CN103378208A

CN103378208A - 太阳能电池

Info

Publication number: CN103378208A
Application number: CN2012101259832A
Authority: CN
Inventors: 颜正泰; 陈科翰; 陈浩斌
Original assignee: Du Pont Apollo Ltd
Current assignee: Du Pont Apollo Ltd
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-30

Abstract

一种太阳能电池，包括：第一太阳能电池单元，所述第一太阳能电池单元包括第一p-i-n半导体层；第二太阳能电池单元，所述第二太阳能电池单元包括第二p-i-n半导体层；以及位于所述第一太阳能电池单元和所述第二太阳能电池单元之间的中间层；其中与所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层與第二p-i-n半导体层为不同掺杂型，所述中间层为非掺杂半导体层，且所述中间层的能带隙小于两侧相接触的第一p-i-n半导体层與第二p-i-n半导体层的能带隙，可以促进中间层位置处电子和空穴的隧穿复合，从而可以提高太阳能电池的输出功率，提高太阳能电池的光转换效率。

Description

太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池。

背景技术

太阳能电池通常以固态晶体结构为特征，所述固态晶体结构在价带(valence band)和导带(conduction band)之间形成有能带隙(band gap)。

当光为具有固态晶体结构的材料所吸收时，占据低能态的电子受激发会穿过所述能带隙而到达较高能态。例如，当半导体价带中的电子从太阳辐射的光子吸收足够的能量时，它们可跃过能带隙至更高能量的导带。激发至较高能态的电子留下未占据的低能量位置或者空穴，和导带中的自由电子一样，这种空穴可在原子间移动形成电荷载流子，从而有助于晶体的导电性。半导体中吸收的大多数光子产生这种电子空穴对，这种电子空穴对产生光电流并进而产生由太阳能电池显示出的光电压。

在半导体中跨越能带隙需要克服固定量的势能差。对于待激发跃过能带隙至高能导带的处于低能价带中的电子，其必须从吸收的光子中吸收足够量的能量，该能量值至少等于跨越能带隙的势能差。而半导体对光子能量小于能带隙的辐射是透明的。因此，在单个半导体太阳能电池中，为了从太阳辐射光谱俘获尽可能多的光子，半导体需具有小的能带隙，使得即使具有较低能量的光子也可激发电子跃过能带隙。但是，具有较小能带隙的材料的使用导致装置的光电压和功率输出降低，所以存在限制。

现有技术中还发展了串叠型或者多结(级联)的太阳能电池，参考图1，示出了现有技术太阳能电池一实施例的示意图。所述太阳能电池包括玻璃基板10、位于玻璃基板上的第一太阳能电池单元1、第二太阳能电池单元2，所述第一太阳能电池单元1、第二太阳能电池单元2叠层设置且相互接触。其中第一太阳能电池单元1具有较大的能带隙并吸收较高能量的光子，而第二太阳能电池单元2具有较小的能带隙并吸收较低能量的光子，以实现光学级联效应(cascading effect)。

更多的串叠型电池的技术可参考美国专利US5,019,177。

现有的串叠型或者多结太阳能电池大部分是由不同的硅基子电池堆叠形成，比如常见的由非晶硅太阳能电池单元与微晶硅太阳能电池单元堆叠形成的串叠型太阳能电池。但是，这类太阳能电池对光的转换效率仍较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高光转换效率的太阳能电池。

为了解决上述问题，本发明提供一种太阳能电池，包括：第一太阳能电池单元，所述第一太阳能电池单元包括第一p-i-n半导体层；第二太阳能电池单元，所述第二太阳能电池单元包括第二p-i-n半导体层；以及位于所述第一太阳能电池单元和所述第二太阳能电池单元之间的中间层；其中所述中间层为非掺杂半导体层，且与所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层为不同掺杂型，所述中间层的能带隙小于所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层的能带隙。

可选地，所述中间层为单层或多层结构。

可选地，所述中间层为纳米团簇结构。

可选地，所述中间层的厚度在1至10nm的范围内。

可选地，所述中间层还包括缺陷，且所述缺陷的浓度大于或等于10¹⁶/cm³。

可选地，与所述中间层相接触的半导体层的掺杂浓度大于或等于10¹⁷/cm³。

可选地，所述中间层的材料为微晶Si、微晶Ge、微晶Si_1-xGe_x或非晶Si_1-xGe_x，其中x大于0.2。

可选地，所述中间层为Si层、Si_1-xGe_x层交替构成的多层结构，其中x大于0.2。

可选地，所述中间层为Si层、Ge层交替构成的多层结构。

可选地，所述中间层为Si_1-xGe_x阵列上设置有Ge纳米点的纳米团簇结构，其中x大于0.2。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.所述中间层的能带隙小于所述第一型掺杂的半导体层的能带隙，且小于所述第二型掺杂的半导体层的能带隙，可以促进中间层位置处电子和空穴的隧穿复合，从而可以提高太阳能电池的输出功率，进而提高了光转换效率。

