CN1035644C

CN1035644C - 太阳电池

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Publication number: CN1035644C
Application number: CN93102702A
Authority: CN
Inventors: 杨永清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2013-03-15
Also published as: CN1093833A

Abstract

一种能充分吸收太阳光谱中近红外线、可见光、紫外线、X射线光谱中光子，并能转换成电能的效率高、寿命长、造价低的新型太阳能电池。它由衬底1，电极B层2，电池芯H、K、Z、X、G。3、4、5、6、7，电极B层8，密封层9，防震橡胶条10，边框11组成。

Description

本发明是一种新型太阳电池。

提起太阳电池，使人很快联想起，现有的单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物太阳电池。

单晶硅太阳电池，从材料做成电池，要经过硅提纯、拉晶棒、切薄片、研磨、扩散、漏印、互联、总装、密封等很复杂的工艺流程，才能制成。材料昂贵、浪费大、工艺复杂，效率低，因此，造价很高，每瓦50元，光电转换效率仅百分之十几，寿命约十余年。

非晶硅太阳电池，虽然和单晶硅电池相比，工艺简化了，造价降低了，每瓦28元。可是，因光电转换效率太低仅5％，退化率又很高约25％以上。(如中国科学院、北京有色金属研究总院等十几个单位研制的非晶硅太阳电池，一九九一年三月十一日，在人民日报公布的研制成果)致使这些太阳电池至今不能大量推广应用。这些太阳电池效率低、寿命短、造价高的重要原因是：太阳光谱中，近红外线、可见光、紫外线、X射线几种光谱的光子都能转换成电能；而仅仅用了太阳光谱中，波长0.4～0.7μm光谱很窄的可见光发电，其余三种光谱，波长2.5～0.75μm，0.4μm～5pm范围，光子能量3～1200000eV的比可见光子能量大几十倍到40万倍的高能光子都没用上。没用上的原因是：现有太阳电池结构所致；使低能光子不能进入电池，和电池表面电极转换成热能；使高能光子很容易穿透电池，和背金属电极又转变成热能。热能使电池温升增高，产生温度效应，反过来降低了电池效率，适合材料能量正好的光子，去掉损耗，复合真正能产生电子空穴对的又不多，因此，现有太阳电池光电转换效率低。

本发明的目的，就是提供一种克服现有太阳电池不足，能充分吸收太阳光谱的近红外线、可见光、紫外线及X射线光谱中各种能量的光子，并把这些光子直接转换成电能的太阳电池。

本发明是这样实现的：

选择透光率好的透明衬底1，在透明衬底上，用化学镀膜工艺，制一层透明导电膜，做电极层2。在透明导电膜电极A上，做电池芯H、K、Z、X、G层3、4、5、6、7；在电池芯H、K、Z、X、G层膜上，用具有高反射功能和良好导电性能的材料，做金属电极层8；在电极B的表面和电池侧面四周用树脂密封做密封层9防湿防潮。

电池芯3、4、5、6、7是由多层薄膜制成的。电池芯H层3是在透明导电极层2上，用对太阳光谱波长2.5μm～400nm，光子能量0.5～3.1eV，频率1.2×10⁸MHz范围内，有强烈吸收的材料制成的。目的是，使太阳光谱中光子能量较小、频率较低、波长较长的近红外线和可见光谱中光子，都能顺利的进入电池，在禁带宽度Eg0.7～1.11eV的材料中，能很快产生电子空穴对，转换成电能。

电池芯K层4薄膜，是在电池H层3上制做的。是用对太阳光谱中，光子能量1.7～3.1eV，频率4×108^MHz～7.5×10⁸MHz，波长400nm～750nm范围内，有很好响应的材料锗(Ge)制成。目的是，使可见光谱中，中能、高能光子，在通过H层产生电子空穴对后进入K层的余能，得到充分利用，再一次产生电子空穴对把光能转换成电能。

