CN107871793A - 硅基太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基太阳能电池，包括：硅基电池本体，设置在入射光路径上的光子转换发光材料层，光子转换发光材料层包括上或下转换发光材料层；上转换发光材料层将光子进行由低到高的能量转换且发射到硅基电池本体中；下转换发光材料层将光子进行由高到低的能量转换且发射到硅基电池本体中；上转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成；下转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂氧化物薄膜材料组成。本发明还公开了一种硅基太阳能电池的制造方法。本发明能拓宽其光谱响应，提高太阳能电池的转换效率，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。

Description

硅基太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及纳米光电子器件领域，尤其是涉及一种硅基太阳能电池；本发明还涉及一种硅基太阳能电池的制造方法。
背景技术
在新能源的研究过程中，太阳能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭且无污染的绿色清洁能源，成为人类社会可持续发展的首选目标。所以，将光能直接转换成电能的太阳能电池的研究成为世界各国重点投资、大力研发的重大课题。单晶硅材料室温下带隙为1.1eV，正好落在太阳光辐射的峰值附近，有比较高的光电能量转换效率。因此，硅基太阳能电池成为目前乃至将来最具发展潜力的材料之一。
对硅太阳能电池来说，低于其禁带的低能光子不能被吸收，能量大于吸收带的短波长的紫外光虽然可以被吸收，但大部分转化为热能，未能被电池充分利用。由于光谱不匹配，单晶硅太阳能电池的光伏电池能量转换效率不高，根据肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)理论，硅太阳能电池的极限能量转化效率为30％。
目前，为了拓宽太阳能电池的光谱吸收波段，针对电池结构的研究主要包括如下两种方法：
(1)利用能带工程调控半导体的能带结构，增加具有不同带隙的材料数目以匹配太阳光谱，即构建全硅基叠层太阳能电池来解决太阳光谱能量损失，但对于单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜，该方法的实施仍存在较大的困难。
(2)根据量子尺寸效应，通过控制量子点尺寸可以调节量子点的禁带宽度，得到比单晶硅带隙大的可控宽带隙纳米硅材料。制备含有不同量子点尺寸的纳米硅结构，实现吸收范围覆盖到紫外光波段的宽波长吸收，从而提高吸收和转换效率。要在近紫外-可见光波段的光谱响应特性得到明显提高，纳米硅晶粒尺寸要达到3nm以下，对实验条件和工艺要求较高。
由上可知，利用能带工程和量子尺寸效应两种方法对实验条件和工艺要求较高，实施仍存在较大的困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基太阳能电池，能拓宽光谱响应，进而提高太阳能电池的转换效率，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。为此，本发明还提供一种硅基太阳能电池的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的硅基太阳能电池包括：
由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成。
设置在入射光路径上的光子转换发光材料层，所述光子转换发光材料层包括上转换发光材料层或下转换发光材料层。
所述上转换发光材料层将入射的光子进行由低到高的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述上转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中。
所述下转换发光材料层将入射的光子进行由高到低的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述下转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中。
所述上转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成。
所述下转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂氧化物薄膜材料组成。
进一步的改进是，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层位于所述硅基电池本体的下表面。
或者，所述光子转换发光材料层由所述下转换发光材料层组成，所述下转换发光材料层位于所述硅基电池本体的上表面。
或者，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层和所述下转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层位于所述硅基电池本体的下表面，所述下转换发光材料层位于所述硅基电池本体的上表面。
进一步的改进是，所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的基质材料为硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥，所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕、铽或镱。
