CN103296120A - 稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构，包括：依次自下而上相互叠加的背电极(1)、银铝浆薄膜(2)、P型晶体硅层(3)、N型晶体硅层(4)、减反射膜(5)、稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜(6)、正电极(7)。该结构的晶体硅太阳能电池可将太阳光中不能被硅晶体吸收的，波长大于1100nm的红外光转换为可被晶体硅吸收利用的可见光，从而增加对红外光的利用，提高硅太阳能电池的光电转换效率，同时减少红外光对电池的破坏，提高电池的性能。同时，该结构的晶体硅太阳能电池的机械强度和化学稳定性好，上转换效率高。

Description

稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构
技术领域
本发明涉及一种晶体硅太阳能电池的结构，尤其涉及一种基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构。属于太阳能电池领域。
背景技术
由于全球性的能源危机和对环境保护的日益重视，可再生能源的开发利用在整个能源构成中的比例越来越大。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁、不产生任何环境污染的能源。而太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方法，目前硅太阳能电池在太阳能电池中占主导地位，而制约硅太阳能电池普及和发展的主要因素是成本高、光电转换效率低，因此设计新型高效硅太阳能电池具有十分重要的意义。
硅太阳能电池光电转换效率低的原因之一是它无法对太阳光中的大部分能量加以利用，硅半导体的能带隙为1.12eV，只有波长小于1100nm太阳光才能在硅太阳能电池中进行光电转化，而波长大于1100nm的红外光则无法被硅太阳能电池吸收利用。并且红外光所含热能比例大，会导致硅太阳能电池温度上升，降低电池寿命。
稀土离子的掺杂可以大大提高上转换效率，并可以将红外光高效的转换成可见光。1993年Wang和Ohwaki发现Er3+、Yb3+共掺杂的SiO2-Al2O3-PbF2-CdF2透明玻璃陶瓷可将980nm的光转换为可见光，其效率远高于氟化物。
经文献检索发现，公开号为CN102184998A的中国发明专利申请公开了一种新型晶体硅太阳能电池结构，该发明是在硅太阳能电池减反射膜表面引入一层稀土氟化物上转换发光材料，可以将红外光转换成可见光，从而提高硅太阳能电池的光电转化效率，改善电池的性能。但稀土氟化物机械强度和化学稳定性差、上转换效率低，制备工艺复杂、应用困难。
稀土氟氧化物是一种上转换材料，同时兼具稀土氟化物和稀土氧化物等上转换材料的声子能量小、上转换效率高、机械强度和化学稳定性好等优点。在硅太阳能电池中引入一层稀土离子掺杂稀土氟氧化物薄膜，可以扩展和增强硅太阳能电池吸收太阳光中红外光，提高电池光电转换效率，减少红外光对电池的破坏，延长电池寿命。
因此，本领域的技术人员致力于开发制备工艺简单，具有高上转换效率、高光电转化效率的晶体硅太阳能电池结构。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高上转换效率和高光电转化效率的新型晶体硅太阳能电池结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种可将红外光转换成可被硅太阳能电池吸收利用的可见光的，基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的新型高效晶体硅太阳能电池结构。
本发明的基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的新型高效晶体硅太阳能电池结构，是在传统硅太阳能电池的基础上，在减反射膜表面引入一层稀土离子掺杂稀土氟氧化物薄膜。由于稀土氟氧化物是兼具稀土氟化物和稀土氧化物等优点的上转换材料，其上转换效率高，机械强度和化学稳定性好。同时，稀土离子的掺杂也可进一步提高稀土氟氧化物的上转换效率，并可将太阳光中波长大于1100nm的红外光转换为可被晶体硅吸收利用的可见光。因此，在晶体硅太阳能电池结构引入稀土离子掺杂稀土氟氧化物的薄膜能增加对红外光的吸收和利用，提高硅太阳能电池的光电转换效率和上转换效率，同时减少红外光对电池的破坏，延长电池的寿命。
本发明的基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的新型高效晶体硅太阳能电池结构，包括：依次自下而上相互叠加的背电极、银铝浆薄膜、P型晶体硅层、N型晶体硅层、减反射膜、稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜、正电极。
本发明所述的背电极为条形铝电极，其厚度为10-20μm、宽度为2-3mm；采用丝网印刷工艺制得。
本发明所述的银铝浆薄膜的厚度为15-20μm，采用丝网印刷工艺制得。
本发明所述的P型晶体硅层为掺杂硼的单晶硅或多晶硅，采用高温离子扩散工艺制得。
本发明所述的N型晶体硅层为掺杂磷的单晶硅或多晶硅，采用高温离子扩散工艺制得。
本发明所述的减反射膜为氮化硅(Si3N4)或氧化硅(SiO)，膜厚为70nm；采用等离子化学气相沉积(PECVD)工艺制得。
本发明所述的稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜的激发光波长大于1100nm，发射光波长在可见光范围内；采用等离子化学气相沉积(PECVD)工艺制得。
稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜中的稀土离子为Nd3+、Yb3+、Pr3+、Ho3+、Er3+等中的一种或几种。稀土氟氧化物为稀土氧化物与稀土氟化物在800～900℃反应制得。其中，稀土离子对应的稀土氧化物为Nd2O3、Yb2O3、Pr2O3、Ho2O3、Er2O3等中的一种或几种，稀土氟化物为LaF3、YF3、LiYF4、NaYF4、K2YF5、BaYF5或BaY2F8等。
在本发明的较佳实施方式中，稀土离子为Er3+或Yb3+，稀土氟氧化物中对应的稀土氧化物为Er2O3或Yb2O3，稀土氟化物为LaF3。
在本发明的另一较佳实施方式中，稀土离子为Yb3+和Er3+，稀土氟氧化物中对应的稀土氧化物为Yb2O3和Er2O3，稀土氟化物为YF3。
本发明所述的正电极为银栅电极。其中，主线厚度为10-20μm、宽度为2-3mm；栅线的厚度为10-20μm、宽度为50μm；采用丝网印刷工艺制得。
