CN102544124A - 太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，其包括：依次并排且接触设置的一第一电极层、一P型硅层、一N型硅层及一第二电极层，该P型硅层与该N型硅层接触并形成一P-N结区，其中，上述各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，且该平面结构的表面为该太阳能电池直接接受光线入射的受光端面。本发明也涉及一种太阳能电池的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特原理制成的。根据半导体光电转换材料种类不同，太阳能电池可以分为硅基太阳能电池(请参见太阳能电池及多晶硅的生产，材料与冶金学报，张明杰等，vol6，p33-38(2007))、砷化镓太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等。
目前，太阳能电池以硅基太阳能电池为主。请参阅图1，现有技术中的硅基太阳能电池30包括：一背电极32、一P型硅层34、一N型硅层36和一上电极38。所述P型硅层34采用多晶硅或单晶硅制成，具有第一表面342以及与该第一表面342相对设置的第二表面344，该第二表面344为一平面结构。所述背电极32设置于所述P型硅层34的第一表面342，且与该P型硅层34的第一表面342欧姆接触。所述N型硅层36形成于所述P型硅层34的第二表面344，作为光电转换的材料。该N型硅层36的表面为一平整的平面结构。所述上电极38设置于所述N型硅层36的表面。所述太阳能电池30中P型硅层34和N型硅层36形成P-N结区。当该太阳能电池30在工作时，光从上电极38一侧直接入射至所述上电极38，并经过所述上电极38和所述N型硅层36到达所述P-N结区，所述P-N结区在光子激发下产生多个电子-空穴对(载流子)，所述电子-空穴对在静电势能作用下分离并分别向所述背电极32和上电极38移动。如果在所述太阳能电池30的背电极32与上电极38两端接上负载，就会有电流通过外电路中的负载。
然而，上述结构中所述光子需要通过所述上电极38和所述N型硅层36之后才到达所述P-N结区，使得一部分入射光线被所述上电极38和N型硅层36吸收，使所述P-N结区对光的吸收率较低，进而减少了P-N结区激发出的载流子的量，降低了太阳能电池30的光电转换效率。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高光电转换效率的太阳能电池及其制备方法。
一种太阳能电池，其包括：依次并排且接触设置的一第一电极层、一P型硅层、一N型硅层及一第二电极层，该P型硅层与该N型硅层接触并形成一P-N结区，其中，上述各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，且该平面结构的表面为该太阳能电池直接接受光线入射的受光端面。
一种太阳能电池，其包括：多个串联设置的电池单元，每个电池单元包括依次并排且接触设置的一第一电极层、一P型硅层、一N型硅层及一第二电极层，该P型硅层与该N型硅层接触并形成一P-N结区，其中，上述每个电池单元中的各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，该平面结构的表面为该电池单元直接接受光线入射的受光端面。
一种太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：提供多个电池预制体，每个电池预制体包括：依次层叠且接触设置的一第一电极层基材、一P型硅层基材、一N型硅层基材及一第二电极层基材；将上述多个电池预制体沿一个方向层叠设置，使每个电池预制体中的第一电极层基材与相邻的电池预制体中的第二电极层基材相接触；沿层叠的方向切割所述多个电池预制体，形成至少一平面结构，该平面结构的表面平行于该切割方向。
相较于现有技术，所述太阳能电池工作时，光可直接入射至所述受光端面，由于该受光端面没有被电极覆盖，使得光子不必先经过电极、N型硅层后才到达P-N结区，从而减少了电极和N型硅层对光的吸收，提高了P-N结区的光吸收率，相应地，使得P-N结区可激发出更多的电子-空穴对，提高了整个太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为现有技术中的太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的太阳能电池的主视图。
图3为本发明第一实施例提供的太阳能电池的立体结构示意图。
图4为本发明第二实施例提供的太阳能电池的主视图。
图5为本发明第二实施例提供的太阳能电池的立体结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的太阳能电池的制备方法流程图。
