CN108321229A - 一种太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括：半导体层；设置在所述半导体层上的吸收层；设置在所述吸收层背离所述半导体层一侧的导电层；其中，所述吸收层为具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层。该太阳能电池抛弃了太阳能电池传统的PN结结构，采用一种新型的太阳能电池结构，极大程度的提高了太阳能电池的开路电压和发电效率。

Description

一种太阳能电池
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，更具体地说，尤其涉及一种太阳能电池。
背景技术
随着科学技术的不断发展，太阳能电池已广泛应用于人们的日常生活、工作以及工业中，为人们的生活带来了极大的便利。
目前的太阳能电池均是利用半导体PN结来进行光电转换，PN结具有内建电场和载流子耗尽层，其正向势垒较低，可单向导电。当照射PN结时，内建电场收集耗尽层中的光生载流子，在内建电场的作用下，光生空穴进入P区，光生电子进入N区，由于受到较低的正向势垒约束，进入P区的光生空穴有少量堆积，进入N区的光生电子也有少量堆积，进而产生光伏电动势。
但是，半导体PN结的内建电场随着掺杂浓度的增加而增强，内建电场的增强有利于收集光生载流子，但是PN结的正向势垒高度随着掺杂浓度的增加会降低，PN结的正向势垒高度的降低不利于光生载流子的堆积，因此需要兼顾二者所需的掺杂浓度，限制了发电效率。即使降低了掺杂浓度，PN结的正向导通电压仍然较小，约为0.7伏特，使目前太阳能电池的开路电压较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种太阳能电池，提高了太阳能电池的开路电压和发电效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种太阳能电池，所述太阳能电池包括：
半导体层；
设置在所述半导体层上的吸收层；
设置在所述吸收层背离所述半导体层一侧的导电层；
其中，所述吸收层为具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层。
优选的，在上述太阳能电池中，所述半导体层包括：位于同一平面且相互独立的P型半导体层和N型半导体层；
所述吸收层包括位于同一平面的第一吸收层和第二吸收层，其中，所述第一吸收层位于所述P型半导体层上，所述第二吸收层位于所述N型半导体层上；
所述导电层位于所述第一吸收层和所述第二吸收层上，其中，所述第一吸收层和所述第二吸收层之间通过所述导电层连接。
优选的，在上述太阳能电池中，所述太阳能电池还包括：
设置在所述P型半导体层背离所述第一吸收层一侧的第一金属电极；
设置在所述N型半导体层背离所述第二吸收层一侧的第二金属电极。
优选的，在上述太阳能电池中，所述半导体层为P型半导体层，且为最高浓度掺杂，电阻率小于0.1mΩ·cm。
优选的，在上述太阳能电池中，所述半导体层为N型半导体层，且为最高浓度掺杂，电阻率小于0.1mΩ·cm。
优选的，在上述太阳能电池中，所述太阳能电池还包括：
设置在所述半导体层背离所述吸收层一侧的第一金属电极；
设置在所述导电层背离所述吸收层一侧的第二金属电极。
优选的，在上述太阳能电池中，所述吸收层为本征晶体硅材料层。
优选的，在上述太阳能电池中，所述吸收层为本征氧化锌材料层。
优选的，在上述太阳能电池中，所述太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻的差值与所述正向暗电阻的比值小于或等于10％，或所述太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻的差值与所述反向暗电阻的比值小于或等于10％。
优选的，在上述太阳能电池中，所述导电层为透明导电玻璃。
通过上述描述可知，本发明提供的一种太阳能电池，所述太阳能电池包括：半导体层；设置在所述半导体层上的吸收层；设置在所述吸收层背离所述半导体层一侧的导电层；其中，所述吸收层为具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层。
