CN104241431A - 一种叠层太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叠层太阳能电池，包括至少2个子电池，各个子电池均由第一类半导体和第二类半导体组成；第一类半导体由同类半导体层上下堆叠而成，且禁带宽度从上到下递减；第一类半导体均位于第二类半导体的侧面，构成并联连接结构的子电池；金属电极位于子电池的侧面。本发明开发了一种新的叠层太阳能电池结构，其结构简单，材料种类少；此外，由于本发明的子电池是并联连接结构，因此不需要考虑电流匹配问题，对材料的要求低，工艺窗口拓宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
常规的化石燃料日益消耗殆尽，在现有的可持续能源中，太阳能无疑是一种最清洁、最普遍和最有潜力的替代能源。太阳能发电装置又称为太阳能电池或光伏电池，可以将太阳能直接转换成电能，其发电原理是：太阳光照在半导体P-N结上，形成空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，N型半导体的空穴往P型区移动，P型区中的电子往N型区移动，接通电路后就形成电流。
目前，太阳能电池的发展经历了三个阶段。以硅片为基础的“第一代”太阳能电池其技术发展已经成熟，但单晶硅纯度要求在99.999％，生产成本太高，使得人们不惜牺牲电池转换率为代价开发薄膜太阳能电池。第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池：薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95%，远高于标准太阳能电池的理论上限33%，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。业内研究者认为，第三代太阳电池必须具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还处在概念和简单的试验研究。已经提出的主要有叠层太阳能电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。
由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有25%左右。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池，又称为多结太阳电池。因此，叠层太阳能电池就是将吸收不同波长光谱的若干子电池按照吸收波长由短到长的顺序连接起来的太阳能电池。
现有技术中，叠层太阳能电池的若干子电池以串联的方式互相连接。由于每个子电池都由PN结组成，如果直接串联在一起，相邻子电池的p区与n区会形成反向的PN结，会影响甚至遏止整个太阳电池的电流传输。为了解决这一问题，现有技术通过采用了隧道结技术。隧道结是高掺杂的PN结，它是多子器件；由于有很高的掺杂浓度，隧道结扩散势垒宽度非常小；当有外加偏压时，电子可以从价带直接隧穿进入导带，形成隧道电流。在某个特定的范围内，隧道结表现出负电阻效应，即随着电压增大而电流减小。现有技术中，叠层太阳能电池主要通过机械堆叠法来制备，先制备窄禁带宽度的子太阳电池，然后把较高禁带宽度材料的依次堆叠在低带宽的电池上面。每两个子电池之间要加入隧道结，以保证电流的顺利传输。具体参见附图1~2所示（以三结叠层电池为例），其结构特点是：(1) 每个子电池由第一类半导体A和第二类半导体B组成的PN结构成，沿着入射方向依次标记A1B1，A2B2，……，且禁带宽度A1>A2>A3>……，禁带宽度B1>B2>B3>……；(2) 子电池的数目大于等于2，且子电池以串联方式连接；相邻两个子电池之间有隧道结连接；(3) 光生电流方向与光线吸收方向平行；(4) 叠层太阳能电池之间互联方式是：金属导电条跨越相邻电池的受光面和背光面，并连接金属电极，参见图2所示；这种结构下，金属导电条必然会遮挡部分受光面。
