CN102856399A

CN102856399A - 一种多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池

Info

Publication number: CN102856399A
Application number: CN2012103516268A
Authority: CN
Inventors: 刘爽; 曲鹏程; 魏广路; 陈逢彬; 何存玉; 熊流峰; 周晟; 刘飒; 钟智勇; 刘永
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-01-02

Abstract

一种多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，属于太阳能利用技术领域，涉及非晶硅太阳能电池结构。本发明提供的吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池与现有的单结非晶硅太阳能电池相比具有相似的结构，但本发明中非晶硅光吸收层为复合多层结构、由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成。本发明能够进一步提高非晶硅太阳能电池的太阳能光谱利用率，提高太阳能转换效率，同时降低光至衰退效应，消除N-P反向结的影响。

Description

一种多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，涉及非晶硅太阳能电池结构，尤其是一种多吸收层的非晶硅太阳能电池结构。

背景技术

随着石油，天然气等不可再生资源的日益枯竭，太阳能作为一种取之不尽的资源成为人类所努力的方向。目前主要的硅基太阳能电池主要为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，其中，非晶硅太阳能电池和单晶硅和多晶硅太阳能电池相比，在制造工艺上大大简化，在材料消耗和电能耗上大大减少，从而成为硅基太阳能电池的热点。

非晶硅材料具有较高的光吸收系数，特别是在0.3~0.75微米的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅高一个数量级，因而，它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1微米厚）就能吸收约90%的可见光太阳能。非晶硅的光学带隙宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5~2.0ev的范围内变化，这样制成的太阳能电池的开路电压高。另外制备非晶硅的工艺和设备简单，沉积温度低，时间短，适于大批量生产。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题，因此可以沉积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。

最先提出的是非晶硅单结太阳能电池，其结构如图1所示，从上往下包括依次层叠的透明玻璃衬底1（起到衬底支撑作用和对下层结构的保护作用），TCO透明导电膜2（与金属电极一起构成电池的正负极），P型半导体层3（与N型半导体层一起构成太阳能电池的内建电场），缓冲层4（缓冲层的作用是减少半导体层与光吸收层由于晶格失配所带来的串联电阻的增加），非晶硅光吸收层5（吸收太阳光能并产生光生非平衡载流子），N型半导体层6，金属电极7。其中光吸收层作为非平衡载流子的产生层，P型半导体层3和N型半导体层6为电池提供了内建电场，进行非平衡载流子的收集。

单结非晶硅太阳能电池，由于非晶硅光吸收层的光学带隙宽度是固定的（约为1.7ev），因此只能单一的吸收波长为0.3~0.75微米的可见光（），光谱利用率较低。同时，单结非晶硅太阳能电池为了尽可能增加太阳能转换效率，非晶硅光吸收层需要做得很厚，但较厚的非晶硅光吸收层反而增加了电池的不稳定性，即存在所谓的S-W效应（光至衰退效应），这会导致单结非晶硅太阳能电池随着光照时间的增加，太阳能转换效率会降低10%-20%。因此，拓宽非晶硅太阳能电池对光谱的响应范围，降低S-W效应，是非晶硅太阳能电池发展的必然趋势。

为了拓宽非晶硅太阳能电池对光谱的响应范围，降低S-W效应，人们在单结非晶硅太阳能电池的基础上提出了叠层非晶硅太阳能电池。叠层非晶硅太阳能电池，其结构如图2所示，从上到下包括依次层叠的透明玻璃衬底1，TCO透明导电膜2，第一P型半导体层3，第一缓冲层4，第一非晶硅光吸收层5，第一N型半导体层6，第二P型半导体层7，第二缓冲层8，第二非晶硅光吸收层9，第二N型半导体层10，金属电极11。叠层非晶硅太阳能电池相当于两个pin结构的单结非晶硅太阳能子电池（顶电池和底电池）的串联结构。

叠层非晶硅太阳能电池利用PECVD等薄膜沉积技术依次沉积两个pin结构的太阳能电池。其中，顶电池吸收能量较大的光波段，底电池吸收能量较小的光波段，扩展了光谱的响应；同时其吸收层的薄化，使得两个子电池的内建电场有所增大，这样有利于非平衡载流子快速从非晶硅光吸收层中抽出，避免了载流子的复合损失，从而有利于提高太阳能转换效率并降低S-W效应。