该太阳能电池，采用具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层，在太阳照射时，其产生大量的光生载流子，其高势垒性质则形成很高的正向势垒，有利于在半导体层中堆积大量的光生电子和/或光生空穴，极大程度的提高了太阳能电池的发电效率，并且，相比较正向暗电阻远远低于反向暗电阻且能够单向导电的传统太阳能电池，由于该结构的太阳能电池不存在PN结，所以该太阳能电池的正向暗电阻约等于反向暗电阻，不具有单向导电性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种太阳能电池的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种太阳能电池的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种太阳能电池的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种太阳能电池的结构示意图，所述太阳能电池包括：
半导体层11；设置在所述半导体层11上的吸收层12；设置在所述吸收层12背离所述半导体层11一侧的导电层13；其中，所述吸收层12为具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层。
该太阳能电池，采用具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层12，在太阳照射时，其产生大量的光生载流子，其高势垒性质则形成很高的正向势垒，并且，半导体层11为最高浓度掺杂的半导体层，因此在极强的晶格电场作用下，大量的光生电子和/或大量的光生空穴进入相应的半导体层中，基于很高的正向势垒，光生电子和/或光生空穴可以大量堆积，进而极大程度的提高了太阳能电池的发电效率。
进一步的，如图2所示，所述半导体层11包括：位于同一平面且相互独立的P型半导体层111和N型半导体层112；所述吸收层12包括位于同一平面的第一吸收层121和第二吸收层122，其中，所述第一吸收层121位于所述P型半导体层111上，所述第二吸收层122位于所述N型半导体层112上；所述导电层13位于所述第一吸收层121和所述第二吸收层122上，其中，所述第一吸收层121和所述第二吸收层122之间通过所述导电层13连接。
具体的，由于常规太阳能电池中PN结中P型半导体层和N型半导体层不能实现最高浓度的掺杂，否则P型半导体层和N型半导体层会导通，基于该问题本发明实施例中的该太阳能电池，通过独立的所述第一吸收层121和所述第二吸收层122，独立的P型半导体层111和N型半导体层112，取代了常规太阳能电池中的PN结。当P型半导体层111和N型半导体层112分隔开后，P型半导体层111和N型半导体层112均可以为最高浓度的掺杂，由于掺杂浓度很高，使载流子不会完全扩散，所以该太阳能电池也不会形成耗尽层，太阳能电池的内电阻极低。
由于P型半导体层111和N型半导体层112都是最高的掺杂浓度，各包含一种杂质离子，并且该杂质离子密度极高，在P型半导体层111中杂质负离子会在P型半导体层111和第一吸收层121的接触面形成极强的负晶格电场，在N型半导体层112中杂质正离子在N型半导体层112和第二吸收层122的接触面形成极强的正晶格电场，当阳光照射第一吸收层121和第二吸收层122时，第一吸收层121和第二吸收层122的光电导性质产生了大量的光生载流子，其正反向势垒均≥1伏特的性质会形成很高的正向势垒，在极强的晶格电场作用下，大量的光生电子快速进入N型半导体层112中，大量的光生空穴快速进入P型半导体层111中，使其光生载流子的收集效率会大幅度提高，且由于受到很高的正向势垒的约束，进入P型半导体层111中的光生空穴可以大量堆积，进入N型半导体层112中的光生电子也可以大量堆积，进而使太阳能电池的光伏电动势大幅度提高。
需要说明的是，在最高掺杂浓度的P型半导体层111中，既有大量的杂质负离子也会有大量的空穴，P型半导体层111和第一吸收层121的接触面会同时受到两种电场的作用，分别是杂质负离子形成的负晶格电场和空穴形成的正电场。同理，在最高掺杂浓度的N型半导体层112中，既有大量的杂质正离子也会有大量的自由电子，N型半导体层112和第二吸收层122的接触面也会同时受到两种电场的作用，分别是杂质正离子形成的正晶格电场和自由电子形成的负电场。其中，杂质离子的位置固定，能够形成位置固定的晶格电场，空穴和自由电子都是载流子，随电流而移动位置不固定，这些载流子只能形成位置浮动的电场。实验证明，位置固定的晶格电场能够收集吸收层中的光生载流子，位置浮动的电场不能收集吸收层中的光生载流子。
由此可知，该太阳能电池通过两个独立的接触面进行光电转化，即通过P型半导体层111和第一吸收层121的接触面和N型半导体层112和第二吸收层122的接触面进行光电转换，其第一吸收层121和第二吸收层122具有的正反向势垒均≥1伏特的性质会形成很高的正向势垒，具体特征表现为，该太阳能电池具有很高的正向暗电阻，且由于该结构的太阳能电池不存在PN结，所以该太阳能电池的正向暗电阻约等于电池的反向暗电阻，也就是说，太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻的差值与正向暗电阻的比值小于或等于10％，或太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻的差值与反向暗电阻的比值小于或等于10％，电池的开路电压较高，该开路电压≥1伏特。
