CN101826566A - 外加电场型光伏电池 - Google Patents

Abstract

外加电场型光伏电池，是指单晶硅光伏电池或多晶硅光伏电池或非晶硅光伏电池，光伏电池的光辐射面与背面分别设有表面电极和背面电极，特征是光伏电池光辐射面上面设有透明导电膜，透明导电膜通过绝缘层与光伏电池的光辐射面电隔离；光伏电池的背面电极下面设有复合导电膜，复合导电膜通过绝缘层与背面电极电隔离，在透明导电膜与复合导电膜之间设有外加电压；方向是衬底的背面电极或复合导电膜构成为外加电场的正电极；透明导电膜构成为外加电场的负电极。n型半导体衬底的背面电极或复合导电膜构成为外加电场的负电极；透明导电膜构成为外加电场的正电极。本发明形成提高电池内自建电场E_np电场，提高光伏电池的开路电压与最大输出功率及转换效率。

Description

外加电场型光伏电池

技术领域

本发明涉及一种外加电场型的光伏电池，尤其是通过外部电源为光伏电池提供一个调控电池内电场，该电场可以增强pn结区载流子扩散自建电场，以及非晶光伏电池p-i-n内电场。提高光伏电池的最大输出功率P_max，形成转换效率较高的多晶体与非晶光伏电池。

背景技术

当前单晶硅、多晶硅与非晶硅光伏电池的基本结构，都是采用p型半导体、n型半导体所组成具有pn结特征，以及非晶p-i-n特征的光伏电池，参看附图1所示。

单晶或多晶硅光伏电池是由：表面电极1.1、pn结1.2、背面电极1.3、p型半导体1.4、n型半导体1.5所组成。

非晶硅光伏电池是由：透明导电膜1.1-1、背面电极1.2-1、p-i-n结构层1.3-1、透明玻璃1.4-1所组成。

图中E_np是单晶或多晶硅光伏电池内pn结与非晶硅光伏电池p-i-n结构自建电场，I_p是光伏电池输出电流，I_D是单晶或多晶硅光伏电池pn结正向电流。

n型半导体是在本征半导体材料中，掺入杂质使自由电子浓度大大增加，称为n型(电子型)半导体。p型半导体在本征半导体中，掺入杂质使空穴浓度大大增加，称为p型(空穴型)半导体。

单晶或多晶硅光伏电池的n型半导体与p型半导体直接接触或通过导体接触，并在接触面形成pn结，并在耗尽区载流子扩散形成自建电场E_np。非晶光伏电池的p型半导体膜层与n型半导体膜层之间加有i本征半导体，形成p-i-n结构，并在p-n膜层之间内自建电场E_np，E_np电场方向从n区指向p区。

当入射光子进入单晶或多晶硅光伏电池pn结耗尽区或非晶光伏电池的i本征半导体区，并光子能量大于pn结耗尽区或i本征半导体区能隙时，光子能量会被吸收，产生高势能的电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到自建电场E_np的影响而产生光电流I。

光伏电池的基本结构中，pn结区载流子扩散自建电场与p-i-n结构自建电场E_np的大小与稳定，是光伏电池发电效率的重要参数。

单晶或多晶硅光伏电池内pn结区自建电场E_np大小，首先是由本征半导体材料的纯度决定的。如：单晶硅光伏电池比多晶硅光伏电池内pn结区自建电场E_np强度要大，并且场强较为稳定，所以转换效率高。但单晶硅的制造成本是多晶硅制造成本的几十倍，而多晶硅价格又是冶炼级硅的几十倍。若能以冶炼级硅来制备光伏电池，就能大大降低成本。可是，冶炼级硅的杂质含量太高，直接影响光伏电池内pn结区自建电场E_np的建立与提高，造成光伏电池的转换效率较低。若能设法将冶炼级硅用简单的化学或物理方法，提高光伏电池内pn结区自建电场E_np，并能满足光伏电池的要求，这种硅就叫太阳能电池级硅，又叫SOG-Si。