本发明基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构能增加对红外光的吸收和利用，提高硅太阳能电池的光电转换效率，同时减少红外光对电池的破坏，延长电池的寿命。本发明的基于稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构的工艺简单，适合工业大规模生产。并且，具有本发明的电池结构的晶体硅太阳能电池的机械强度和化学稳定性好，具有高的上转换效率和光电转化效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的实施例1的晶体硅太阳能电池结构；
如图1所示，依次为自下而上相互叠加的背电极1、银铝浆薄膜2、P型晶体硅层3、N型晶体硅层4、减反射膜5、稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜6、正电极7。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，以下实施例是对本发明技术特征的支持，而不是限定。
实施例1
如图1所示，一种晶体硅太阳能电池结构，包括依次为自下而上相互叠加的背电极1、银铝浆薄膜2、P型晶体硅层3、N型晶体硅层4、减反射膜5、稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜6、正电极7。
其中，背电极1为条形铝电极，采用丝网印刷工艺制得；其厚度为10μm、宽度为2mm。银铝浆薄膜2的厚度为15μm，用丝网印刷工艺制得。
P型晶体硅层3为掺杂硼的单晶硅；N型晶体硅层4为掺杂磷的单晶硅，采用高温离子扩散工艺制得。
减反射膜5为氮化硅(Si3N4)，采用等离子化学气相沉积(PECVD)工艺制得，膜厚为70nm。
稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜6的激发光波长大于1100nm，发射光波长在可见光范围内，采用等离子化学气相沉积(PECVD)工艺制得。
稀土离子为Er3+稀土氟氧化物为稀土氧化物与稀土氟化物在800～900℃反应制得。其中，对应的稀土氧化物为Er2O3，稀土氟化物为LaF3。
正电极7为银栅电极，采用丝网印刷工艺制得。其中，主线厚度为10μm、宽度为2mm，栅线厚度为10μm、度为50μm。
实施例2
本实施例的晶体硅太阳能电池结构与实施例1基本相同，所不同的是，晶体硅太阳能电池结构中的背电极为条形铝电极的厚度为20μm，宽度3为mm。
银铝浆薄膜的厚度为20μm。
P型晶体硅层为掺杂硼的多晶硅；N型晶体硅层为掺杂磷的多晶硅。
本发明所述减反射膜为氮化硅(Si3N4)，膜厚为70nm。
稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜中稀土离子为Yb3+，稀土氟氧化物为稀土氧化物与稀土氟化物在800～900℃反应制得。其中，对应的稀土氧化物为Yb2O3，稀土氟化物为LaF3。
正电极为银栅电极，主线厚度为20μm、宽度为3mm、栅线厚度为20μm、宽度为50μm。
实施例3
本实施例的晶体硅太阳能电池结构与实施例1基本相同，所不同的是，晶体硅太阳能电池结构中的背电极的厚度为15μm，宽度为2.5mm。
银铝浆薄膜的厚度为18μm。
P型晶体硅层为掺杂硼的单晶硅基体；N型晶体硅层为掺杂磷的多晶硅。
本发明所述减反射膜为氧化硅(SiO)，膜厚为70nm。
稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜中稀土离子为Er3+、Yb3+，稀土氟氧化物为稀土氧化物与稀土氟化物在800～900℃反应制得。其中，对应的稀土氧化物为Er2O3、Yb2O3，稀土氟化物为YF3。
正电极为银栅电极，主线厚度为15μm、宽度为2.5mm、栅线厚度为15μm、宽度为50μm。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种稀土离子掺杂稀土氟氧化物的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，包括：依次自下而上相互叠加的背电极(1)、银铝浆薄膜(2)、P型晶体硅层(3)、N型晶体硅层(4)、减反射膜(5)、稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜(6)、正电极(7)；
所述背电极为条形铝电极；
所述稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜中稀土氟氧化物为稀土氧化物与稀土氟化物在800～900℃反应制得；
其中，所述稀土离子为Nd3+、Yb3+、Pr3+、Ho3+、Er3+中的一种或几种，所述的稀土氧化物为Nd2O3、Yb2O3、Pr2O3、Ho2O3、Er2O3中的一种或几种；
所述稀土氟化物为LaF3、YF3、LiYF4、NaYF4、K2YF5、BaYF5或BaY2F；
所述正电极为银栅电极。
2.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述背电极的厚度为10-20μm、宽度为2-3mm。
3.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述银铝浆薄膜厚度为15-20μm。
4.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述P型晶体硅层为掺杂硼的单晶硅或多晶硅。
5.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述N型晶体硅层为掺杂磷的单晶硅或多晶硅。
6.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述减反射膜为氮化硅或氧化硅，所述减反射膜的膜厚为70nm。
7.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述稀土离子掺杂稀土氟氧化物膜的激发光波长大于1100nm，发射光波长在可见光范围内。
8.如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池结构，其特征在于，所述正电极的主线厚度为10-20μm、宽度为2-3mm，栅线厚度为10-20μm、宽度为50μm。
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