材料为a-Si:H的顶电池单元和材料为μc-Si:H的底电池单元；顶电池单元包括I层；
其中，I层中的带隙从I层的顶层开始逐渐变小再逐渐变大。
通过在顶电池单元的I层中增加锗和调整锗的浓度梯度实现带隙逐渐变小然后再逐渐变大；或者
通过在顶电池单元的I层中将非晶硅逐渐变化到微晶硅、然后再由微晶硅逐渐过渡到非晶硅来实现带隙逐渐变小然后再逐渐变大。
也可以通过在顶电池单元的I层中增加氧和/或碳的浓度来实现带隙逐渐变大。
所述带隙的最小值的范围是1.4～1.7eV，最大带隙的范围是1.75～2.2eV。
所述I层包括第一区、第二区和第三区；其中，第一区的带隙逐渐变小，第二区的带隙逐渐变大，第三区的带隙恒定。
第一区的厚度小于第二区的厚度。
第一区的厚度在5-20纳米之间，第二区的厚度在50-150纳米之间，第三区的厚度在50-150纳米之间；总厚度在150-250纳米之间。
太阳能电池还包括基底、TCO层和背反射/电极层。
本发明实施例通过I1层的带隙渐变，使I1层对光吸收向长波方向扩展，同时有利于空穴向P1层运动，收集效率提高，抗光生缺陷态造成的复合能力也得到了增强。由于I1层的光吸收向长波方向扩展，所以在其厚度大大减小的情况下仍然可以保持其电流密度不降低，从而大幅度降低了光致衰退率。并且，由于顶电池单元对于短光波的吸收不完全，使底电池单元增加了对短光波的吸收，从而可以适当减薄底电池的厚度，进而降低电池成本。本发明实施例中的太阳能电池不仅稳定性好，光致衰退率低，而且通过现有的工艺可比较容易的制造出来，生产工艺比较简单。
附图说明
图1为本发明实施例中太阳能电池的结构图；
图2为本发明实施例中顶电池单元的结构图。
具体实施方式
本发明实施例在双结叠层电池的顶电池单元的I层中实现带隙的渐变，通过减小带隙来降低I层的厚度，从而降低光致衰退率，提高电池的稳定性。
参见图1，本实施例中的太阳能电池包括两个电池单元，顶电池单元和底电池单元。顶电池单元包括材料a-Si:H，还可以包括合金a-SiA:H(A代表Ge、C、O等元素)，底电池单元包括材料μc-Si:H。顶电池单元包括P1层、I1层和N1层。底电池单元包括P2层、I2层和N2层。太阳能电池还包括透明导电膜(TCO)、背反射电极(Back reflection/contact)和基底(Substrate)。
其中I1层是带隙渐变层。本实施例由于带隙减小，使得I层厚度可以减薄。由于顶电池单元的长波吸收造成的底电池单元的吸收不足则由顶电池对短波光的部分透射来补偿。这与现有的叠层电池长波/短波光辐射各由底电池单元/顶电池单元分工负责的设计方案不同，本实施例中顶电池单元与底电池单元吸收的波长范围的重叠区域更大。同时，由于μc-Si:H层的吸收向短波方向扩展，所以其厚度也可以适当减薄，大大减小了其沉积时间，降低了成本。并且，渐变带隙增加了顶电池的内建电场，利于空穴的收集，更进一步降低了顶电池的光致衰退率。
参见图2，本实施例中I1层包括第一区(I)、第二区(II)和第三区(III)。第一区的带隙从顶层一侧(靠近P1层的一侧)开始逐渐变小，第二区的带隙逐渐变大，第三区的带隙恒定。带隙的最小值(Emin)的取值范围为1.4～1.7eV，最大带隙的范围是1.75～2.2eV。较佳的第一区的厚度小于第二区的厚度。第一区的厚度t1在5-20纳米之间，第二区的厚度t2在50-150纳米之间，第三区的厚度t3在50-150纳米之间。每层的厚度要根据Emin的取值适当调整，总厚度t1+t2+t3约为150-250纳米。图2中e示出了电子的运动方向，h示出了空穴的运动方向，图中左侧箭头表示光的入射方向。
本实施例中带隙渐变有多种实现方式，如第一种方式，在I1层中掺入锗Ge，使顶电池单元的材料变为a-SiGe:H。Ge的浓度越大，带隙越小。在第一区与第二区的交界处，Ge的浓度达到最大值。以及，可以在I1层中掺入氧O和/或碳C，使带隙变大，氧O和/或碳C的浓度越大，带隙越大。如第二种方式，在I1层中将非晶硅逐步转化为微晶硅，即从纯的非晶硅到非晶硅和微晶硅的混合物再到纯的微晶硅，然后再由微晶硅逐步转化为非晶硅，微晶硅的含量越大，带隙越小。
本发明实施例通过I1层的带隙渐变，使I1层对光吸收向长波方向扩展，同时有利于空穴向P1层运动，收集效率提高，抗光生缺陷态造成的复合能力也得到了增强。由于I1层的光吸收向长波方向扩展，使其厚度大大减小，从而大幅度降低了光致衰退率。并且，由于顶电池单元对于短光波的吸收不完全，使底电池单元增加了对短光波的吸收，从而可以适当减薄底电池的厚度，进而降低了制备时间和成本。本发明实施例中的太阳能电池不仅稳定性好，光致衰退率低，而且通过现有的工艺可比较容易的制造出来，生产工艺比较简单。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池，包括：用于光电转换的a-Si:H/μc-Si:H双结叠层电池单元；双结叠层电池单元包括材料为a-Si:H的顶电池单元和材料为μc-Si:H的底电池单元；顶电池单元包括I层；其特征在于：
所述I层中的带隙从I层的顶层开始逐渐变小再逐渐变大。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，通过在顶电池单元的I层中改变锗的浓度，实现带隙逐渐变小然后再逐渐变大。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，通过在顶电池单元的I层中将非晶硅逐渐变化到微晶硅、然后再由微晶硅逐渐过渡到非晶硅来实现带隙逐渐变小然后再逐渐变大。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，通过在顶电池单元的I层中增加氧和/或碳的浓度来实现带隙逐渐变大。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述带隙的最小值的范围是1.4～1.7eV。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述带隙的最大值范围是1.75～2.2eV。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，按照从顶层到底层的顺序，所述I层包括第一区、第二区和第三区；其中，第一区的带隙逐渐变小，第二区的带隙逐渐变大，第三区的带隙恒定。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，第一区的厚度小于第二区的厚度。
9.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，第一区的厚度在5-20纳米之间，第二区的厚度在50-150纳米之间，第三区的厚度在50-150纳米之间；总厚度在150-250纳米之间。
10.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括基底、TCO层和背反射/电极层。
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