CN101931015A - 一种透明电极的太阳能电池及其制法 - Google Patents

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邢政
张宝顺
董健荣
陆书龙
杨辉
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Abstract

本发明公开了一种透明电极的薄膜太阳能电池及其制作方法，其特征在于：所述太阳能电池接收太阳辐照的一侧表面设有透明导电材料制成的透明导电电极，所述透明导电电极至少为导电前电极，从而提高太阳能电池对太阳光全光谱光能量的吸收转换。通过采用透明电极的太阳能电池结构，吸收利用与材料带隙宽度相匹配的太阳光谱波段，减小由于传统低透光率金属电极引起的光电转换减弱的现象，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收和能量转换，从而提高光电转换效率。本发明减少了使用传统金属电极制备的太阳能电池正面电极的避光效应，有效地提高太阳光的投射进入PN结，更大更有效地实现光电转换。

Description

一种透明电极的太阳能电池及其制法
技术领域
本发明涉及一种太阳能利用装置及其制法，尤其涉及一种吸收太阳辐射进行储能利用的太阳能电池及其制法，属于太阳能利用的光伏技术领域。
背景技术
能源危机一天比一天突出，传统的燃料能源正在逐渐耗尽同时使用中所带来对环境带来的危害日趋严重，核能源的强辐射性以及核废料的处理等等一系列的问题迫使人们将关注的目光转移的再生能源的开发和利用。太阳辐射这一取之不尽、用之不竭的太阳能是人们能够充分利用的绿色环保的可再生能源，因此已成为人们关注的焦点和重视的研究方向。太阳能电池是直接将太阳能转化利用的十分有效的办法之一。目前已有晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、III-V族化合物半导体太阳能电池、II-VI族化合物半导体多晶薄膜太阳能电池等，并由此衍生而出越来越多的太阳能电池，光伏技术领域不断取得技术性突破，光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低，使得光伏技术在包括民用和太空探索等各个领域都得到了广泛的应用。
通常典型的太阳能电池是由一个或多个半导体PN结组成，在光的照射下产生光生载流子，由PN结与外界相连的两端电极将电流导出。通常在光接收面的收集电极结构采用长条形栅极形状的金属电极(如图1和图2所示)，这样太阳光进入PN结时势必受到这些条形栅极的阻挡，减小了太阳光进入PN结的实际有效面积，因而光生载流子的数量减少，光生电流强度也相对减弱。
如果制备图1所示的太阳能GaInP电池，经测试其EQE谱线如图4所示，其光谱吸收范围可为400～700纳米。当采用不同占空比的金属正电极时，由于金属电极部分的金属反射使得反射谱曲线直接受到金属部分的影响(如图五所示)，占空比愈大，受金属反射的反射镨曲线愈宽，由此进一步减小了光谱吸收的范围。
发明内容
针对上述现有太阳能电池表面由于电极遮挡而造成太阳辐照能量收集有效面积减小的问题，本发明的目的旨在提供一种透明电极的太阳能电池及其制法，提高太阳能电池对太阳光的利用效率，从而得到较高的光输出功率，实现较高的光电转换效率。
本发明的上述第一个目的，其实现的技术方案是：
一种透明电极的太阳能电池，所述太阳能电池具有衬底上生长形成的含PN结的外延片以及从所述PN结两端引出与外界相连的导电前电极和底电极，所述PN结为用于光电转换的III-V族化合物，其特征在于：所述太阳能电池接收太阳辐照的一侧表面设有透明导电材料制成的透明导电电极，所述透明导电电极至少为导电前电极。
进一步地，前述一种透明电极的太阳能电池，其中所述用于作为透明导电电极的透明导电材料包括氧化铟、氧化锌、掺锡氧化铟、氟化掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、银、镍、金、钛、金锗合金、钯、锌、铬、聚合导电物质、含有碳管的聚合导电物质等材料中的一种或多种组合，所述透明导电电极为由该些透明导电材料制成的单层或多层结构组合物。
进一步地，前述一种透明电极的太阳能电池，其中所述太阳能电池的结构形式至少包括单结、双结级联式及双结以上级联式结构、复合双结级联式加双结级联式结构、复合三结级联式加单结结构、复合双结级联式加双结级联式加单结结构、复合三结级联式加双结级联式加单结结构、复合多结级联加多结级联结构。
进一步地，前述一种透明电极的太阳能电池，其中所述外延片为由III-V族元素组成的含有一个或一个以上叠层PN结的结构；或为由III-V族元素组成的含有一个或一个以上叠层PN结以及串联含有一个或一个以上叠层PN结的结构。
本发明的上述第二个目的，其实现的技术方案是：
一种透明电极的太阳能电池的制法，其特征在于包括步骤：
I、利用金属有机物化学气相沉积法生长太阳能电池的外延片；
II、按任意先后顺序或同时在经表面处理后的外延片上和衬底下分别制作对应的导电前电极和底电极，其中至少所述导电前电极为由透明导电材料制成。
进一步地，前述一种透明电极的太阳能电池的制法，步骤II中所述透明导电材料制成导电前电极或底电极的方法至少为蒸发、溅射、旋涂和印刷之一。