多晶材料的光伏电池内自建电场E_np，是电池本身半导体材料及电池结构的特征参数。所以，影响多晶材料光伏电池自建电场E_np，主要有以下三个主要方面影响：

1、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过。

2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合正负载流子对中心作用。

3、在形成pn结的工艺过程中，掺杂的原子会沿着晶粒间界向下择优扩散，形成导电分流路径，增大漏电流。

而(a-Si:H)非晶光伏电池是p-i-n结构，而不是单晶硅太阳能电池的pn结构。非晶太阳能电池内光生载流子主要产生于未掺杂的i本征吸收层，与晶态硅太阳能电池中载流子主要由pn结扩散区移动不同，在非晶太阳能电池中，光生载流子主要依靠电池内n层-p层之间电场E_np作用做漂移运动，使光生载流子产生后立即被吸引到n侧和p侧。但是非晶硅p区与n区膜材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷态密度，它们提供了电子和空穴复合的场所。另外由于非晶硅电池在经过长时间光照后，其光电导和暗电导都显著减小，这一现象被称为Staebler-Wronski效应，简称S-W效应。由于S-W效应使非晶硅膜中缺陷态密度增加，导致电池内的光生电子和空穴复合几率增加，电池的转换效率下降。

发明内容

为了提高光伏电池转换效率，本发明提供一种电场型光伏电池结构，尤其是通过外部电源接入电场型光伏电池的电场极，形成一个增强与稳定电池内自建电场E_np电场，提高光伏电池的开路电压与最大输出功率P_max，形成转换效率较高的电场型光伏电池结构。

实现本发明目的技术方案是：

一种外加电场型光伏电池，所述的光伏电池是指：由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的单晶硅光伏电池，或由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的多晶硅光伏电池；或由p非晶层、i本征非晶层及n非晶层组成的非晶硅光伏电池，所述光伏电池的光辐射面(或称为表面)与背面分别设有表面电极和背面电极，其特征在于，在所述光伏电池的光辐射面的上面设有透明导电膜，该透明导电膜通过绝缘层与所述光伏电池的光辐射面电隔离(或称为“绝缘”，同时，该透明导电膜与表面电极之间也是电隔离)；所述光伏电池的背面电极的下面设有复合导电膜，该复合导电膜通过绝缘层与背面电极电隔离(绝缘)，同时，在该透明导电膜与复合导电膜之间设有外加电压。

本发明通过外部电源接入外加电场型光伏电池，在单结光伏电池外加电源电压范围是0.6V～3V(0.6V≤V1≤3V)。其中电源电压V1的大小与电场极板之间光伏电池有效厚度有关，厚度越大，电压越高，一般单晶硅或多晶硅光伏电池有效n区与p区的硅片厚度要求在300微米以下，而非晶硅薄膜叠层光伏电池有效多层p-i-n薄膜加复合导电膜绝缘层总厚度要求在10微米以下。

所述p型半导体衬底的背面电极或复合导电膜构成为外加电场的正电极；所述透明导电膜构成为外加电场的负电极。而n型半导体衬底的背面电极或复合导电膜构成为外加电场的负电极；所述透明导电膜构成为外加电场的正电极。

更具体地说，本发明的外加电场型光伏电池的结构和工作原理是：

在所述光伏电池的光辐射面设有透明导电膜，该透明导电膜与所述的光辐射面n⁺表面电隔离。光辐射能是通过透明导电膜、减反绝缘膜进入n⁺扩散区PN结，p型半导体为衬底，p型半导体衬底整个下表面涂金属并烧结成背面电极。其中透明导电膜通过减反绝缘膜与n⁺扩散区的栅结构表面电极也是电隔离。电场型光伏电池中透明导电膜与背面电极分别连接电场电源的正极与负极，透明导电膜与背面电极之间形成电场E1，电场E1方向从透明导电膜指向背面电极。其中，透明导电膜与背面电极之间也可采用p^-型半导体与n型半导体为衬底，n型半导体衬底整个下表面涂金属并烧结成背面电极，电场E1方向相反。

其电场型非晶硅光伏电池特征是，背面电极底面复合一层绝缘层，并在绝缘层中间夹有复合导电膜，导电膜通过绝缘层与背面电极电隔离，该导电膜称为电场正电极。电场型非晶硅光伏电池中透明导电膜与电场正电极分别连接直流电源V1的负极与正极，电场正电极与透明导电膜之间p-i-n结构形成电场E1，电场E1方向与自建电场E_np相同，从电场正电极指向透明导电膜。