所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。
进一步的改进是，所述上转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成有一层石墨烯；所述下转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成有一层石墨烯。
进一步的改进是，所述硅基电池本体的衬底为单晶硅硅片或透明导电玻璃；硅基太阳能电池还包括背电极和顶电极。
为解决上述技术问题，本发明提供的硅基太阳能电池的制造方法包括如下步骤：
步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成。
步骤二、形成光子转换发光材料层，所述光子转换发光材料层设置在入射光路径上，所述光子转换发光材料层包括上转换发光材料层或下转换发光材料层。
所述上转换发光材料层由稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成且通过工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成；所述上转换发光材料层将入射的光子进行由低到高的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述上转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中。
所述下转换发光材料层由稀土掺杂氧化物薄膜材料组成且通过工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成；所述下转换发光材料层将入射的光子进行由高到低的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述下转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中。
进一步的改进是，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层形成所述硅基电池本体的下表面。
或者，所述光子转换发光材料层由所述下转换发光材料层组成，所述下转换发光材料层形成于所述硅基电池本体的上表面。
或者，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层和所述下转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层形成于所述硅基电池本体的下表面，所述下转换发光材料层形成于所述硅基电池本体的上表面。
进一步的改进是，所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的基质材料为硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥，所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕、铽或镱；形成所述上转换发光材料层的溅射工艺条件包括：
溅射功率为：200W～1000W；衬底温度为：室温～400摄氏度；溅射压强为：0.1Pa～10Pa。
靶材为：硫氧化镧基质材料对应的靶材为镧靶、氧化镧靶和硫化镧靶，硫氧化钇基质材料对应的靶材为钇靶、氧化钇靶和硫化钇靶，硫氧化钆基质材料对应的靶材为钆靶、氧化钆靶和硫化钆靶，硫氧化镥基质材料对应的靶材为镥靶、氧化镥靶和硫化镥靶；铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，铽掺杂材料对应的靶材为铽靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。
所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱；形成所述下转换发光材料层的溅射工艺条件包括：
溅射功率为：200W～1000W；衬底温度为：室温～400摄氏度；溅射压强为：0.1Pa～10Pa。
靶材为：钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶；铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。
进一步的改进是，在形成所述所述上转换发光材料层之前还包括在所述所述上转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成一层石墨烯的步骤。
在形成所述所述下转换发光材料层之前还包括所述下转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成一层石墨烯的步骤。
进一步的改进是，形成所述上转换发光材料层的溅射工艺条件中还包括通入氧气或硫化氢气体；形成所述下转换发光材料层的溅射工艺条件中还包括通入氧气。
本发明硅基太阳能电池通过在入射光路径上设置上转换发光材料层或下转换发光材料层，通过上转换发光材料层能够将入射光中的低能光子的能量转换到硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中，通过下转换发光材料层能够将入射光中的高能光子的能量转换到硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中；所以本发明能够能拓宽光谱响应，具体说明如下：
硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区主要是可见光以及可见光附近的红外光，400nm到760nm波长之间的光为可见光，单晶硅材料的带隙为1.1eV，1.1ev对应于1127nm的光子能量，波长大于760nm小于1127nm的红外线也能被硅基电池本体的吸收，本发明通过设置上转换发光材料层后能够将波长大于1127nm的红外线转换到硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中，所以，本发明通过设置上转换发光材料层最终能够实现对波长较长的红外线的吸收并实现光电转换。