电池芯Z层5，是在电池芯K层4上制作的。电池芯Z层使用的材料，是用对太阳光谱中，波长(λ)400nm～5pm的短波，频率1.5×10⁹～6×10¹⁰MHz的高频率和光子能量在3～1200000eV的光子有极好吸收的材料铋(Bi)制成。其目的是使紫外线、X射线的光子遇到材料铋(Bi)，都能最大限度的产生电子空穴对，更充分有效的把短波光能转变成电能。

电池芯X层6，做在电池芯Z层5上，是用禁带宽度Eg1.4eV的材料制成的。其目的使穿透电池芯前几层的短波，高频的高能光子(特别是紫外线、X射线中的高能光子在Z层产生电子空穴对之后，仍有很高的余能，穿入X层的再一次产生电子空穴对，把光子的余能转换成电能。

电池芯G层7，是在电池芯X层6上制成的。电池芯G层，是用对太阳光谱中，中波、短波都有很好响应的，禁带宽度较窄的硅材料制成的。目的是，使所有穿过电池芯上几层之后的光子，在没到电极层8前，再一次产生电子空穴对，把光能转换成电能。

在电池芯G层7上，用具有高反射性能的银(Ag)作材料，真空蒸发制膜工艺，制造金属电极层8用具有高反射性能材料银作电极B，其目的有两个：

1.把穿过电池芯后，仍有1000eV以上的高能光子，返回电池芯G、X、Z、K、H层，再一次产生电子空穴对，提高光电转换效率。

2.因银导电率高、电阻率小，为了减少电阻，减少电耗，把各层产生的电子尽量少损耗地传输出电池外。

电池密封层9，是在电极层8做完之后，在电池表面和电池侧面四周，用光聚树脂进行喷涂做成的。目的是防湿、防潮、防化学腐蚀、防氧化。

本发明太阳电池的特点，能充分吸收太阳光谱中的近红外线、可见光、紫外线、X射线的所有太阳光波，并把这些波谱中的光子能量在1.7～1200000eV的低、中、高能光子都能直接转换成电能。特别是高能光子，能几次打出电子空穴对，转换成电能。

因此，大大提高了太阳电池的光电转换效率。89年做完的样机，经国家计委组织有关专家测试结果：光电转换效率达21.6％，造价每瓦2.46元，三年多使用的结果，退化率均在2％以下，寿命可达25年。

下面结合附图，实施例，对本发明进一步详细叙述：

图1是本发明太阳电池的具体结构侧面剖视图。

图2是本发明太阳电池具体结构平面图。

图3是本发明太阳电池具体结构侧面剖视各种能量光子在相应层的动态示意图。本发明使用的衬底1，是厚度均匀、平正无痴、透光率88％以上，经过清洗、净洗、去离子、灭菌烘干，厚为3mm的浮法玻璃。

电极层2的制作方法：在透明衬底玻璃1上，用化学镀膜法，制备透明导电膜电极层2具体做法：把加温设备内衬底(玻璃)加温到500～550℃，用乙醇稀释好的四氯化锡混溶液(乙醇20ml，四氯化锡5g)，用喷具在1～1.5个大气压下，向玻璃衬底喷涂，测化学膜电阻，每块10～20Ω时，停止喷涂。待工件温度降到25℃，即可取出。此时所得膜，是低电阻率，高透光率的二氧化锡化学膜，即为电极A。

电池芯H层3，是在透明导电膜电极A上制造的。具体做法：把制好透明导电膜(电极A)的工件放在PECVD真空设备内工件托架上，垂直对准射频靶，相距20mm，功率10W/cm²，把PECVD镀膜室抽成压强100Pa(帕)，工件加温290℃，通过掺有5％乙硼烷(B₂H₆)硅烷(SiH₄)，流量每分钟50ml，沉积膜厚20A(埃)，即非晶硅膜制做完毕。

电池芯K层4是在电池芯H层3上制做的。具体方法：用真空等离子溅射设备，把做完电池芯H层的工件，放在真空溅射设备内工件架上，把锗(Ge)做成靶材，充入氩气，工作室压强10^-3Pa(帕)，溅射功率5KW，电压900V(DC)，即可实施，测膜厚80μm停止，即锗层薄膜做完。

