CN105470339A - 一种纳米硅薄膜多结太阳能电池 - Google Patents

一种纳米硅薄膜多结太阳能电池 Download PDF

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宋太伟
高伟波
方祥
杨光
余文凤
张长华
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Abstract

本发明公布了一种纳米硅薄膜多结太阳能电池，包括正电极层和负电极层，在正电极层与负电极层之间设有多个P-I-N结作为光电转换层，每个P-I-N结由P型硅薄膜层、本征硅薄膜吸收层和N型硅薄膜层依次层叠组成，相邻P-I-N结之间设有耦合连接层。从顶电池到底电池，本征吸收层的厚度、折射率呈几何梯度递增，诱导光子前行，减少表面反射损失，带隙宽度依次递减，扩展对太阳光谱的吸收，降低光致衰退效应，实现电池转换效率的有效提升。

Description

一种纳米硅薄膜多结太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池技术，尤其涉及一种纳米硅薄膜多结太阳能电池。
背景技术
非晶硅光学带隙宽度为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区不敏感，这样就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。
现有的纳米硅薄膜太阳能电池不能充分吸收不同波段的太阳光能，电能转换效率低、光致衰减大及纳米硅太阳电池开路电压与填充因子较低。
非晶硅薄膜多结太阳能电池被认为是一种可实现的稳定、高效率和低成本的光电转换器件，由两个及以上PIN结构子电池串联而成。
提高太阳能电池转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：
（1）把不同禁带宽度的材料组合在一起，提高光谱的响应范围；
（2）顶电池的I层比较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证I层中的光生载流子抽出；
（3）底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰减效应减小；
（4）多结叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的；
（5）各子电池之间的耦合连接层是多结电池实现较高光电转换效率的关键因素。
发明内容
本发明的目的是解决传统硅薄膜太阳电池转换效率低、光致衰减大及纳米硅太阳电池开路电压与填充因子较低的问题，提供了一种纳米硅薄膜多结太阳能电池，改进现有电池结构和制备工艺，克服现有技术中的缺点和不足，以实现电池效率的提升。
为实现本发明的目的而提供了一种纳米硅薄膜多结太阳能电池，其结构包括正电极层和负电极层，在正电极层与负电极层之间设有多个P-I-N结作为光电转换层，每个P-I-N结由P型硅薄膜层、本征硅薄膜吸收层和N型硅薄膜层依次层叠组成，各P-I-N结的P区与N区次序相同，即所有P-I-N结的方向一致，相邻P-I-N结之间设有耦合连接层，所述的本征硅薄膜吸收层材料为由非晶硅、晶体硅和晶界组成的纳米级混合相，本征硅薄膜吸收层的光学带隙宽度随晶化率的增加从顶电池到底电池依次递减。
所述的各P-I-N结的本征硅薄膜吸收层折射率从顶电池到底电池依次递增。
所述的多结太阳能电池总厚度范围为300-10000nm，各P-I-N结厚度范围为50-2000nm，且各P-I-N结本征硅薄膜吸收层厚度从顶电池到底电池依次递增。
所述的耦合连接层为半导体材料、透明导电材料、氧化物或金属材料，厚度为0.1-200nm。
所述的半导体材料包括本征硅或碳化硅；所述透明导电材料包括TCO或ITO；所述氧化物包括Al2O3或ZnO；所述金属包括银、铜或铝。
采用本发明的有益效果：
（1）各P-I-N结之间采用纳米级良性导体薄膜作为耦合连接结构，在保持高叠加开压、较高填充因子的同时，会起到耦合放大单结P-I-N电池闭路电流密度JSC的良性作用。