波长为10nm至400nm之间的光为紫外线，其中，太阳光谱中的高能量的边缘一般为350nm左右，紫外线以及如500nm以下的可见光的光子能量大于单晶硅的能隙即禁带宽度所以可以被Si吸收，当时这些高能量的光子被硅吸收后会激发的过热的光生载流子，过热的光生载流子的动能为紫外线的光子能量和单晶硅的禁带宽度的差，过热的光生载流子弛豫到带底时，其动能大部分转化为热能，并且在弛豫到带底的过程中，大部分的载流子被界面态复合，因此太阳辐射的短波长光未能被限于结构的电池充分利用，这样，能量较高的短波长光子不能被有效利用，其有效响应光谱最低仅能达到500nm附近，500nm波长的光子能量为2.48eV，小于500nm的短波长波段未被利用，从而导致很大的能量损失。由上可知，现有硅基太阳能电池仅能实现对如波长较短的如小于500nm的太阳光进行吸收，当时不能进行光电转换，本发明通过设置下转换发光材料层，能够将上述波长较短如200nm～400nm的太阳光进行能量转换，能量转换后的光子波长变长，从而能够被硅基电池本体吸收并进行光电转换。
所以本发明能够能拓宽光谱响应，这样也就增加了位于硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中的光子的数量，从而能提高总体的光电转换效率。
另外，本发明的上转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成，下转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂氧化物薄膜材料组成，所以本发明的上转换发光材料层和下转换发光材料层都没有采用到高温，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底材料，与当前的微电子工艺技术相兼容，也即本发明的上和下转换发光材料层都能和由微电子工艺技术形成的硅基太阳能电池相结构，而且工艺简单、成本低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明实施例一硅基太阳能电池的示意图；
图2是本发明实施例二硅基太阳能电池的示意图；
图3A至图3E是本发明实施例一的硅基电池本体五种结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例一硅基太阳能电池的示意图；本发明实施例一硅基太阳能电池包括：
由硅材料形成的硅基电池本体1，所述硅基电池本体1由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成；所述硅基电池本体1所包括的几种具体结构如下：
如图3A所示，所述硅基电池本体由1a标记，该硅基电池本体由1a由一个PN结二极管组成，其中P表示P型硅薄膜，N表示N型硅薄膜。
如图3B所示，所述硅基电池本体由1b标记，该硅基电池本体由1b由一个PIN二极管组成；其中I表示本征硅薄膜。
如图3C所示，所述硅基电池本体由1c标记，该硅基电池本体由1c由两个以上的PN结二极管叠加而成。
如图3D所示，所述硅基电池本体由1d标记，该硅基电池本体由1d由两个以上的PIN二极管叠加而成。
如图3E所示，所述硅基电池本体由1e标记，该硅基电池本体由1e由总数为两个以上的PN结二极管和PIN二极管叠加而成，也即叠加结构中既包括了PN结二极管，也包括了PIN二极管，PN结二极管和PIN二极管的总数为两个以上。
较佳选择为，所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm；所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
设置在入射光路径上的光子转换发光材料层，所述光子转换发光材料层包括上转换发光材料层3或下转换发光材料层2。图1中仅显示了一种最佳光子转换发光材料层的设置结构，也即：所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2组成，所述上转换发光材料层3位于所述硅基电池本体1的下表面，所述下转换发光材料层2位于所述硅基电池本体1的上表面。在图1所示的结构中，入射光路径和所述硅基电池本体1的上下表面垂直。在其它实施中，也能为：当所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2组成时，所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2同时叠加于所述硅基电池本体1的上表面或者同时叠加于所述硅基电池本体1的下表面。在其它实施中，也能为：所述光子转换发光材料层只由所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2中的一个组成，所述光子转换发光材料层能够位于所述硅基电池本体1的上表面或下表面；如：所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层3组成，所述上转换发光材料层3位于所述硅基电池本体1的下表面；或者，所述光子转换发光材料层由所述下转换发光材料层2组成，所述下转换发光材料层2位于所述硅基电池本体1的上表面。