在电场型多晶硅光伏电池结构中，光辐射面n⁺表面复合一层透明的减反绝缘膜(如：SiO₂)，并在减反绝缘膜另一面复合一层透明导电膜，透明导电膜通过减反绝缘膜与光辐射面n⁺表面电隔离。光辐射能是通过透明导电膜、减反绝缘膜进入n⁺扩散区pn结，p型半导体为衬底，p型半导体衬底整个下表面涂金属并烧结成背面电极。其中透明导电膜通过减反绝缘膜与n⁺扩散区的栅结构表面电极也是电隔离。电场型光伏电池中透明导电膜与背面电极分别连接直流电源V1的正极与负极，透明导电膜与背面电极之间形成电场E1，电场E1方向从透明导电膜指向背面电极。由于电场E1方向与光伏电池的pn结区电场E_np方向一致，E_np加强与稳定，增强正负载流子的分离度，减少了正负载流子的复合作用。电场E1+E_np同时也降低了pn结正向电流I_D，也就是降低了pn结反向饱和电流I_O，能够提高电池的开路电压V_OC。光伏电池负载电流I_p与照度关系：

$I_P=I-I_D=I-I_O\left[\exp (\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{nKT}}-1)\right]$

I为光生电流，I_O为PN结反向饱和电流，K波尔茨曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，n为PN结特性参数。当V＝0时，可得光伏电池短路电流：

I_SC＝I_P＝I

光伏电池的开路电压：

$V_{\mathrm{OC}}=\frac{\mathrm{nKT}}{q}\ln (\frac{I_{\mathrm{SC}}}{I_O}+1)$

另外，电场E1对p区少子-电子有阻挡和反射作用，既减少了背表面之复合作用，同时电场E1能调整多晶体晶粒间界势垒方向，提高载流子迁移，降低晶粒间界复合正负载流子，又提高了pn结对光生少子的收集几率。所以也就能提高光伏电池的短路电流与开路电压，提高光伏电池最大输出功率P_max。

P_max＝FF×V_OCI_SC

FF为光伏电池的填充因子。电场型光伏电池结构，参看附图2所示。

在电场型非晶硅光伏电池结构中，背面电极底面复合一层绝缘层，并在绝缘层中间夹有复合导电膜，导电膜通过绝缘层与背面电极电隔离，该导电膜称为电场正电极。电场型非晶硅光伏电池中透明导电膜与电场正电极分别连接直流电源V1的负极与正极，电场正电极与透明导电膜在p-i-n结构之间形成电场E1，电场E1方向与自建电场E_np相同，从电场正电极指向透明导电膜。参看附图3所示。

本发明的优化方案有：

所述外加电场的电源装置的结构是：参照图5，采用小功率的光伏电池1与光伏电池2串联形成电场电源，电场电源正负电极分别连接电场型光伏电池3的透明导电膜与背面电极。

多个外加电场型光伏电池串联连接，形成输出较高电池电压；或者多个串联电场型光伏电池进行并联连接。

在所述的太阳辐射面是采用非玻璃的透明聚合物，形成电场型薄膜有机半导体光伏电池。

本发明通过外部电源接入外加电场型光伏电池的电场极，形成一个增强与稳定电池内自建电场E_np电场，提高光伏电池的开路电压与最大输出功率P_max，形成转换效率较高的外加电场型光伏电池结构。其中的非晶硅光伏电池结构是通过外加调控电场E1，减少非晶硅p区与n区膜(应为有大量的悬挂键、空位等缺陷)中电子和空穴复合，降低S-W效应。电场E1+E_np有利提高电池的开路电压，增加电池转化效率。

本发明通过外部电源接入外加电场型光伏电池，而外部电源所形成的外部电场在E1＝2E_np时，外加电场型光伏电池电压-电流曲线及转化功率P_max，参看附图7所示。

附图说明

图1-A、图1-B分别为现有单晶或多晶硅与非晶硅光伏电池结构原理图；

图2-A、图2-B分别为本发明电场型单晶或多晶硅光伏电池结构原理图；

图3为本发明电场型非晶硅光伏电池结构原理图；

图4为本发明电场型非晶硅叠层光伏电池结构原理图；

图5-A、图5-B分别为本发明电场型光伏电池结构中光伏电场电源工作原理图；

图6为串联电场型光伏电池结构中外电场电源工作原理图；

图7为电场型光伏电池与光伏电池输出电压-电流对比曲线图。

具体实施方式

实施例1

实施例1，参照附图2所示，本发明一种单晶或多晶硅电场型光伏电池结构是由：栅型表面电极3.1、pn结区3.2、背面电极3.3、p型半导体3.4、n型半导体3.5、减反绝缘膜3.6、透明导电膜3.7、电场电源V1、负载电阻R所组成。电场型光伏电池结构中，背面电极3.3与栅型表面电极3.1，是光伏电池输出的正电极与负电极，而透明导电膜3.7与背面电极3.3，连接电场电源V1的正极与负极，使透明导电膜3.7与背面电极3.3之间形成电场E1。其中透明导电膜3.7是通过减反绝缘膜3.6与n型半导体3.5、栅型表面电极3.1进行电隔离。而电场电源V1与光伏电池也是相互独立的电源。

