CN107994080A - 一种光电转换组合体、太阳能电池及供电设备 - Google Patents
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Abstract
一种光电转换组合体、太阳能电池及供电设备，属于电池领域。光电转换组合体包括：背电极、钝化层、硅基材、减反调节层、石墨烯以及表面电极。背电极、钝化层、硅基材、减反调节层、石墨烯以及表面电极依次布置。表面电极形成于由穿孔暴露的硅基材，且表面电极与石墨烯结合，且表面电极与硅基材形成欧姆接触。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种光电转换组合体、太阳能电池及供电设备。
背景技术
随着地球资源的不断消耗以及环境问题的日益突出，人们更倾向于需求能够更少地引起环境问题的新能源。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，在新能源的研究中占有重要的地位，并且也因此成为人类社会可持续发展的首选目标。所以，如更好地利用光能，例如将光能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。其中，硅基太阳能电池已经成为一种最具发展潜力的太阳能研究方向。
围绕太阳能电池的主要研究难点是如何提高光电转换效率。目前解决太阳光谱能量在低波段损失的方法主要有如下两种情况：(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未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。然而，一种简单、更易实现的太阳能电池性能提升的解决方案仍是亟待解决的问题。
发明内容
为改善、甚至解决现有技术中的至少一个问题，本发明提出了一种光电转换组合体、太阳能电池及供电设备。
本发明是这样实现的：
在第一方面，本发明实施例的提供了一种光电转换组合体。
光电转换组合体包括：
背电极；
由二氧化硅形成的钝化层，所述钝化层形成于所述背电极；
硅基材，硅基材以P型掺杂区邻近钝化层的方式形成于钝化层，硅基材两个相对的表面均被构造有陷光结构，背电极通过贯穿钝化层而与硅基材形成欧姆接触；
由二氧化硅形成的减反调节层，减反调节层以邻近硅基材的N型掺杂区的方式形成于硅基材，减反调节层具有贯穿并能够暴露硅基材的表面的穿孔；
形成于减反调节层表面以及通过穿孔暴露的硅基材的石墨烯，石墨烯与硅基材构成肖特基接触的肖特基异质结，且硅基材与石墨烯接触的表面经过了钝化处理以形成陷光结构；
表面电极，表面电极形成于由穿孔暴露的硅基材，且表面电极与石墨烯结合，且表面电极与硅基材形成欧姆接触。
在其他的一个或多个示例中，陷光结构为粗糙层。
在其他的一个或多个示例中，粗糙层具有绒面结构、锥形纳米结构。
在其他的一个或多个示例中，表面电极呈梳状或S型布置。
在其他的一个或多个示例中，表面电极采用金、银、钛、铂、镍、导电氧化物中任一种制作而成。
在其他的一个或多个示例中，硅基材是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的任意一种。
在其他的一个或多个示例中，减反调节层形成至硅基材的内部，减反调节层向硅基材内部延伸的深度为1.0～1.6微米，石墨烯为单层或多层且总厚度为30～60nm。
在第二方面，本发明实施例提供了一种太阳能电池。
太阳能电包括如前述的光电转换组合体。
在其他的一个或多个示例中，太阳能电池还还包括玻璃面板，玻璃面板形成于表面电极的表面。
在第三方面，本发明实施例提供了一种供电设备。
供电设备包括匹配连接的供电接口和电池组。电池组包括至少一个如前述的太阳能电池。当太阳能电池的数量为两个及以上时，各个太阳能电池之间串联或并联。
有益效果：
本发明实施例提供的光电转换组合体通过在结构上进行优化，提供一种可行的太阳能电池改进方案。其中，减反调节层可以减少入射阳光的反射损失，使得更多的太阳光能够被利用。钝化层同样可以起到减少太阳光的光损失，提高长波长背反射效果，增加载流子数量。此外，钝化层还能够减少载流子的复合。石墨烯与硅基形成的异质结能够更好地分离光生载流子。通过复合硅基PN结以及石墨烯与硅基的异质结的光电转换组合体的结构，可以在一定程度上促进载流子的有效传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的第一种光电转换组合体的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种光电转换组合体的结构示意图；