2.可选方案中，所述中间层可以多层结构或纳米团簇结构，以形成多个宽度较小的势垒，这样电子或空穴比较容易穿过所述宽度较小的势垒，以进行电子、空穴的复合，从而提高太阳能电池的光转换效率。

3.可选方案中，中间层还包括缺陷，所述缺陷可以在中间层的导带和价带之间形成多个能级，电子和空穴容易到达所述多个能级，从而减小了隧穿的难度，提高了电子和空穴复合的几率，从而提高太阳能电池的光转换效率。

4.可选方案中，与所述中间层相接触的半导体层的掺杂浓度大于或等于10¹⁷/cm³，也就是说，所述第一型掺杂的半导体层和第二型掺杂的半导体层为高掺杂的半导体层，这样可以在第一型掺杂的半导体层或第二型掺杂的半导体层对应的能带中形成宽范围导带和宽范围价带，这样促进电子和空穴隧穿至中间层的位置处，从而促进电子和空穴的复合，进而提高光转换效率。

5.可选方案中，中间层的厚度在1至10nm的范围内，一方面可以避免厚度过大吸收过多的光而减小光转换率，另一方面还可以减小工艺难度。

附图说明

图1是现有技术太阳能电池一实施例的示意图；

图2是图1所示太阳能电池单元的能带示意图；

图3是本发明太阳能电池一实施例的示意图；

图4是图3所示太阳能电池的能带示意图；

图5是图3所示太阳能电池的等效电路示意图；

图6是图3所示太阳能电池单元中中间层一实施例的能带示意图；

图7是图3所示太阳能电池单元中中间层另一实施例的能带示意图；

图8是图3所示太阳能电池单元中中间层再一实施例的能带示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用不同于此处的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

为了解决背景技术中的问题，发明人对现有技术的太阳能电池进行了能带分析，参考图2，示出了图1所示太阳能电池单元的能带示意图。所述第一太阳能电池1和第二太阳能电池2在交界处形成一能带隙Eg较大的隧穿接面(Tunneling junction)12。所述能带隙Eg较大的隧穿接面12增大了电子和空穴复合的难度，从而影响了太阳能电池单元的输出功率，进而造成光转换效率的减小。

本发明提供一种太阳能电池，包括：第一太阳能电池单元，所述第一太阳能电池单元包括第一p-i-n半导体层；第二太阳能电池单元，所述第二太阳能电池单元包括第二p-i-n半导体层；以及位于所述第一太阳能电池单元和所述第二太阳能电池单元之间的中间层；其中所述中间层为非掺杂半导体层，且与所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层为不同掺杂型，所述中间层的能带隙小于所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层的能带隙。

本发明中所述中间层的能带隙小于所述第一p-i-n半导体的能带隙，且小于所述第二p-i-n半导体层的能带隙，可以促进中间层位置处电子和空穴的隧穿复合，从而可以提高太阳能电池的输出功率，进而提高了光转换效率。

参考图3，示出了本发明太阳能电池一实施例的示意图。所述太阳能电池包括玻璃衬底400，依次位于所述玻璃衬底400上的透明导电玻璃(TransparentConductive Oxide，TCO)500、第一太阳能电池单元100、中间层300、第二太阳能电池单元200，本实施例以第一太阳能电池单元100为非晶硅太阳能电池单元，第二太阳能电池单元200为微晶硅太阳能电池单元为例，但是本发明对此不做限制。

所述第一太阳能电池单元100为非晶硅太阳能电池单元，具体地，所述第一太阳能电池单元100包括依次位于玻璃衬底400上的P型掺杂的非晶硅半导体层101、缓冲层(buffer layer)102、本征非晶硅半导体层103、N型掺杂的非晶硅半导体层104，所述第一太阳能电池单元100包括第一p-i-n半导体层。

所述第二太阳能电池单元200为微晶硅太阳能电池单元，具体地，所述第二太阳能电池单元200包括依次位于玻璃衬底400上的P型掺杂的微晶硅半导体层201、本征微晶硅半导体层202、N型掺杂的微晶硅半导体层203，即所述第二太阳能电池单元200包括第二p-i-n半导体层。