上述各种所述光子转换发光材料层的设置结构中，将所述下转换发光材料层2位于所述硅基电池本体1的上表面的一个优点是，能够在入射光进入到所述硅基电池本体1之前对短波长进行转换，从而避免短波长直接进入所述硅基电池本体1后被吸收且发热。将所述上转换发光材料层3位于所述硅基电池本体1的下表面的一个优点是，能够将入射光中穿过所述硅基电池本体1的不被吸收的长波长光进行转换，从而能在不影响所述硅基电池本体1对光吸收的前提下增加所述硅基电池本体1吸收的光谱范围并进行光电转换。当然将所述上转换发光材料层3位于所述硅基电池本体1的上表面或者将所述下转换发光材料层2位于所述硅基电池本体1的下表面也是可行的，如将所述下转换发光材料层2位于所述硅基电池本体1的下表面同样能够实现不影响所述硅基电池本体1对入射光的吸收。
图1所示的本发明实施例结构中，入射光路径和所述硅基电池本体1的上下表面垂直，故所述上转换发光材料层3或所述下转换发光材料层2都是依据所述硅基电池本体1的上下表面进行设置。如果入射光路径和所述硅基电池本体1的表面结构关系为其它结构，则所述上转换发光材料层3或所述下转换发光材料层2能够依据其它结构的入射光路径进行设置，如果入射光路径和所述硅基电池本体1的相应的侧面垂直，则所述上转换发光材料层3或所述下转换发光材料层2能够依据所述硅基电池本体1的相应的侧面进行设置。
本发明实施例一结构中，所述上转换发光材料层3将入射的光子进行由低到高的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体1中，所述上转换发光材料层3发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体1的进行光电转换的光谱吸收区中。所述上转换发光材料层3主要是将不能被所述硅基电池本体1吸收的红外线如大于1127nm的红外线转换到所述硅基电池本体1的进行光电转换的光谱吸收区。
所述下转换发光材料层2将入射的光子进行由高到低的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体1中，所述下转换发光材料层2发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体1的进行光电转换的光谱吸收区中。入射光为太阳光，所述下转换发光材料层2主要是将太阳光中虽然会被所述硅基电池本体1吸收但是仅会发热而不能实现光电转换的光转换到即能被吸收也能进行光电转换的光谱区域中，如将200nm～400nm的太阳光进行能量转换到所述硅基电池本体1的进行光电转换的光谱吸收区中。
所述上转换发光材料层3由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成。较佳为，所述上转换发光材料层3的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的基质材料为硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥，所述上转换发光材料层3的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕、铽或镱；
所述下转换发光材料层2由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂氧化物薄膜材料组成。较佳为，所述下转换发光材料层2的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料层2的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。
由上可知，本发明实施例一的上转换发光材料层3和下转换发光材料层2都没有采用到高温，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底材料，与当前的微电子工艺技术相兼容，且工艺简单、成本低。较佳为，所述硅基电池本体1的衬底为单晶硅硅片或透明导电玻璃；
硅基太阳能电池还包括背电极4和顶电极5。所述背电极4和所述硅基电池本体1的下表面的硅直接接触，所述顶电极5和所述硅基电池本体1的上表面的硅直接接触。所述背电极4和所述硅基电池本体1的下表面的硅接触的区域在图1中没有示意出，所述顶电极5和所述硅基电池本体1的上表面的硅接触的区域在图1中没有示意出。在本发明实施例一中，所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2和对应的所述硅基电池本体1之间仅进行光子耦合，并进行电学耦合；本发明实施例一是通过所述背电极4和所述顶电极5和对应的所述硅基电池本体1的表面的硅电接触从而引出对应电极。
所述背电极4采用透明导电玻璃(Transparent Conductive Oxide,TCO)电极或金属电极，所述顶电极5采用透明导电玻璃电极。较佳为，本发明实施例一中的透明导电玻璃电极采用掺铝氧化锌(AZO)。
由稀土离子激活，尤其是Eu3+、Tb3+、Yb3+等离子激活的硫氧化物如硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥作为一种重要的上转换材料，以及由Bi+3、Eu3+、Yb3+等离子激活的钒酸钇等的下转换材料，其物理化学稳定性优异、不溶于水、高熔点、强抗氧化性及较高的光吸收效率、能量转化率、无毒等优点，目前已经广泛用于太阳能电池增效转光材料、激光材料及光催化材料等在内的领域。同时，稀土掺杂的发光材料化学稳定性好，无背景干扰等，这些优点使其成为最有潜力的新一代太阳能电池材料。但是现有技术中在制备上转换和下转换发光材料的方法中，都要在高温条件下进行，往往导致产物颗粒均匀性和分散性不够，合成成本高，并且不能够与硅基太阳能电池工艺相结合。本发明实施例一中的所述上转换发光材料层3由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成，所述下转换发光材料层2由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂氧化物薄膜材料组成，也即本发明采用磁控溅射，能实现较在低温度如<400℃的条件下制备上转换和下转换发光材料，从而能够有效的与硅基太阳能电池制备工艺相结合，从而能够实现利用上转换和下转换发光材料能够对光子能量进行转换并转换到有利于硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中，这样能够能拓宽光谱响应，这样也就增加了位于硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中的光子的数量，从而能提高总体的光电转换效率；所以本发明实施例一很好的实现了上转换和下转换发光材料与当前的微电子工艺技术相兼容，从而能将上和下转换发光材料层和由微电子工艺技术形成的硅基太阳能电池相结构结合在一起并形成一个很好的组合结构，这种组合结构是现有技术无法实现的，而且本发明实施例一工艺简单、成本低。