（2）纳米硅薄膜多结电池中，从顶电池到底电池，各P-I-N结吸收层厚度和折射率呈几何梯度递增，是诱导光子前行减少表面反射损失的有效工艺手段。厚度匹配起全光谱耦合与增透作用，折射率递增起到吸聚光作用，因为垂直光透射率最大，前端薄膜超精细叠层结构（超晶格层）又对后端薄膜界面的反射起到折返减反的作用（有全反射效应），这是典型的诱导光子透过的泵结构。
（3）本发明的本征硅薄膜吸收层采用逐层减小的光学带隙宽度，充分吸收不同波段的太阳光能，有效提高了电池的光电转换效率，降低光致衰退效应；同时，逐层减小的光吸收层结构解决了纳米硅太阳能电池开路电压较低的问题，而且逐层减小的光学带隙宽度结构使其与P层及N层的带隙差别减小，较大程度的解决了P/I、I/N界面的光学带隙宽度失配问题，避免了异质结的界面效应。
附图说明
图1是本发明实施例的纳米硅薄膜三结太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的纳米硅薄膜双结太阳能电池包括正电极层1和负电极层3，在正电极层1与负电极层3之间设有三个P-I-N结（子电池）21、22和23作为光电转换层，P-I-N结21为顶电池，P-I-N结23为底电池。P-I-N结21由P型硅薄膜层211、本征硅薄膜吸收层212和N型硅薄膜层213依次层叠组成，P-I-N结22由P型硅薄膜层221、本征硅薄膜吸收层222和N型硅薄膜层223依次层叠组成，P-I-N结23由P型硅薄膜层231、本征硅薄膜吸收层232和N型硅薄膜层233依次层叠组成，P-I-N结21和22之间、22和23之间分别设有耦合连接层4。
耦合连接层4厚度为0.1-200nm，为半导体材料、透明导电材料、氧化物或金属材料，半导体材料包括本征硅或碳化硅；透明导电材料包括TCO或ITO；氧化物包括Al2O3或ZnO；所述的金属包括银、铜或铝。
纳米硅薄膜多结太阳能电池总厚度范围为300-10000nm，各P-I-N结厚度范围为50-2000nm，且本征硅薄膜吸收层212、222、232的厚度d依次增加，即d212<d222<d232，折射率n依次增大，即n212<n222<n232。
本征硅薄膜吸收层212、222、232材料为由非晶硅、晶体硅和晶界组成的纳米级混合相。晶体硅的光学带隙宽度为1.12eV，非晶硅的光学带隙宽度为1.7Ev，本征硅薄膜吸收层212、222、232的光学带隙宽度E随晶化率的增加从顶电池到底电池依次递减，即E212>E222>E232。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。凡未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米硅薄膜多结太阳能电池，其特征在于，包括正电极层和负电极层，在正电极层与负电极层之间设有多个P-I-N结作为光电转换层，每个P-I-N结由P型硅薄膜层、本征硅薄膜吸收层和N型硅薄膜层依次层叠组成，各P-I-N结的P区与N区次序相同，即所有P-I-N结的方向一致，相邻P-I-N结之间设有耦合连接层，所述的本征硅薄膜吸收层材料为由非晶硅、晶体硅和晶界组成的纳米级混合相，本征硅薄膜吸收层的光学带隙宽度随晶化率的增加从顶电池到底电池依次递减。
2.根据权利要求1所述的纳米硅薄膜多结太阳能电池，其特征在于，所述的各P-I-N结的本征硅薄膜吸收层折射率从顶电池到底电池依次递增。
3.根据权利要求1或2所述的硅薄膜多结太阳能电池，其特征在于，所述的多结太阳能电池总厚度范围为300-10000nm，各P-I-N结厚度范围为50-2000nm，且各P-I-N结本征硅薄膜吸收层厚度从顶电池到底电池依次递增。
4.根据权利要求1所述的纳米硅薄膜多结太阳能电池，其特征在于，所述的耦合连接层为半导体材料、透明导电材料、氧化物或金属材料，厚度为0.1-200nm。
5.根据权利要求4所述的纳米硅薄膜多结太阳能电池，其特征在于，所述的半导体材料包括本征硅或碳化硅；所述透明导电材料包括TCO或ITO；所述氧化物包括Al2O3或ZnO；所述金属包括银、铜或铝。
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