图7为本发明第三实施例提供的太阳能电池的制备过程流程图。
主要元件符号说明
太阳能电池 10，20
第一电极层 12，22
P型硅层 14，24
第一表面 142，242
第二表面 144，244
N型硅层 16，26
第三表面 162，262
第四表面 164，264
受光端面 17，27
第二电极层 18，28
减反射层 19，29
电池单元 21
电池预制体 210
第一电极层基材 220
P型硅层基材 240
第五表面 241
第六表面 243
N型硅层基材 260
第七表面 261
第八表面 263
第二电极层基材 280
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明的太阳能电池及其制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图2及图3，本发明第一实施例提供一种太阳能电池10，包括：依次并排且接触设置的一第一电极层12、一P型硅层14、一N型硅层16以及一第二电极层18。上述各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，该平面结构的表面为该太阳能电池10直接接受光线入射的受光端面17。所述平面结构具体指所述太阳能电池10具有较小的厚度，从而使整个太阳能电池10可看作一面状结构，所述平面结构的表面与所述太阳能电池10的厚度方向相垂直。具体地，该P型硅层14具有相对的一第一表面142和一第二表面144，该N型硅层16具有相对的一第三表面162和一第四表面164。该第一电极层12设置在该P型硅层14的第一表面142，并与该P型硅层14电接触，该第二电极层18设置在该N型硅层16的第四表面164，并与该N型硅层16电接触。该P型硅层14的第二表面144与该N型硅层16的第三表面162接触并形成一P-N结区。
所述P型硅层14具有一与该第一表面142及第二表面144相连的第一侧面(图未标)，所述N型硅层16具有一与该第三表面162及第四表面164相连的第二侧面(图未标)，所述第一侧面和第二侧面共同构成所述受光端面17。由于所述P-N结区形成于所述P型硅层14和N型硅层16的接触面附近，因此，所述P-N结区通过所述受光端面17同时暴露出P型硅层14和N型硅层16。
所述P型硅层14为一层状结构，该P型硅层14的材料可以是单晶硅、多晶硅或其他的P型半导体材料。所述P型硅层14沿第一表面142到第二表面144方向的厚度为200微米～300微米。所述第一侧面与第一表面142及第二表面144之间的夹角可大于0度且小于180度，优选为，该夹角为90度。本实施例中，所述第一侧面与第一表面142及第二表面144垂直，所述P型硅层14为一厚度为200微米的P型单晶硅片。
所述N型硅层16形成于所述P型硅层14的第二表面144，该N型硅层16为一层状结构。该N型硅层16可以通过向一硅片注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料制备而成。所述N型硅层16沿第三表面162到第四表面164方向上的厚度为10纳米～1微米。所述第二侧面与第一表面142及第二表面144之间的夹角可大于0度且小于180度，优选为，该夹角为90度。本实施例中，所述第二侧面与第三表面162和第四表面164垂直，所述N型硅层16的厚度为50纳米。
所述相互接触的P型硅层14的第二表面144和N型硅层16的第三表面162附近形成所述P-N结区。在该P-N结区中，N型硅层16中的多余电子趋向P型硅层14，并形成一个由N型硅层16指向P型硅层14的内电场。当所述P-N结区在光的激发下产生多个电子-空穴对时，所述多个电子-空穴对在内电场作用下分离，N型硅层16中的电子向所述第二电极层18移动，P型硅层中的空穴向所述第一电极层12移动，然后分别被所述第一电极层12和第二电极层18收集，形成电流，从而实现所述太阳能电池10中光能到电能的转换。
由于入射光不需要穿过所述第一电极层12到达P-N结区，所述第一电极层12可以为一连续的面状结构覆盖所述P型硅层14的第一表面142的整个表面，当然，第一电极层12也可为一网格状或栅格状结构覆盖所述第一表面142的部分表面。所述第一电极层12的材料为具有导电性的材料，该材料具体可为金属、导电聚合物、铟锡氧化物及碳纳米管结构。优选为该第一电极层12由一连续的具有面状结构的金属材料层构成，该金属材料层覆盖整个所述第一表面142。该金属材料可为铝、铜、或银等。该第一电极层12的厚度不限，优选为50纳米～300纳米。本实施例中，所述第一电极层12为一厚度约为200纳米的铝箔。