如图2所示，是本发明实施例二硅基太阳能电池的示意图；本发明实施例二器件和本发明实施例一器件的区别之处为：所述上转换发光材料层3和对应的所述硅基电池本体1的表面之间形成有一层石墨烯6b；所述下转换发光材料层2和对应的所述硅基电池本体1的表面之间形成有一层石墨烯6a。石墨烯6a能够使所述下转换发光材料层2和对应的所述硅基电池本体1的表面之间有效结合，减少载流子在界面的复合。石墨烯6b能够使所述上转换发光材料层3和对应的所述硅基电池本体1的表面之间有效结合，减少载流子在界面的复合。
本发明实施例一种硅基太阳能电池的制造方法用于形成图1所示的本发明实施例一器件结构，包括如下步骤：
步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体1，所述硅基电池本体1由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成。较佳为，所述硅基电池本体1的衬底为单晶硅硅片或透明导电玻璃。
制备过程中，采用平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长系统，反应气源采用硅烷(SiH4)、磷烷(PH3)或硼烷(B2H6)气体，分别制备本征(硅烷)、N型(硅烷加磷烷)和P型(硅烷加硼烷)硅薄膜材料，并形成PN结或PIN结。所述衬底为单晶硅片或透明导电玻璃，并放置在反应腔内接地的金属阳极板上。制备时的其它若干工艺条件如下：
功率源频率：13.56MHz；
功率密度：0.32W/cm2～0.53W/cm2；
衬底温度：室温～400℃；
薄膜厚度：本征硅薄膜100nm～2000nm，N型硅薄膜20nm～100nm，P型硅薄膜20nm～100nm范围内可调。
当所述硅基电池本体1由一个PN结二极管组成时，只进行一次P型硅薄膜和一次N型硅薄膜生长即可，如图3A所示。
当所述硅基电池本体1由一个PIN二极管组成时，只进行一次P型硅薄膜、一次本征硅薄膜和一次N型硅薄膜生长即可，如图3B所示。
当所述硅基电池本体1由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成时，则根据需要进行一次以上的P型硅薄膜、本征硅薄膜或N型硅薄膜生长，如图3C-3E所示。
步骤二、形成光子转换发光材料层，所述光子转换发光材料层设置在入射光路径上，所述光子转换发光材料层包括上转换发光材料层3或下转换发光材料层2。图1所对应的结构中，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2组成，所述上转换发光材料层3形成于所述硅基电池本体1的下表面，所述下转换发光材料层2形成于所述硅基电池本体1的上表面。
所述上转换发光材料层3由稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成且通过工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成；所述上转换发光材料层3将入射的光子进行由低到高的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体1中，所述上转换发光材料层3发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体1的进行光电转换的光谱吸收区中。
所述上转换发光材料层3的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的基质材料为硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥，所述上转换发光材料层3的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕、铽或镱。所述上转换发光材料层3的制备的详细工艺为：
在所述硅基电池本体1的下表面，采用超高真空多靶磁控溅射设备的共溅射室制备稀土掺杂硫氧化物薄膜材料。采用高纯钇靶(或其他稀土靶材)和高纯氧化钇靶(或氧化镥等其他氧化物靶材)和高纯硫化钇(或硫化镥等其他稀土硫化物)靶，另通入高纯氧气或硫化氢气体处理和优化本体硫氧化物，同时采用高纯铕靶材(或铽、镱等稀土靶材)对本体硫氧化物进行稀土掺杂；本发明第一实施例方法中所述上转换发光材料层3的具体靶材的选择根据对应的基质材料和掺杂材料进行选取，如靶材为：硫氧化镧基质材料对应的靶材为镧靶、氧化镧靶和硫化镧靶，硫氧化钇基质材料对应的靶材为钇靶、氧化钇靶和硫化钇靶，硫氧化钆基质材料对应的靶材为钆靶、氧化钆靶和硫化钆靶，硫氧化镥基质材料对应的靶材为镥靶、氧化镥靶和硫化镥靶；铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，铽掺杂材料对应的靶材为铽靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。
溅射气体为高纯氩气，本底真空度优于4.0×10-4Pa。
制备中的具体工艺条件为：
溅射功率：200W～1000W；