所述中间层300位于所述N型掺杂的非晶硅半导体层104和所述P型掺杂的微晶硅半导体层201之间，且所述中间层300与所述N型掺杂的非晶硅半导体层104和所述P型掺杂的微晶硅半导体层201均相接触，即所述中间层300两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层为不同掺杂型。所述中间层300为非掺杂半导体层，所述中间层300的能带隙小于所述N型掺杂的非晶硅半导体层104的能带隙，且小于P型掺杂的微晶硅半导体层201的能带隙。

参考图4，示出了图3所示太阳能电池的能带示意图。具体地，对应于所述N型掺杂的非晶硅半导体层104的导带603和价带604之间的能带隙Eg1在1.7～1.9eV(电子伏特)之间，类似地，所述P型掺杂的微晶硅半导体层201的能带隙Eg2也在1.7～1.9eV之间，而所述中间层300的导带603和价带604之间的能带隙Eg3小于1.7eV，具体地，所述中间层300的能带隙Eg3大于或等于1.2eV，并且小于1.7eV。

所述中间层300的能带隙Eg3小于所述N型掺杂的非晶硅半导体层104的能带隙Eg1，也小于所述P型掺杂的微晶硅半导体层201的能带隙Eg2，这样N型掺杂的非晶硅半导体层104中的电子601，P型掺杂的微晶硅半导体层201中的空穴602容易隧穿(tunneling)至中间层300的位置处，并在具有低能隙的中间层300中进行电子、空穴的复合(recombination)，从而促进了N型掺杂的非晶硅半导体层104、所述P型掺杂的微晶硅半导体层201之间电流的形成，减小了N型掺杂的非晶硅半导体层104、所述P型掺杂的微晶硅半导体层201交界处载流子传输的能量损失。

参考图5，示出了图3所示太阳能电池的等效电路示意图。其中Rs为标示串联于第一太阳能电池单元100和第二太阳能电池单元200之间的界面电阻。

对于太阳能电池而言，其输出功率满足以下关系式：

P＝UI-I²R_s

其中，P为太阳能电池的输出功率，U为太阳能电池的输出电压，I为太阳能电池内部的电流(也就是通过第一太阳能电池单元100和第二太阳能电池单元200和界面电阻R_s的电流)。

由所述关系式可知，当R_s减小时，太阳能电池的输出功率P会增大，也就是说太阳能电池在吸收的光能不变的情况下，将光能转换为电能的部分增加，从而增大了太阳能电池的光转换效率。

具体地，所述中间层300可以是单层结构，参考图6，示出了图3所示太阳能电池单元中中间层一实施例的能带示意图。对于第一太阳能电池单元100形成的电子或者第二太阳能电池200单元形成的空穴而言之间，具有较低能带隙的中间层300形成了单个势阱(Potential Well)，电子和空穴容易隧穿(tunneling)至所述单个势阱的位置处，以进行电子、空穴的复合。

具体地，所述中间层300的材料可以是微晶Si(硅)、微晶Ge(锗)、微晶Si_1-xGe_x或非晶Si_1-xGe_x，其中x大于0.2，也就是说Ge的含量需大于20％，以使中间层200的能带隙能小于1.7eV，以小于所述N型掺杂的非晶硅半导体层104、所述P型掺杂的微晶硅半导体层201的能带隙。

所述中间层300还可以是多层结构，参考图7，示出了图3所示太阳能电池单元中间层另一实施例的能带示意图。当中间层300为多层结构时，构成中间层300的每一层半导体层均比较薄，这样可以在第一太阳能电池单元100和第二太阳能电池单元200之间形成多个宽度较小的势垒(Potential Barrier)、以及位于势垒之间的势阱，这样第一太阳能电池单元100形成的电子或者第二太阳能电池200单元形成的空穴比较容易穿过所述宽度较小的势垒而到达势阱，以进行电子、空穴的复合，从而提高太阳能电池的光转换效率。

具体地，所述中间层300可以为Si层、Si_1-xGe_x层交替构成的Si/Si_1-xGe_x/Si/Si_1-xGe_x/Si/Si_1-xGe_x......多层结构，其中x大于0.2；或者，所述中间层300还可以为Si/Ge/Si/Ge/Si/Ge......交替构成的多层结构。

所述中间层300还可以为纳米团簇结构(nanocluster)，所述纳米团簇结构中间层300的能级示意图和图7所示的多层结构中间层的能级示意图相同，提高太阳能电池光转换效率的原理也相同，在此不再赘述。

具体地，所述中间层300可以是在Si_1-xGe_x阵列(matrix)上设置有Ge纳米点的纳米团簇结构，其中x大于0.2。

以所述中间层300为微晶Si_1-xGe_x或非晶Si_1-xGe_x(x大于0.2)的材料为例，可以通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)的方法形成所述中间层300，具体地，通过在CVD设备中通入硅烷(SiH₄)和锗烷(GeH₄)以形成Si_1-xGe_x(x大于0.2)。