电池芯Z层5，是在电池芯K层4上制做的。具体方法：设备真空磁控溅射镀膜机，把做完电池芯K层的工件放在磁控溅射镀膜机内工件架上，用铋(Bi)做成磁控溅射靶材，垂直对准工件，距离50mm，功率3KW，电压700V(DC)，工作压强10^-1Pa(帕)，工作温度180℃，即可实施镀膜，膜后250nm停止，铋层薄膜即做完。

电池芯X层6，是在电池芯Z层5上制做的。具体实施：是用辉光放电法制成薄膜。设备是GD-CVD真空设备。详细做法，在GD-CVD真空设备内工件架上，放上制做完电池芯Z层的工件，上下对准射频靶，相距40mm，射频电源RF13.56MHz，功率0.2W/cm²，工作压强267Pa(帕)，工件温度400℃，通入已用氢稀释好的氯化氢与氯化镓和砷化三氢混合气体，容积比3∶1.5∶2，流量每分钟100ml，沉积率每秒钟5(埃)，膜厚3μm停止，即得砷化镓薄膜。

电池芯G层7，是在电池芯X层6上制做的。具体作法：设备是PE-CVD真空镀膜机，把做完电池芯X层的工件，放在PE-CVD镀膜机内工件架上，垂直对准射频靶相距60mm，射频功率1W/cm²，工件温度350℃，工件压强10^-2Pa(帕)，通入掺有5％磷烷(PH₃)的硅烷(SiH₄)气体，流量20ml/min，沉积率4/s(埃/秒)，时间1分钟，膜厚240(埃)停止。第二层非晶硅薄膜制完。到此电池芯H、K、Z、X、G层制做完毕。

具有强反射性能的金属电极层8，在电池芯G层7上制做的。制做设备是真空蒸发镀膜机，把做完电池芯G层的工件放在真空蒸发镀膜机内的工件架上，对准蒸发源，把具有很强反射性能的银(Ag)做成细丝放在蒸发源上，工作压强10^-3Pa(帕)，工件温度380℃，加热蒸发源使银蒸发，银分子落在工件表面上成膜。厚度200(埃)，镀银膜完毕。

电池密封层9，是在电极层2和电极层8分别焊上引线，引出电池外后进行的。用光聚树脂在电池表面和电池芯四周喷涂，涂厚2μm晾干后，再涂厚3μm即可。用于防湿、防潮、防化学腐蚀。

防震橡胶条10，是U形黑色橡胶条制成的，在光聚树脂干燥后，镶在电池四周，目的是防震。

电池边框11，是茶色铝合金型材制成。套在防震橡胶条外，用直角联接器连接。至此太阳电池制做完毕。

Claims

1.一种太阳电池，包括：

透底衬底；

电极A；

在电极A上的电池芯H、K、Z、X和G，其中H、K、Z、X和G分别为P型非晶硅、锗、铋、砷化镓和N型非晶硅薄膜；

电极B；

以及在电极B表面和电池芯四周的密封层，在电池四边的防震橡胶条，套在防震橡胶条上的铝合金边框。

2.根据权利要求1所说的太阳电池，其特征在于电极A为二氧化锡(SnO₂)，制做电极所用的材料是四氯化锡(SnCl₄)。

3.根据权利要求1所说的太阳电池，其特征在于制做电池芯H的材料是掺5％的乙硼烷(B₂H₆)的硅烷(SiH₄)。

4.根据权利要求1所说的太阳电池，其特征在于制做电池芯G的材料是掺5％的磷烷(PH₃)的硅烷(SiH₄)。

5.根据权利要求1所说的太阳电池，其特征在于电极B为银(Ag)。

6.根据权利要求1所说的太阳电池，其特征在于制做密封层的材料是光聚树脂。

7.根据权利要求1所说的太阳电池，其特征在于电极A薄膜是用化学镀膜法制成的；电池芯H、K、Z、X、G和电极B薄膜是用真空镀膜设备制成的。