本发明一种透明电极的太阳能电池及其制法，较之于现有技术其优异效果体现为：采用透明导电材料制成的太阳能电池电极，尤其是导电前电极，能在太阳光进入PN结时消除电极对光的遮挡效应，从而增大了接收太阳辐照的实际有效面积，提强了光生电流强度，使得太阳能电池的光电转换效率得以进一步提高。此外，本发明该种透明电极的太阳能电池，其应用范围可进一步沿拓到地面使用之外的空间应用。
附图说明
图1是现有技术太阳能电池一实施例的正面俯视图；
图2是现有技术太阳能电池另一实施例的正面俯视图；
图3是本发明太阳能电池一较佳实施例的正面俯视图；
图4是抗反膜反射图谱例一；
图5是抗反膜反射图谱例二；
图6是太阳能电池的EQE谱例一。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体实施例，详细说明如下：
1)电池外延片的生长
将基于GaAs衬底生长的晶格匹配的GaInP、GaAs等单结太阳能电池外延片、GaInP/GaAs双结太阳能电池外延片；基于InP衬底生长的晶格匹配的InGaAs、InGaAsP等单结电池外延片、InGaAs/InGaAsP双结太阳能电池外延片、基于Ge衬底生长的GaInP/Ge、GaAs/Ge、InGaAs/Ge等双结太阳能电池外延片、GaInP/InGaAs/Ge、GaInP/GaAs/Ge等三结太阳能电池外延片；GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结带隙能量为1.9/1.4/1.05/0.67eV的太阳电池外延片。带隙依照太阳光谱进行合理的调整，例如GaInP/GaAs采用1.9/1.4eV的带隙组合，InGaAs/InGaAsP采用1.05/0.72eV带隙组合，GaInP/InGaAs/Ge采用1.8/1.29/0.66ev带隙组合；GaInP/GaAs/InGaAs/Ge1.9/1.4/1.05/0.67eV带隙组合等等多种数值的带隙组合。
2)电池制备的工艺：
参照下列方法按任意先后顺序：
步骤1：在外延片上进行表面处理，
步骤2：在样品的正面制作上的透明导电前电极，可为含有外引线区域图像形状，如图3所示(不仅限于所列例图形状)，
步骤3：利用化学机械减薄方法将太阳能电池的衬底进行减薄处理，
步骤4：清洗后利用物理沉积的方法制作背电极，
步骤5：对所述样品进行金属合金和退火处理，
步骤6：在衬底片的边缘制作隔离沟槽，
步骤7：对所述沟槽进行清洗，
步骤8：对所述沟槽的表面进行钝化处理，
步骤9：对完成正面电极的样品进行减小太阳光谱反射的表面薄膜处理，
步骤10：对完成上述工艺制备的电池进行分割、引线和封装。
本发明采用透明电极作为太阳能电池的采能单元，其反射谱曲线如图6所示。比较图5和图6，可以明显地观察到采用透明电极的优势。即反射谱曲线得到显著抑制，显著提升了太阳辐照能的吸收效率。
本发明工艺制法及选材上具有多样性，以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的实施例描述，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是牺牲层材料的简单替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种透明电极的太阳能电池，所述太阳能电池具有衬底上生长形成的含PN结的外延片以及从所述PN结两端引出与外界相连的导电前电极和底电极，所述PN结为用于光电转换的III-V族化合物，其特征在于：所述太阳能电池接收太阳辐照的一侧表面设有透明导电材料制成的透明导电电极，所述透明导电电极至少为导电前电极。
2.根据权利要求1所述的一种透明电极的太阳能电池，其特征在于：所述用于作为透明导电电极的透明导电材料包括氧化铟、氧化锌、掺锡氧化铟、氟化掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、银、镍、金、钛、金锗合金、钯、锌、铬、聚合导电物质、含有碳管的聚合导电物质中的一种或多种组合，所述透明导电电极为由该些透明导电材料制成的单层或多层结构组合物。
3.根据权利要求1所述的一种透明电极的太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的结构形式至少包括单结、双结级联式及双结以上级联式结构、复合双结级联式加双结级联式结构、复合三结级联式加单结结构、复合双结级联式加双结级联式加单结结构、复合三结级联式加双结级联式加单结结构、复合多结级联加多结级联结构。
4.根据权利要求1所述的一种透明电极的太阳能电池，其特征在于：所述外延片为由III-V族元素组成的含有一个或一个以上叠层PN结的结构。
5.根据权利要求1所述的一种透明电极的太阳能电池，其特征在于：所述外延片为由III-V族元素组成的含有一个或一个以上叠层PN结以及串联含有一个或一个以上叠层PN结的结构。
6.权利要求1所述一种透明电极的太阳能电池的制法，其特征在于包括步骤：
I、利用金属有机物化学气相沉积法生长太阳能电池的外延片；
II、按任意先后顺序或同时在经表面处理后的外延片上和衬底下分别制作对应的导电前电极和底电极，其中至少所述导电前电极为由透明导电材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种透明电极的太阳能电池的制法，其特征在于：步骤II中所述透明导电材料制成导电前电极或底电极的方法至少为蒸发、溅射、旋涂和印刷之一。
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