图3示出了图2提供的光电转换组合体的剖视结构示意图。
图标：100-光电转换组合体；200-光电转换组合体；101-背电极；102-钝化层；103-硅基材；103a-硅基材；104-减反调节层；104a-减反调节层；105-石墨烯；106-表面电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。
硅基太阳能电池是太阳能利用的一个重要的研究热点。硅基太阳能电池主要是基于硅半导体的。硅基太阳能电池主要通过光生伏特效应发电。现有的硅基太阳能电池主要有PN结类型的电池以及改进的PIN结类型的电池。
现有的硅基太阳能电池虽然已经取得一定研究成果，但是，电池的光电转换效率还是不够理想。因此，现有技术中探索了多种改善电池的效率的方法，例如对半导体的纯度改进，或微观结构进行改进(如单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅等)。另外，还有一些太阳能电池着眼于采用其他材料代替或部分地代替硅半导体，例如，砷化镓太阳能电池，或锑化铬太阳能电池。
有别于现有技术中的改进方式，本发明中，采用了一种双结的太阳能电池，其具有PN结(硅同质结)和石墨烯-硅异质结的结构。
以下结合附图对本发明实施例提供的一种光电转换组合体、太阳能电池及供电设备进行更详细的阐述。
参阅图1至图3。
光电转换组合体100包括背电极101、钝化层102、硅基材103、减反调节层104、石墨烯105以及表面电极106。
所述的光电转换组合体100是一种层叠且具有竖直结构的组合体。光电转换组合体100中的各个结构之间具有物理和电学意义上的接触。
其中，背电极101。背电极101通常被设置为片式结构或者薄膜结构，且厚度可以是30～300mm，如40mm、50mm、60mm、120mm，或230mm。背电极101可以被采用为银电极，但是，其与硅基材103直接接触时，容易导致载流子在硅基材103表面的复合，从而影响电池效率。更好地，背电极101常常被选用为铝电极，通过铝浆形成。或者，背电极101也可以采用镍，或锡，或金，或铜，或钼等材料制作而成。
优选地，背电极101被选择用为铝材料，并且通过溅射等方式形成铝背场。因此，铝背场也可以作为背电极101的一部分来收集载流子，减少复合。
钝化层102形成在背电极101上。钝化层102通常是以薄膜的形式来体现的，即薄膜结构的钝化层102与背电极101的表面相结合。钝化层102可采用氮化硅，或二氧化硅制作而成。但是，作为一种更优的选择，在本发明实施例中，钝化层102被特别地选择使用为二氧化硅，从而使得在制备背电极101时，背电极101可以穿过该钝化层102而与硅基材103的P型区向作用，形成背场结的结构。另外，二氧化硅可以使硅基材103的表面的悬挂键被饱和，从而改变硅基材103与二氧化硅材质的钝化层102之间的界面状态，减少载流子复合。钝化层102被以较高的反射率材质所选择而制作，其可以有效增加长波光的背反射效果，从而增加光生载流子的数量。
较佳地，所述的钝化层102可以对短波长光产生吸收，常常，其禁带的宽度大于硅基材103的禁带宽度。
本发明中所述及的光电转换组合体100是基于硅材料的，其中的主体部分由硅基材103构成。硅基材103可以被选择为单晶硅，或多晶硅，或非晶硅等。硅基材中通过不同的掺杂方式形成有P型掺杂区和N型掺杂区，以形成PN结。本发明中实施例中，硅基材103是通过在块状的P型单晶硅上掺杂形成N型掺杂区。因此，在本发明实施例中，硅基材103是以P型掺杂区邻近钝化层102的方式形成于钝化层102的。
硅基材103与背电极101是形成了欧姆接触的，本实施例中，硅基材103是与背电极101直接的物理接触以形成欧姆接触的，即背电极101通过贯穿钝化层102而与硅基材103(P型区)形成欧姆接触。背电极101与硅基材103接触可以是通过背电极101的一部分(特别地形成连接部位)，或者通过作为背电极101的一部分的中间接触件(金属柱如银材质的柱体、金材质的柱体)。换言之，这样的与硅基材接触的部分可以具有与背电极101相同的材质，或者也可以具有与背电极101不同的材质。同时，钝化层102也可以相应设置通孔以供前述的背电极101的一部分穿过，而允许与硅基材103接触。