参照附图2所示，本发明实施例一种单晶或多晶硅电场型光伏电池结构的工作原理是：电场电源V1的正极与负极分别连接透明导电膜3.7与背面电极3.3之间，在光伏电池n型区与p型区整体静电感应形成电场E1。该电场E1与n型扩散区pn结自建电场E_np方向一致，而E1+E_np增强，有助减小pn结正向导通电流I_D，提高光伏电池短路电流I_SC。E1+E_np增强，同时减小pn结反向导通电流I_O，提高光伏电池开路电压V_OC。该电场E1同时对P型区少子-电子有阻挡和反射作用，既减少了背表面之复合作用，特别是电场E1能调整多晶体晶粒间界势垒方向，提高载流子迁移，降低晶粒间界复合正负载流子，又提高了pn结对光生少子的收集几率。

实施例2

参照附图3所示，本发明实施例一种电场型非晶硅光伏电池结构是由：透明导电膜3.1-2、p-i-n结构3.2-2、背面电极3.3-2、绝缘层3.4-2、电场正电极3.5-2、透明玻璃3.6-2、电场电源V1、负载电阻R所组成。其中电场电源V1的正负极连接电场正电极3.5-2与透明导电膜3.1-2，并在p-i-n结构3.2-2内部形成电场E1，电场E1与自建电场E_np方向相同。而且电场正电极3.5-2与非晶光伏电池背面电极电气隔离。

实施例3

参照附图4所示，本发明实施例一种电场型非晶硅叠层光伏电池结构，是叠层p-i-n结构的非晶硅光伏电池。其结构由：透明导电膜3.1-1、3层p-i-n结构3.2-1、背面电极3.3-1、绝缘层3.4-1、电场正电极3.5-1、透明玻璃3.6-1、电场电源V1、负载电阻R所组成。其中电场电源V1的正负极连接电场正电极3.5-1与透明导电膜3.1-1，并在3层p-i-n结构3.2-1内部形成电场E1，电场E1与自建电场E_np方向相同。而且电场正电极3.5-1与非晶硅光伏电池背面电极电气隔离。

实施例3

参照附图5所示，本发明实施例一种电场型光伏电池结构中电场电源V1与电场型光伏电池是相互独立的电源。本实施例使用独立的光伏电池作为电场电源V1。参照附图5中(A)，小功率的光伏电池1与光伏电池2串联形成电场电源，电场电源正负电极分别连接电场型光伏电池3的透明导电膜与背面电极。应为电场电源输出电流很小，光伏电池1与光伏电池2串联形成电场电源电压可以认为开路电压，开路电压在1.2V-1.3V。图中(B)是p^-扩散区pn结，n型半导体为衬底，n型半导体衬底整个下表面涂金属并烧结成背面电极的电场型光伏电池结构，而小功率的光伏电池作为电场电源与电场型光伏电池连接示意图。

参照附图6所示，，本发明实施例一种电场型光伏电池结构，可以进行多个电场型光伏电池串联连接，形成输出较高电池电压。多个串联电场型光伏电池也可以进行并联连接。附图6中是4个电场型光伏电池串联与外电场电源连接工作原理图。串联电场型光伏电池中电池1-电池4中，电池1表面电极与电池2的背面电极b2连接，电池2表面电极与电池3的背面电极b3连接，电池3表面电极与电池4的背面电极b4连接。电池4表面电极与电池1背面电极是串联电池输出的负电极与正电极。电场电源V1的正负极之间连接串联电容C1-C4，电场电源正极e1连接电池1透明导电膜a1，电池2的透明导电膜a2与电池1背面电极b1、串联电容_4-3电压e2连接，电池3的透明导电膜a3与电池2背面电极b2、串联电容_3-2电压e3连接，电池4的透明导电膜a4与电池3背面电极b3、串联电容_2-1电压e4连接，电场电源V1的负极e5连接电池4的背面电极b4。

Claims (9)