衬底温度：室温～400摄氏度；
溅射压强：0.1Pa～10Pa。
所述下转换发光材料层2由稀土掺杂氧化物薄膜材料组成且通过工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成；所述下转换发光材料层2将入射的光子进行由高到低的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体1中，所述下转换发光材料层2发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体1的进行光电转换的光谱吸收区中。
所述下转换发光材料层2的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料层2的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱；所述下转换发光材料层2的制备的详细工艺为：
在所述硅基电池本体1的上表面，采用超高真空多靶磁控溅射设备的共溅射室制备稀土掺杂硫氧化物薄膜材料。采用高纯氧化钒靶(或氧化铌等其他稀土氧化物靶材)和高纯氧化钇靶(或氧化钆等其他稀土氧化物)，另通入高纯氧气处理和优化发光基质的结构和性能，同时采用高纯镱靶材(或铋、铕等稀土靶材)对进行发光基质稀土掺杂。本发明第一实施例方法中所述下转换发光材料层2的具体靶材的选择根据对应的基质材料和掺杂材料进行选取，如靶材为：钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶；铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。
溅射气体为高纯氩气，本底真空度优于4.0×10-4Pa。
制备中的具体工艺条件为：
溅射功率：200W～1000W；
衬底温度：室温～400摄氏度；
溅射压强：0.1Pa～10Pa。
在图1所示的结构的变换结构中，所述上转换发光材料层3和所述下转换发光材料层2的形成工艺不变。
之后还包括如下步骤：
步骤三、形成由透明导电电极组成的顶电极3。所述顶电极5和所述硅基电池本体1的上表面的硅直接接触。
较佳为，在透明导电电极的制备中，采用掺铝氧化锌(AZO)(或者石墨烯等)作为电池的顶电极3。
在实施过程中，能采用掺铝氧化锌(AZO)作为透明导电电极，并采用磁控溅射法进行制备，溅射起源为氩气Ar，AZO靶材的质量百分比为2％。制备中的具体工艺条件为：
溅射功率：200W～400W；
衬底温度：250℃～400℃；
溅射压强：1Pa～10Pa；
薄膜厚度：200nm～400nm。
步骤四、在所述硅基电池本体1的背面形成背电极4。所述背电极4和所述硅基电池本体1的下表面的硅直接接触。所述背电极4采用透明导电玻璃(Transparent ConductiveOxide,TCO)电极或金属电极。
本发明实施例二硅基太阳能电池的制造方法用于形成如图2所示的本发明实施例二的器件，本发明实施例二硅基太阳能电池的制造方法和本发明实施例一制造方法的区别之处为：本发明实施例二制造方法还包括：
在形成所述所述上转换发光材料层3之前还包括在所述所述上转换发光材料层3和对应的所述硅基电池本体1的表面之间形成一层石墨烯6b的步骤；
在形成所述所述下转换发光材料层2之前还包括所述下转换发光材料层2和对应的所述硅基电池本体1的表面之间形成一层石墨烯6a的步骤。
石墨烯6a和6b的形成工艺相同，具体工艺为：
采用平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积作为生长系统，反应气源采用甲烷(CH4)和氢气(H2)，制备时的工艺条件如下：
功率源频率：13.56MHz；
射频功率：200W～1000W；
衬底温度：室温～400℃。
由上可知，本发明实施例一和二的方法的优点在于：在实施中方便快捷，操作简单，无需昂贵的成本。制备过程简单，没有高温处理过程，可在小于400℃的低温下进行，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底材料，与当前的微电子工艺技术相兼容；
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅基太阳能电池，其特征在于，包括：
由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成；
设置在入射光路径上的光子转换发光材料层，所述光子转换发光材料层包括上转换发光材料层或下转换发光材料层；
所述上转换发光材料层将入射的光子进行由低到高的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述上转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中；
所述下转换发光材料层将入射的光子进行由高到低的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述下转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中；
所述上转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成；
所述下转换发光材料层由工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成的稀土掺杂氧化物薄膜材料组成。
2.如权利要求1所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层位于所述硅基电池本体的下表面；
或者，所述光子转换发光材料层由所述下转换发光材料层组成，所述下转换发光材料层位于所述硅基电池本体的上表面；