然而，上述结构的叠层太阳能电池还存在如下问题：(1) 现有的叠层太阳能电池的结构比较复杂，以三结叠层电池为例，半导体层共有8层；(2) 以三结叠层电池为例，8层不同禁带宽度的半导体层要求晶格参数接近，匹配度高，即而且要求串联的每个子电池所能产生的电流要尽可能一致；否则晶格失配度过大，有可能造成载流子复合，严重影响太阳电池的转换效率，因此对材料的要求较高；(3) 由于所有电池是逐层生长/沉积的，一旦在某些层出现缺陷瑕疵，会陆续影响后续生长/沉积的半导体层，引起整个电池低效甚至失效，因此其工艺要求较高。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种叠层太阳能电池及其制备方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种叠层太阳能电池，包括至少2个子电池，各个子电池均由第一类半导体和第二类半导体组成；第一类半导体由同类半导体层上下堆叠而成，且禁带宽度从上到下递减；第一类半导体均位于第二类半导体的侧面，构成并联连接结构的子电池；
金属电极位于子电池的侧面。
上文中，所述第一类半导体由同类半导体层上下堆叠而成，优选的，各层第一类半导体的厚度相同或相近，多层第一类半导体层的总厚度与第二类半导体的厚度相等；从而保证上下表面平整。
上述结构中，各个子电池的PN结与入射光方向垂直。
上述技术方案中，所述太阳能电池的受光面设有绒面结构。所述太阳能电池的受光面由第一类半导体和第二类半导体的受光面共同组成。
上述技术方案中，所述太阳能电池的受光面设有减反射层。
上述技术方案中，所述太阳能电池的背光面设有背反射层。背反射层的作用是使透过太阳能电池的光被背反射层反射回电池内，从而提高光的利用效率，该结构属于现有技术。
本发明同时请求保护一种叠层太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1) 采用第二类半导体B，进行表面清洗，制绒；
(2) 在上述第二类半导体B的侧面设置掩膜，并使掩膜部分遮挡第二类半导体B的侧面，预留出第一类半导体A1的位置；
(3) 在上述预留位置沉积第一类半导体A1，形成第一个PN结A1B，构成第一个子电池；
(4) 去除掩膜；在第二类半导体B和第一类半导体A1的侧面设置掩膜，并使掩膜部分遮挡第二类半导体B的侧面，预留出第一类半导体A2的位置；
所述第一类半导体A2的位置紧接于第一类半导体A1的下方；
(5) 在上述预留位置沉积第一类半导体A2，形成第二个PN结A2B，构成第二个子电池；
禁带宽度A1>A2；各个子电池之间构成并联连接结构；
(6) 参照上述步骤制备第三子电池及其他子电池；
(7) 在第一类半导体和第二类半导体的侧面分别制作金属电极，即可得到叠层太阳能电池。
上文中，第一类半导体A1、A2的制备顺序可变化，例如，可以是从上到下制备，也可以是从下到上制备。
上述技术方案中，在所述步骤(6)和(7)之间，还有如下步骤：在第一类半导体和第二类半导体的受光面上设置减反射层；在第一类半导体和第二类半导体的背光面上设置背反射层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明开发了一种新的叠层太阳能电池结构，其结构简单，材料种类少；以三结叠层电池为例，半导体层仅有4层，比现有技术中的叠层电池减少一半；此外，由于本发明的子电池是并联连接结构，因此不需要考虑电流匹配问题，对材料的要求低，工艺窗口拓宽；
2、本发明金属电极位于子电池的侧面，因而不会对受光面产生遮挡，提高了光利用率；此外，该结构在电池互联过程中显得非常简单，只需要相邻叠层电池侧面金属互联即可，无需像现有技术中采用金属导电条跨越相邻电池的受光面和背光面，从而大大简化的互联工艺，具有显著的效果和积极地现实意义；
3、本发明的制备方法简单易行，成本较低，适于推广应用。
附图说明
图1是背景技术中现有的叠层太阳能电池的结构示意图。
图2是背景技术中现有的叠层太阳能电池的互联示意图。
图3是实施例一的叠层太阳能电池的结构示意图。
图4是实施例一的叠层太阳能电池的互联示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述。
实施例一：
参见图3~4所示，一种叠层太阳能电池，包括3个子电池A1B、A2B和A3B，各个子电池均由第一类半导体和第二类半导体组成；第一类半导体由同类半导体层上下堆叠而成，且禁带宽度从上到下递减；第一类半导体均位于第二类半导体的侧面，构成并联连接结构的子电池；
金属电极位于子电池的侧面。
所述太阳能电池的受光面设有绒面结构。所述太阳能电池的受光面设有减反射层。所述太阳能电池的背光面设有背反射层。