1.一种外加电场型光伏电池，所述的光伏电池是指：由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的单晶硅光伏电池，或由p型半导体、n型半导体及两者之间的pn结组成的多晶硅光伏电池；或由p非晶层、i本征非晶层及n非晶层组成的非晶硅光伏电池，所述光伏电池的光辐射面与背面分别设有表面电极和背面电极，其特征在于，在所述光伏电池的光辐射面的上面设有透明导电膜，该透明导电膜通过绝缘层与所述光伏电池的光辐射面电隔离；所述光伏电池的背面电极的下面设有复合导电膜，该复合导电膜通过绝缘层与所述背面电极电隔离，同时，在该透明导电膜与所述复合导电膜之间设有外加电压；该外加电压的方向是：p型半导体衬底的背面电极或复合导电膜构成为外加电场的正电极；所述透明导电膜构成为外加电场的负电极；而n型半导体衬底的背面电极或复合导电膜构成为外加电场的负电极；所述透明导电膜构成为外加电场的正电极。

2.根据权利要求1所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，所述透明导电膜与所述复合导电膜之间外加电压的数值范围是：在单结光伏电池外加电源电压范围是：0.6V～3V。

3.根据权利要求2所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，

所述单晶硅或多晶硅光伏电池有效n区与p区的硅片厚度要求在300微米以下；

所述非晶硅薄膜叠层光伏电池有效多层p-i-n薄膜加复合导电膜绝缘层总厚度要求在10微米以下。

4.根据权利要求1所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，所述复合导电膜的结构是：所述背面电极底面复合一层绝缘层，并在绝缘层中间夹有复合导电膜。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，所述的光伏电池光辐射表面上复合有一层透明的减反绝缘膜，并在减反绝缘膜另一面复合一层透明导电膜，透明导电膜通过减反绝缘膜与光伏电池光辐射表面电隔离。

6.根据权利要求5所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，所述外加电场型光伏电池的具体结构如下：

外加电场型单晶或多晶硅电场型光伏电池装置是由：栅型表面电极(3.1)、pn结区(3.2)、背面电极(3.3)、p型半导体(3.4)、n型半导体(3.5)、减反绝缘膜(3.6)、透明导电膜(3.7)、电场电源(V1)、负载电阻(R)所组成；单晶或多晶硅电场型光伏电池结构中，背面电极(3.3)与栅型表面电极(3.1)，是光伏电池输出的正电极与负电极，而透明导电膜(3.7)与背面电极(3.3)，连接电场电源(V1)的正极与负极，使透明导电膜(3.7)与背面电极(3.3)之间形成电场(E1)；其中透明导电膜(3.7)是通过减反绝缘膜(3.6)与n型半导体(3.5)、栅型表面电极(3.1)进行电隔离；而电场电源(V1)与光伏电池也是相互独立的电源；

外加电场型非晶硅光伏电池结构装置是由：透明导电膜(3.1-2)、p-i-n结构(3.2-2)、背面电极(3.3-2)、绝缘层(3.4-2)、电场正电极(3.5-2)、透明玻璃(3.6-2)、电场电源(V1)、负载电阻(R)所组成；其中电场电源(V1)的正负极连接电场正电极(3.5-2)与透明导电膜(3.1-2)，并在p-i-n结构(3.2-2)内部形成电场(E1)，电场(E1)与自建电场(E_np)方向相同；而且电场正电极(3.5-2)与非晶光伏电池背面电极电气隔离；

外加电场型非晶硅叠层光伏电池结构装置是由：透明导电膜(3.1-1)、3层p-i-n结构(3.2-1)、背面电极(3.3-1)、绝缘层(3.4-1)、电场正电极(3.5-1)、透明玻璃(3.6-1)、电场电源(V1)、负载电阻(R)所组成；其中电场电源(V1)的正负极连接电场正电极(3.5-1)与透明导电膜(3.1-1)，并在3层p-i-n结构(3.2-1)内部形成电场(E1)，电场(E1)与自建电场(E_np)方向相同；而且电场正电极(3.5-1)与非晶光伏电池背面电极电气隔离。

7.根据权利要求6所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，所述外加电场的电源装置的结构是：采用小功率的光伏电池(1)与光伏电池(2)串联形成电场电源，电场电源正负电极分别连接电场型光伏电池(3)的透明导电膜与背面电极。

8.根据权利要求6所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，多个外加电场型光伏电池串联连接，形成输出较高电池电压；或者多个串联电场型光伏电池进行并联连接。

9.根据权利要求7或8所述的外加电场型光伏电池，其特征在于，在所述的太阳辐射面是采用非玻璃的透明聚合物，形成电场型薄膜有机半导体光伏电池。

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