或者，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层和所述下转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层位于所述硅基电池本体的下表面，所述下转换发光材料层位于所述硅基电池本体的上表面。
3.如权利要求1所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的基质材料为硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥，所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕、铽或镱；
所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。
4.如权利要求1或2或3所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述上转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成有一层石墨烯；所述下转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成有一层石墨烯。
5.如权利要求1或2或3所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述硅基电池本体的衬底为单晶硅硅片或透明导电玻璃；
硅基太阳能电池还包括背电极和顶电极。
6.一种硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成；
步骤二、形成光子转换发光材料层，所述光子转换发光材料层设置在入射光路径上，所述光子转换发光材料层包括上转换发光材料层或下转换发光材料层；
所述上转换发光材料层由稀土掺杂硫氧化物薄膜材料组成且通过工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成；所述上转换发光材料层将入射的光子进行由低到高的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述上转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中；
所述下转换发光材料层由稀土掺杂氧化物薄膜材料组成且通过工艺温度低于400摄氏度的溅射工艺形成；所述下转换发光材料层将入射的光子进行由高到低的能量转换且将能量转换后的光子发射到所述硅基电池本体中，所述下转换发光材料层发射的能量转换后的光子能量位于所述硅基电池本体的进行光电转换的光谱吸收区中。
7.如权利要求6所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层形成所述硅基电池本体的下表面；
或者，所述光子转换发光材料层由所述下转换发光材料层组成，所述下转换发光材料层形成于所述硅基电池本体的上表面；
或者，所述光子转换发光材料层由所述上转换发光材料层和所述下转换发光材料层组成，所述上转换发光材料层形成于所述硅基电池本体的下表面，所述下转换发光材料层形成于所述硅基电池本体的上表面。
8.如权利要求6所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的基质材料为硫氧化镧、硫氧化钇、硫氧化钆或硫氧化镥，所述上转换发光材料层的稀土掺杂硫氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕、铽或镱；形成所述上转换发光材料层的溅射工艺条件包括：
溅射功率为：200W～1000W；衬底温度为：室温～400摄氏度；溅射压强为：0.1Pa～10Pa；
靶材为：硫氧化镧基质材料对应的靶材为镧靶、氧化镧靶和硫化镧靶，硫氧化钇基质材料对应的靶材为钇靶、氧化钇靶和硫化钇靶，硫氧化钆基质材料对应的靶材为钆靶、氧化钆靶和硫化钆靶，硫氧化镥基质材料对应的靶材为镥靶、氧化镥靶和硫化镥靶；铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，铽掺杂材料对应的靶材为铽靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶；
所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料层的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱；形成所述下转换发光材料层的溅射工艺条件包括：
溅射功率为：200W～1000W；衬底温度为：室温～400摄氏度；溅射压强为：0.1Pa～10Pa；
靶材为：钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶；铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。
9.如权利要求6或7或8所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：在形成所述所述上转换发光材料层之前还包括在所述所述上转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成一层石墨烯的步骤；
在形成所述所述下转换发光材料层之前还包括所述下转换发光材料层和对应的所述硅基电池本体的表面之间形成一层石墨烯的步骤。
10.如权利要求8所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：形成所述上转换发光材料层的溅射工艺条件中还包括通入氧气或硫化氢气体；形成所述下转换发光材料层的溅射工艺条件中还包括通入氧气。
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