进一步地，硅基材103的相对的两个表面均被构造有陷光结构。所述相对的两个表面是指硅基材103的朝向入射光线的迎光面和背向入射光线的背光面。硅基材103是在所述的迎光面和背光面之间延伸的片材。其中，迎光面邻近N型区，背光面邻近P型区。
陷光结构可以使得入射至前述迎光面，以及折射至背光面的光线被经过多次地发射和折射，从而使得光线能更多地产生光生载流子，从而提高光能的利用率。较佳地，陷光结构为粗糙层。避免光滑的表面，可以减少镜面发射，使得更多的入射光线进入光电转换体内部。更优选的选择是，粗糙层具有绒面结构、锥形纳米结构。
减反调节层104以邻近硅基材103的N型掺杂区的方式形成于硅基材103，且减反调节层104由二氧化硅制作而成。减反调节层104可以作为保护层，对硅基材103形成保护，同时还能够减少入射光线的发射损失。减反调节层104具有贯穿并能够暴露硅基材103的表面的穿孔，以便与石墨烯105、表面电极106的设置。
更好地，在本发明实施例提供的另一种光电转换组合体200中，减反调节层104a形成至硅基材103a的内部(如图2所示)，减反调节层104向硅基材内部延伸的深度为1.0～1.6微米，例如，1.2微米、1.3微米、1.5微米。
石墨烯105形成于减反调节层104表面以及通过穿孔暴露的硅基材103，因此，石墨烯105的部分是与硅基材103(N型区)物理接触。石墨烯105与硅基材103构成肖特基接触的肖特基结，同时也形成了一种异质结。且硅基材103与石墨烯105接触的表面经过了钝化处理以形成前述的陷光结构。石墨烯105可以为单层或多层，且总厚度为30～60nm，如35nm、42nm、54nm、58nm。应当认识到，附图中各个层的厚度仅仅是作为示意而给出，各层的厚度可以根据需要被适当地调整。另外，图中的各层的相对厚度也不应被认为是一种唯一的实现方案的限定。
表面电极106形成于由穿孔暴露的硅基材103，且表面电极106与石墨烯105结合，且表面电极106与硅基材103形成欧姆接触。表面电极106可以是穿过石墨烯105而与硅基材103接触的。
表面电极106可以选择使用电导率大于背电极101的材料制作而成，换言之，表面电极106的电导率也是常常大于背电极101的电导率。一般地，表面电极106常常可以采用银材质制作而成，或者表面电极106采用金、钛、铂、导电氧化物、镍中任一种制作而成。另外，基于避免表面电极106对入射光线的妨碍，表面电极106常常可以被设置为梳状或S型布置，以便在获得更大的接触面积的同时，获得更多的入射光。
为了使本领域技术人员能够更方便地实施本发明提出的光电转换组合体100，以下对其制作方法作阐述。
步骤一、在单晶硅(衬底)上进行掺杂，以便形成具有P型硅，然后进行N型掺杂，形成具有PN结的硅基材103。所述的硅基材103具有一个PN结。具体地，通过等离子体化学气相沉积的方式在衬底(作为阳极)上分别通过硼源(如磷烷PH3)、磷源(BnHn+4，或BnHn+6)掺杂磷、硼。
步骤二、在硅基材103的两个相对的表面进行织构化处理，以形成陷光结构。具体地，通过湿法制绒使用碱性溶液(例如：KOH、NaOH)进行一定时间的各向异性腐蚀。
步骤三、在硅基材103的P型区表面通过氧化形成钝化层102。以氧气为气源通过等离子体化学气相沉积形成SiO2(常常为SiOx)层。
步骤四、通过蚀刻在钝化层102形成连通硅基材103的孔，在孔中制备金属导电柱，再于钝化层102制备背电极101。
步骤五、在硅基材103的N型区表面通过氧化形成介电材料。以氧气为气源通过等离子体化学气相沉积形成SiO2层形成减反调节层104。进一步地，蚀刻减反调节层104以暴露部分的硅基材103的N型区。
步骤六、在减反调节层104的表面以及暴露的硅基材103表面制备石墨烯105。石墨烯105可通过等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)制备。
步骤七、在石墨烯105上制备表面电极106，并且使表面电极106与硅基材103的N型区接触。
经验证，本发明实施例提出的光电转换组合体的光电转换效率大致可以达到17～19％。