但是，叠层非晶硅太阳能电池随即带来了一些新的问题，影响着电池的转换效率。由于两个子电池相互串联，流经两个子电池的电流必然相等，即两个子电池中产生的最小电流为最终输出的电流，所以必须调节顶电池或底电池非晶硅光吸收层的厚度，使两个个子电池的电流相匹配，才能获得较好的转换效率。如不考虑厚度，则顶电池和底电池皆可成为限制条件，从而影响电池的转换效率。除此之外，叠层非晶硅太阳能电池中，顶电池的N型半导体层（即第一N型半导体层6）和底电池的P型半导体层（第二P型半导体层）相互接触，形成一个N-P反向结，会使顶电池的电子积累在第一非晶硅光吸收层5中，而底电池的空穴积累在第二非晶硅光吸收层9中，这样会增大非平衡载流子的复合率，使太阳能电池的转换效率降低。

为了解决叠层电池带来的问题，需要从工艺上控制第一、二非晶硅光吸收层的厚度，以使两个个子电池的电流相匹配；同时选用不同的材料来制作第一N型半导体层6和第二P型半导体层，以降低N-P反向结的影响。然而这样无疑将增加工艺难度和复杂程度，同时也无法完全消除N-P反向结的影响。

发明内容

为了进一步提高非晶硅太阳能电池的太阳能光谱利用率，提高太阳能转换效率，同时降低光至衰退效应，消除N-P反向结的影响，本发明提供一种多吸收层横向分布的非晶硅太阳能电池。

本发明技术方案如下：

一种多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其结构如图3所示，包括从上往下包括依次层叠的透明玻璃衬底1，TCO透明导电膜2，P型半导体层3，缓冲层4，非晶硅光吸收层5，N型半导体层6，金属电极7。其中所述非晶硅光吸收层5由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成（如图4所示）。

本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其中多个非晶硅光吸收子层具有相同的厚度，多个非晶硅光吸收子层之间不同的光学带隙宽度通过在非晶硅材料中掺杂予以实现。具体掺杂元素为Ge、C、N、Cl或F，多个非晶硅光吸收子层之间不同的光学带隙宽度可通过不同的掺杂元素予以实现，也可通过同一掺杂元素不同的掺杂量予以实现。

本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池与现有的单结非晶硅太阳能电池相比，具有相似的结构，区别在于单结非晶硅太阳能电池中非晶硅光吸收层为单层结构、具有固定的光学禁带宽度，而本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池中非晶硅光吸收层为复合多层结构、由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成。本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池与现有的叠层非晶硅太阳能电池相比，区别在于叠层非晶硅太阳能电池由两个单结非晶硅太阳能电池串联而成，其中顶电池和底电池的非晶硅光吸收层都是单层结构、具有固定的光学禁带宽度，但本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池中非晶硅光吸收层为复合多层结构、由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成。

本发明提供的多吸收层横向分布的非晶硅太阳能电池具有如下效果：

1、本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，只需考虑各非晶硅光吸收子层的厚度能否使得响应波段的光波充分吸收，而不用考虑叠层中由于层的厚度所产生的光电流匹配问题，即不存在叠层非晶硅太阳能电池的子电池电流匹配问题。

2、本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，不存在叠层非晶硅太阳能电池中的反向PN结，因此在非晶硅光吸收层的非平衡载流子复合这一不利因素减少了，从而有利于提高太阳能转换效率。

3、本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，由于非晶硅光吸收层为复合多层结构、由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成，使其对应吸收不同波长范围的太阳光，使得太阳光的光谱利用率大大提高。

4、另外，本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其中各非晶硅光吸收子层之间由于非晶硅光吸收层光学禁带宽度的不同是通过不同的掺杂元素或不同的掺杂量予以实现，所以可以将非晶硅光吸收层中H含量控制在能使吸收层缺陷态密度较低的范围内，从而同时降低光至衰退效应，使得电池的稳定性得以增强。

附图说明

图1是传统叠层太阳能电池的吸收层结构示意图。其中1是透明玻璃衬底1，2是TCO透明导电膜，3是第一P型半导体层3，4是第一缓冲层，5是第一非晶硅光吸收层，6是第一N型半导体层，7是第二P型半导体层7，8是第二缓冲层，9是第二非晶硅光吸收层，10是第二N型半导体层，11是金属电极。