由于入射光不需要穿过所述第二电极层18到达P-N结区，所述第二电极层18可以为一连续的面状结构覆盖所述N型硅层16的第四表面164的整个表面，也可为一网格状或栅格状结构覆盖所述第四表面164的部分表面。该第二电极层18的材料为具有导电性的材料，该材料具体可选自金属、导电聚合物、铟锡氧化物或碳纳米管。优选为该第二电极层18由一连续的具有面状结构的金属材料层构成，该金属材料层覆盖整个所述第四表面164。所述金属材料可为铝、铜、或银等。该第二电极层18的厚度不限，优选为50纳米～300纳米。本实施例中，所述第二电极层18为一厚度约为200纳米的铝箔。
所述第一电极层12及第二电极层18可均不透光，从而可以避免光线穿过第一电极层12及第二电极层18，造成光电转换效率降低。
当该太阳能电池10工作时，不同于传统的使光照射所述覆盖有网状金属电极或透明电极的第四表面164，而是将第一侧面和第二侧面作为受光端面17，接受光的入射。由于该受光端面17没有被第二电极层18覆盖，即P-N结区直接暴露出P型硅层14和N型硅层16，使得光子可以直接被所述P-N结区吸收，并不必先经过第二电极层18、N型硅层16后才到达P-N结区，从而减少了第二电极层18和N型硅层16对光的吸收，提高了P-N结区对光的吸收率，相应地，使得P-N结区可激发出更多的电子-空穴对。此外，由于所述第二电极层18没有设置在所述受光端面17上，因此无需考虑第二电极层18阻挡光的影响因素，使得该第二电极层18可设置成任何形状，甚至可为一面状结构覆盖至所述N型硅层16的整个第四表面，从而增大了整个第二电极层18的面积，并减小了P-N结区产生的载流子扩散至所述第二电极层18的长度，减少了载流子的内部损耗，从而提高了整个太阳能电池10的光电转换效率。
此外，所述受光端面17与所述第四表面164之间的夹角可大于0度且小于180度，优选为该夹角为90度。
进一步地，为减少光的反射，使更多的光能被所述P-N结区吸收，在所述受光端面17可进一步设置一减反射层19，该减反射层19可使光线入射并减少光的反射，且对光的吸收较少，该减反射层19的材料为氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)等。该减反射层19的厚度可小于150纳米，本实施例中，该减反射层为900埃
的氮化硅层。
上述整个太阳能电池10的厚度为从受光端面17到与该受光端面17相对的太阳能电池10另一端面之间的距离。当该受光端面17与该第四表面164垂直时，该太阳能电池10的厚度也是所述P型硅层14、N型硅层16、第一电极层12及第二电极层18垂直于该受光端面17方向的宽度。该太阳能电池10的厚度不限，可根据从所述受光端面17入射的光在所述P型硅层14及N型硅层16中的透过率而设定。优选为，该厚度为使光透过率为零时的厚度，从而可使整个太阳能电池10有效利用所吸收的光。本实施例中，该太阳能电池10的厚度为50微米～300微米。
此外，由于无需考虑第一电极层12和第二电极层18对光线的阻挡因素，因此，对该第一电极层12和第二电极层18的形状、结构要求降低，从而使得制备方法简单。
请参阅图4及图5，本发明第二实施例提供一种太阳能电池20，该太阳能电池20包括多个串联设置的电池单元21，优选地该多个电池单元21并排且接触设置。该每个电池单元21包括：依次并排且接触设置的一第一电极层22、一P型硅层24、一N型硅层26以及一第二电极层28。上述各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，该平面结构的表面为该电池单元21直接接受光线入射的受光端面。具体地，该每个电池单元21中的P型硅层24具有相对的一第一表面242和一第二表面244，该N型硅层26具有相对的一第三表面262和一第四表面264。该第一电极层22设置在该P型硅层24的第一表面242，并与该P型硅层24电接触，该第二电极层28设置在该N型硅层26的第四表面264，并与该N型硅层26电接触。该P型硅层24的第二表面244与该N型硅层26的第三表面262接触并形成一P-N结区。优选地，所述多个电池单元21沿所述直线层叠，且每个电池单元21的第二电极层28与相邻的电池单元21的第一电极层22接触。该多个平面结构的表面共同构成该太阳能电池20直接接受光线入射的受光端面27。
所述P型硅层24具有一与该第一表面242及第二表面244相连的第一侧面(图未标)，所述N型硅层26具有一与该第三表面262及第四表面264相连的第二侧面(图未标)，上述多个电池单元21中的多个第一侧面和多个第二侧面共同构成所述受光端面27。
该每个电池单元21的结构与上述第一实施例的太阳能电池10的结构相同，在此不再详细赘述。该每个电池单元21的第二电极层28与相邻的电池单元21的第一电极层22可通过导电粘结剂粘结或相互键合，且二者的材料可以相同或不同，当二者的材料相同时，该每个电池单元21的第二电极层28与相邻的电池单元21的第一电极层22可被键合成一体。该多个电池单元21可通过一压合机压合在一起。
上述每个电池单元21中，所述第一电极层22优选为覆盖所述P型硅层24的整个第一表面242的金属材料层，所述第二电极层28优选为覆盖所述N型硅层26的整个第四表面264的金属材料层。