基于以上的光电转换组合体100，本发明实施例中还提供了一种太阳能电池。太阳能电池包括如前述的光电转换组合体100。
进一步地，太阳能电池还还包括玻璃面板。玻璃面板形成于表面电极106的表面。玻璃面板可对内部光电转换组合体100内部的不同构件起到保护作用，同时也不会显著地限制入射光线。
更进一步地，太阳能电池具有用于封装光电转换组合体100的外壳。此外，外壳还可以设置接触电极，接触电极具有与背电极101电连接的第一电极、与表面电极106电连接的第二电极。
第一电极、第二电极被是以更易于使用和组织(制造)的方式来形成。例如，第一电极、第二电极分别通过一端采用适当的电缆连接至背电极101、表面电极106，第一电极、第二电极的另一端被包裹设置在橡胶、塑料等绝缘的材料内，以形成插座结构的方式构造。
本发明中所述的太阳能电池也可以作用对各个功能层的减薄形成一种薄膜太阳能电池。
作为另一种光电转换组合体100的用例，本发明实施例中，还提供了一种供电设备。
供电设备包括匹配连接的供电接口和电池组。其中的电池组包括至少一个前述的太阳能电池。当电池组中的太阳能电池的数量为两个及以上时，各个太阳能电池之间串联或并联。
应当说明的是，前述的供电接口可以数据和电源两用的接口，如USB接口，或者为改进型的USB Type-C结构等等。另外，供电接口常常连接有芯片、设置控制器、稳压模块等等。进一步地，供电设备还可以设置电量显示器。电量显示器可以通过文字或色彩，或其组合来指示太阳能电池的当前电量。更进一步，供电设备还可设置警告单元，用以在电量低于预设值是发出报警信号。所述的报警信号可以是声音信号、光信号、或者震动信号等等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电转换组合体，其特征在于，包括：
背电极；
由二氧化硅形成的钝化层，所述钝化层形成于所述背电极；
硅基材，所述硅基材以P型掺杂区邻近所述钝化层的方式形成于所述钝化层，所述硅基材两个相对的表面均被构造有陷光结构，所述背电极通过贯穿所述钝化层而与所述硅基材形成欧姆接触；
由二氧化硅形成的减反调节层，所述减反调节层以邻近所述硅基材的N型掺杂区的方式形成于所述硅基材，所述减反调节层具有贯穿并能够暴露所述硅基材的表面的穿孔；
形成于所述减反调节层表面以及通过所述穿孔暴露的所述硅基材的石墨烯，所述石墨烯与所述硅基材构成肖特基接触的肖特基异质结，且所述硅基材与所述石墨烯接触的表面经过了钝化处理以形成所述陷光结构；
表面电极，所述表面电极形成于由所述穿孔暴露的所述硅基材，且所述表面电极与所述石墨烯结合，且所述表面电极与所述硅基材形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的光电转换组合体，其特征在于，所述陷光结构为粗糙层。
3.根据权利要求2所述的光电转换组合体，其特征在于，所述粗糙层具有绒面结构、锥形纳米结构。
4.根据权利要求1所述的光电转换组合体，其特征在于，所述表面电极呈梳状或S型布置。
5.根据权利要求1所述的光电转换组合体，其特征在于，所述表面电极采用金、银、钛、铂、导电氧化物、镍中任一种制作而成。
6.根据权利要求1所述的光电转换组合体，其特征在于，所述硅基材是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的光电转换组合体，其特征在于，所述减反调节层形成至所述硅基材的内部，所述减反调节层向所述硅基材内部延伸的深度为1.0～1.6微米，所述石墨烯为单层或多层且总厚度为30～60nm。
8.一种太阳能电池，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述的光电转换组合体。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还还包括玻璃面板，所述玻璃面板形成于所述表面电极的表面。
10.一种供电设备，其特征在于，包括匹配连接的供电接口和电池组，所述电池组包括至少一个如根据权利要求8或9所述的太阳能电池，当所述太阳能电池的数量为两个及以上时，各个所述太阳能电池之间串联或并联。
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