图2是本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池结构示意图。其中其中1是透明玻璃衬底，2是TCO透明导电膜，3是P型半导体层，4是缓冲层，5是非晶硅光吸收层，6是N型半导体层6，7是金属电极。而非晶硅光吸收层5由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成。

图3是本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池中非晶硅光吸收层5的内部结构示意图。该示意图给出了三个非晶硅光吸收子层复合的结构，其中顶层非晶硅光吸收子层禁带宽度最大，中间层非晶硅光吸收子层禁带宽度居中，底层非晶硅光吸收子层禁带宽度最小。

图4是现有单结非晶硅太阳能电池的光吸收与入射光波长的关系仿真图。

图5是本发明提供的多吸收层纵向分布（三层复合结构）的非晶硅太阳能电池的光吸收与入射光波长的关系仿真图。其中，曲线1是顶层非晶硅光吸收子层的光强吸收与入射光波长关系，曲线2是中间层非晶硅光吸收子层的光强吸收与入射光波长关系，曲线3是底层非晶硅光吸收子层的光强吸收与入射光波长关系，曲线4是真个非晶硅光吸收层的光强吸收与入射光波长关系。

具体实施方式

非晶硅光吸收层中各个子层的分布：E₁(g)>E₂(g)＞E₃(g)....>E_n(g)，采取这样分布的原因是增大了太阳能电池对光谱的利用率，如果这样分布E₁(g)<E₂(g)<E₃(g)....<E_n(g)，那么光学禁带宽度为E₁(g)的子层在最顶层，由于其最小，所以能量大于其光学禁带宽度的光波都会使其产生非平衡载流子，那么最下面禁带宽度较大的子层将会吸收较少的光。所以子层的排列从顶到底的顺序应该是：E₁(g)>E₂(g)＞E₃(g)....>E_n(g)。

非晶硅光吸收层中各个子层的厚度应该受到约束：（1）子层太厚，会增加整个太阳能电池的串联电阻，导致电池效率下降。（2）子层太薄，光在吸收层中不能完全吸收，不足以产生足够的非平衡载流子。

如图5所示，本发明仿真了一种由三层非晶硅光吸收子层复合的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池（如图3所示）各子电池光强的吸收与入射光波长的对应关系。三层非晶硅光吸收子层厚度均为L=140um，光学禁带宽度分别为Eg₁=1.3ev、Eg₂=1.9ev、Eg₃=3.0ev，模拟太阳光波长范围为200-2200nm。其中，曲线1是顶层非晶硅光吸收子层的光强吸收与入射光波长关系，曲线2是中间层非晶硅光吸收子层的光强吸收与入射光波长关系，曲线3是底层非晶硅光吸收子层的光强吸收与入射光波长关系，曲线4是真个非晶硅光吸收层的光强吸收与入射光波长关系。由图5可以看到，本发明提供的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池拓宽了电池吸收光谱的范围，提高了对光谱的利用率，并且总的吸收强度得以增强。

Claims

1.一种多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其结构从上往下包括依次层叠的透明玻璃衬底（1），TCO透明导电膜（2），P型半导体层（3），缓冲层（4），非晶硅光吸收层（5），N型半导体层（6），金属电极（7）；其特征在于，所述非晶硅光吸收层（5）由多个光学带隙宽度依次减小的非晶硅光吸收子层沿纵向从上往下依次层叠而成。

2.根据权利要求1所述的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述多个非晶硅光吸收子层具有相同的厚度，多个非晶硅光吸收子层之间不同的光学带隙宽度通过在非晶硅材料中掺杂予以实现。

3.根据权利要求2所述的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其特征在于，在非晶硅材料中掺杂的掺杂元素为Ge、C、N、Cl或F。

4.根据权利要求3所述的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其特征在于，多个非晶硅光吸收子层之间不同的光学带隙宽度通过不同的掺杂元素予以实现。

5.根据权利要求3所述的多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池，其特征在于，多个非晶硅光吸收子层之间不同的光学带隙宽度通过同一掺杂元素不同的掺杂量予以实现。