具体地，如果中间层300的厚度过大，会吸收过多的光而减小光转换率，而如果中间层300的厚度过小，则难以在工艺中形成所述中间层300，因此，较佳地，所述中间层300的厚度在1至10nm的范围内。

较佳地，所述中间层300中还可以包含较高浓度的缺陷(defect)，以便于促进电子和空穴的隧穿和复合。

参考图8，示出了图3所示太阳能电池单元中中间层再一实施例的能带示意图。具有高浓度缺陷的中间层300在导带和价带之间形成多个能级301，由于导带(价带)与所述多个能级301之间的能隙较小，因此电子和空穴容易到达所述多个能级301，从而提高了电子和空穴复合的几率。

需要说明的是，整体网路复合率R＝R_trap+R_bbt，其中R_bbt为能带与能带之间的隧穿复合率，R_trap为缺陷辅助的复合率，R_trap正比于缺陷浓度N_T，因此提高缺陷浓度可以提高太阳能电池的光转换效率。

具体地，所述中间层300中缺陷的浓度需大于或等于10¹⁶/cm³。

具体地，可以通过在中间层300的制造过程中引入缺陷。

例如，通过CVD形成Si_1-xGe_x(x大于0.2)时，除了向CVD设备通入反应气体(SiH₄和GeH₄)之外，还向CVD设备中通入低浓度的氢气(H₂)，具体地，氢气和反应气体(SiH₄和GeH₄)的浓度比小于100，以引入一定浓度的缺陷。

还例如，通过CVD形成Si_1-xGe_x(x大于0.2)时，以沉积速度大于1埃/秒的速度形成Si_1-xGe_x(x大于0.2)，以增加缺陷的浓度。

需要说明的是，还可以通过增加Si_1-xGe_x(x大于0.2)中Ge的含量(也就是增大x)，以增大缺陷的浓度，本发明对引入缺陷的方式不做限制。

较佳地，所述N型掺杂的非晶硅半导体层104和P型掺杂的微晶硅半导体层201可以是高掺杂的半导体层，以提高光转换效率。

请继续参考图8，当所述N型掺杂的非晶硅半导体层104和P型掺杂的微晶硅半导体层201为高掺杂的半导体层时，会形成宽范围导带302和宽范围价带303，这样处于宽范围导带302中的电子和处于宽范围价带303中的空穴较多，可以促进电子和空穴的隧穿和复合。

具体地说，高掺杂的半导体层与高浓度缺陷的中间层之间的界面电位差为V_B＝V_Tln(N_AN_D/n_i ²)，其中V_T表示热电压(thermal voltage)，N_A表示空穴浓度，N_D表示电子浓度，n_i表示本征载流子浓度第一p-i-n半导体层。空乏区宽度为W_dep＝(2V_Bε_s(1/N_A+1/N_D)/q)^0.5，其中V_B表示界面电位差，ε_s为介电常数。由此可见通过高掺杂(即N_A与N_D较大)的半导体层可以获得较小的空乏区宽度W_dep，以得到较高的电场(E＝V_B/W_dep)，从而增加隧穿几率，进而进一步提高光转换效率。

具体地，所述N型掺杂的非晶硅半导体层104的掺杂浓度和P型掺杂的微晶硅半导体层201的掺杂浓度需大于或等于10¹⁷/cm³。

虽然本发明己较佳的实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

第一太阳能电池单元，所述第一太阳能电池单元包括第一p-i-n半导体层；第二太阳能电池单元，所述第二太阳能电池单元包括第二p-i-n半导体层；以及位于所述第一太阳能电池单元和所述第二太阳能电池单元之间的中间层；

其中所述中间层为非掺杂半导体层，且与所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层为不同掺杂型的半导体层，所述中间层的能带隙小于所述中间层两侧相接触的第一p-i-n半导体层与第二p-i-n半导体层的能带隙。

2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层为单层或多层结构。

3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层为纳米团簇结构。

4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层的厚度在1nm至10nm的范围内。

5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层还包括缺陷，且所述缺陷的浓度大于或等于10¹⁶/cm³。

6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，与所述中间层相接触的半导体层的掺杂浓度大于或等于10¹⁷/cm³。

7.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层为单层结构，所述中间层的材料为微晶Si、微晶Ge、微晶Si_1-xGe_x或非晶Si_1-xGe_x，其中x大于0.2。

8.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层为Si层、Si_1-xGe_x层交替构成的多层结构，其中x大于0.2。

9.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层为Si层、Ge层交替构成的多层结构。

10.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述中间层为Si_1-xGe_x阵列上设置有Ge纳米点的纳米团簇结构，其中x大于0.2。