此外，为减少电极对整个太阳能电池20的受光面积的占用，所述相邻的两个电池单元21之间的第一电极层22和第二电极层28的总厚度优选为在100纳米～400纳米的范围内。本实施例中，该第一电极层22和第二电极层28沿第一表面242到第二表面244的方向上的总厚度为300纳米。
进一步地，为减少光的反射，使更多的光能被所述P-N结区吸收，在所述太阳能电池20的受光端面27可进一步设置一减反射层29，该减反射层29可使光线入射并减少光的反射，且对光的吸收较少，该减反射层29的材料为氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)等。该减反射层29的厚度可小于150纳米，本实施例中，该减反射层为900埃
的氮化硅层。
所述太阳能电池20所包括的电池单元21的数量不限，可根据实际需要的输出电压而设定，本实施例中，所述太阳能电池20包括100个电池单元21。该太阳能电池单元21的工作电压为一个电池单元21的整数倍。
请参阅图6及图7，本发明进一步提供一种所述太阳能电池20的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供多个电池预制体210，该每个电池预制体210包括：依次层叠且接触设置的一第一电极层基材220、一P型硅层基材240、一N型硅层基材260及一第二电极层基材280；
S2，将上述多个电池预制体210沿一个方向层叠设置，使每个电池预制体210中的第一电极层基材220与相邻的电池预制体210中的第二电极层基材280相接触；
S3，沿层叠方向切割所述多个电池预制体210，形成至少一平面结构，该平面结构的表面平行于该切割方向。
在所述S1步骤中，该P型硅层基材240具有相对的第五表面241和第六表面243，该N型硅层基材260具有相对的第七表面261和第八表面263，该第一电极层基材220设置在该P型硅层基材的第五表面241，该第二电极层基材280设置在该N型硅层基材260的第八表面263，该P型硅层基材240的第六表面243与该N型硅层基材260的第七表面261接触并形成一P-N结区。所述P型硅层基材240为一P型硅片，该P型硅片的材料可以是单晶硅、多晶硅或其他的P型半导体材料。本实施例中，所述P型硅层基材240为一P型单晶硅片。所述P型单晶硅片的厚度可为200微米～300微米。所述P型硅层基材240的面积、形状不限，可以根据实际需要选择。所述N型硅层基材260可通过向一硅片基材注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料制备而成。所述N型硅层基材260的厚度为10纳米～1微米。
所述第一电极层基材220和第二电极层基材280的材料可以相同或不同，优选为该第一电极层基材220和第二电极层基材280由具有连续平面结构的金属材料层成，该金属材料可为铝、铜、或银等。该第一电极层基材220和第二电极层基材280可通过导电粘结剂粘结在该P型硅层基材240和N型硅层基材260的表面，也可通过真空蒸镀、或磁控溅射等方法形成于所述P型硅层基材240和N型硅层基材260的表面。
在上述步骤S2中，所述相互层叠的电池预制体210可通过导电粘结剂粘结。另外，当相邻的电池预制体210的第一电极层基材220和第二电极层基材280的材料相同时，可压合上述多个相互层叠的电池预制体210，从而使相邻的电池预制体210的电极层相互键合，所述压合机压合上述多个相互层叠的电池预制体210的力不限，仅需使相邻的第一电极层基材220和第二电极层基材280相互键合在一起即可。
在上述步骤S3中，切割所述多个相互层叠的电池预制体210的方式和切割方向不限，所述切割方向具体为可穿过该第五表面241、第六表面243、第七表面261及第八表面263，从而形成至少一个平面结构，该平面结构的表面平行于该切割方向，优选为沿垂直于第一电极层基材220和第二电极层基材280所在平面的方向切割所述多个相互层叠的电池预制体210，通过该切割方式，可在每个太阳能电池20上形成一由上述多个相互层叠的P型硅层24及N型硅层26共同构成的直接暴露于所述P型硅层24及N型硅层26外的受光端面27。
进一步地，在上述步骤S3之后，可在每个太阳能电池20的受光端面27上采用真空蒸镀或磁控溅射等方法形成一减反射层29，该减反射层29可使光线入射并减少光的反射，且对光的吸收较少，该减反射层29的材料为氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)等。该减反射层29的厚度可小于150纳米，本实施例中，该减反射层为900埃
的氮化硅层。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (17)