由于本发明金属电极位于子电池的侧面，因而不会对受光面产生遮挡，提高了光利用率；此外，该结构在电池互联过程中显得非常简单，只需要相邻叠层电池侧面金属互联即可，参见图4所示，从而大大简化的互联工艺，具有显著的效果和积极地现实意义。
第一类半导体A由3个同类半导体层堆叠而成，沿着入射方向依次标记A1、A2和A3，禁带宽度A1>A2>A3。第二类半导体B分别与A1、A2和A3构成子电池的PN结，各子电池以并联方式连接，且每个子电池的PN结与入射光方向垂直。光生电流方向与光线吸收方向垂直。
上述叠层太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1) 采用第二类半导体B，进行表面清洗，制绒；
(2) 在上述第二类半导体B的侧面设置掩膜，并使掩膜部分遮挡第二类半导体B的侧面，预留出第一类半导体A1的位置；
(3) 在上述预留位置沉积第一类半导体A1，形成第一个PN结A1B，构成第一个子电池；
(4) 去除掩膜；在第二类半导体B和第一类半导体A1的侧面设置掩膜，并使掩膜部分遮挡第二类半导体B的侧面，预留出第一类半导体A2的位置；
所述第一类半导体A2的位置紧接于第一类半导体A1的下方；
(5) 在上述预留位置沉积第一类半导体A2，形成第二个PN结A2B，构成第二个子电池；
(6) 去除掩膜；在第一类半导体A1和A2的侧面设置掩膜，预留出第一类半导体A3的位置；
所述第一类半导体A3的位置紧接于第一类半导体A2的下方；
(7) 在上述预留位置沉积第一类半导体A3，形成第三个PN结A3B，构成第三个子电池；
禁带宽度A1>A2>A3；各个子电池之间构成并联连接结构；
(8) 在第一类半导体和第二类半导体的侧面分别制作金属电极，即可得到叠层太阳能电池。
Claims (6)
1.一种叠层太阳能电池，包括至少2个子电池，各个子电池均由第一类半导体和第二类半导体组成；其特征在于：第一类半导体由同类半导体层上下堆叠而成，且禁带宽度从上到下递减；第一类半导体均位于第二类半导体的侧面，构成并联连接结构的子电池；
金属电极位于子电池的侧面。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的受光面设有绒面结构。
3.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的受光面设有减反射层。
4.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的背光面设有背反射层。
5.一种叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 采用第二类半导体B，进行表面清洗，制绒；
(2) 在上述第二类半导体B的侧面设置掩膜，并使掩膜部分遮挡第二类半导体B的侧面，预留出第一类半导体A1的位置；
(3) 在上述预留位置沉积第一类半导体A1，形成第一个PN结A1B，构成第一个子电池；
(4) 去除掩膜；在第二类半导体B和第一类半导体A1的侧面设置掩膜，并使掩膜部分遮挡第二类半导体B的侧面，预留出第一类半导体A2的位置；
所述第一类半导体A2的位置紧接于第一类半导体A1的下方；
(5) 在上述预留位置沉积第一类半导体A2，形成第二个PN结A2B，构成第二个子电池；
禁带宽度A1>A2；各个子电池之间构成并联连接结构；
(6) 参照上述步骤制备第三子电池及其他子电池；
(7) 在第一类半导体和第二类半导体的侧面分别制作金属电极，即可得到叠层太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤(6)和(7)之间，还有如下步骤：在第一类半导体和第二类半导体的受光面上设置减反射层；在第一类半导体和第二类半导体的背光面上设置背反射层。
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2014
- 2014-10-11 CN CN201410534787.XA patent/CN104241431B/zh active Active
Patent Citations (5)
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