1.一种太阳能电池，其包括：依次并排且接触设置的一第一电极层、一P型硅层、一N型硅层及一第二电极层，该P型硅层与该N型硅层接触并形成一P-N结区，其特征在于，上述各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，且该平面结构的表面为该太阳能电池直接接受光线入射的受光端面。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该P型硅层具有相对的一第一表面和一第二表面，该N型硅层具有相对的一第三表面和一第四表面，该第一电极层设置在该P型硅层的第一表面，并与该P型硅层电接触，该第二电极层设置在该N型硅层的第四表面，并与该N型硅层电接触，该P型硅层进一步具有一与所述第一表面和第二表面相连的第一侧面，该N型硅层进一步具有一与所述第三表面和第四表面相连的第二侧面，所述第一侧面及第二侧面共同构成所述受光端面。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，该第二电极层为整体覆盖该N型硅层的第四表面的金属材料层，该第一电极层为整体覆盖该P型硅层的第一表面的金属材料层。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述金属材料层不透光。
5.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述光线从基本垂直于所述受光端面的方向入射至所述受光端面。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述受光端面进一步覆盖有一厚度小于150纳米的减反射层。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述减反射层的材料为氮化硅或二氧化硅。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述P-N结区通过所述受光端面暴露出所述P型硅层和所述N型硅层。
9.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述平面结构的厚度为从受光端面到与该受光端面相对的太阳能电池的另一端面之间的距离，该距离为50微米～300微米。
10.一种太阳能电池，其包括：多个串联设置的电池单元，每个电池单元包括依次并排且接触设置的一第一电极层、一P型硅层、一N型硅层及一第二电极层，该P型硅层与该N型硅层接触并形成一P-N结区，其特征在于，上述每个电池单元中的各层沿一直线连续设置成一排构成一平面结构，所述平面结构具有一表面平行于该直线，该平面结构的表面为该电池单元直接接受光线入射的受光端面。
11.如权利要求10所述的太阳能电池，其特征在于，所述每个电池单元的第二电极层与相邻的电池单元的第一电极层接触，该多个平面结构的表面共同构成该太阳能电池直接接受光线入射的受光端面。
12.如权利要求11所述的太阳能电池，其特征在于，所述每个电池单元的P-N结区通过所述受光端面暴露出所述P型硅层和所述N型硅层。
13.一种太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：
提供多个电池预制体，每个电池预制体包括：依次层叠且接触设置的一第一电极层基材、一P型硅层基材、一N型硅层基材及一第二电极层基材；将上述多个电池预制体沿一个方向层叠设置，使每个电池预制体中的第一电极层基材与相邻的电池预制体中的第二电极层基材相接触；沿层叠的方向切割所述多个电池预制体，形成至少一平面结构，该平面结构的表面平行于该切割方向。
14.如权利要求13所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，进一步采用导电粘结剂粘结上述多个电池预制体。
15.如权利要求13所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一电极层基材和第二电极层基材均由金属材料层构成，且在层叠上述多个电池预制体后，进一步压合上述多个相互层叠的电池预制体，从而使相邻的电池预制体的电极层相互键合。
16.如权利要求13所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，该P型硅层基材具有相对的第五表面和第六表面，该N型硅层基材具有相对的第七表面和第八表面，该第一电极层基材与该P型硅层基材的第五表面电接触，该第二电极层基材与该N型硅层基材的第八表面电接触，该P型硅层的第二表面与该N型硅层的第三表面接触并形成一P-N结区，所述切割方向垂直穿过所述第五表面、第六表面、第七表面及第八表面。
17.如权利要求13所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，进一步在切割面上形成一层减反射层。
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