并且，由于P型半导体层111和N型半导体层112均为最高浓度的掺杂，P型半导体层111和N型半导体层112都具有极低的电阻率，由于掺杂浓度很高，使载流子不会完全扩散，所以该太阳能电池也不会形成耗尽层，太阳能电池的内电阻极低。
其次，吸收层12为具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层，且吸收层完全暴露在阳光下，能够充分利用吸收层具有的光电导性质，使吸收层12中产生更多的光生载流子，电池的发电效率较高。
需要说明的是，如图3所示，所述太阳能电池还包括：
设置在所述P型半导体层111背离所述第一吸收层121一侧的第一金属电极31；设置在所述N型半导体层112背离所述第二吸收层122一侧的第二金属电极32。
具体的，所述第一金属电极31和所述第二金属电极32的材料相同，包括但不限定于铝或银等。
进一步的，如图4所示，所述半导体层11为P型半导体层111，所述太阳能电池还包括：设置在所述P型半导体111背离所述吸收层12一侧的第一金属电极41；设置在所述导电层13背离所述吸收层12一侧的第二金属电极42，所述第二金属电极42为透光的格栅电极。
具体的，当所述半导体层11为P型半导体层111时，所述太阳能电池为P型太阳能电池，其中，所述P型半导体层111为最高浓度掺杂，电阻率小于0.1mΩ·cm。
由于P型半导体层111是最高的掺杂浓度，包含一种杂质离子，并且该杂质离子密度极高，在P型半导体层111中杂质负离子会在P型半导体层111和吸收层12的接触面形成极强的负晶格电场，当阳光照射吸收层12时，吸收层12的光电导性质产生了大量的光生载流子，其正反向势垒均≥1伏特的性质会形成很高的正向势垒，在极强的晶格电场作用下，大量的光生空穴快速进入P型半导体层111中，使其光生载流子的收集效率会大幅度提高，且由于受到很高的正向势垒的约束，进入P型半导体层111中的光生空穴可以大量堆积，进而使太阳能电池的光伏电动势大幅度提高。
进一步的，如图5所示，所述半导体层11为N型半导体层112，所述太阳能电池还包括：设置在所述N型半导体层112背离所述吸收层12一侧的第一金属电极51；设置在所述导电层13背离所述吸收层12一侧的第二金属电极52，所述第二金属电极52为透光的格栅电极。
具体的，当所述半导体层11为N型半导体层112时，所述太阳能电池为N型太阳能电池，其中，所述N型半导体层112为最高浓度掺杂，电阻率小于0.1mΩ·cm。
由于N型半导体层112是最高的掺杂浓度，包含一种杂质离子，并且该杂质离子密度极高，在N型半导体层112中杂质正离子在N型半导体层112和吸收层12的接触面形成极强的正晶格电场，当阳光照射吸收层12时，吸收层12的光电导性质产生了大量的光生载流子，其正反向势垒均≥1伏特的性质会形成很高的正向势垒，在极强的晶格电场作用下，大量的光生电子快速进入N型半导体层112中，使其光生载流子的收集效率会大幅度提高，且由于受到很高的正向势垒的约束，进入N型半导体层112中的光生电子也可以大量堆积，进而使太阳能电池的光伏电动势大幅度提高。
进一步的，在本发明实施例中，P型半导体层包括但不限定于掺杂硼的晶体硅或晶体锗，也可以是掺杂其它杂质的任何一种P型半导体层，但是不管是任何形式的P型半导体层，其掺杂浓度均需要达到最高，最高的掺杂浓度因材料不同而不同，因此形成的电阻率也不尽相同。
进一步的，在本发明实施例中，N型半导体层包括但不限定于掺杂磷的晶体硅或晶体锗，也可以是掺杂其它杂质的任何一种N型半导体层，但是不管是任何形式的N型半导体层，其掺杂浓度均需要达到最高，最高的掺杂浓度因材料不同而不同，因此形成的电阻率也不尽相同。
进一步的，在本发明实施例中，所述吸收层包括但不限定于本征晶体硅材料层或本征氧化锌材料层，也可以为其它具有光电导性质和高势垒性质的材料，只需其禁带宽度和光谱匹配即可。
进一步的，在本发明实施例中，所述太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻均主要来自所述吸收层，所述吸收层的厚度为10nm-500nm，包括端点值，例如所述吸收层的厚度为50nm或200nm或300nm或400nm。也就是说，所述第一吸收层的厚度为10nm-500nm，包括端点值，例如所述第一吸收层的厚度为50nm或200nm或300nm或400nm，所述第二吸收层的厚度为10nm-500nm，包括端点值，例如所述第二吸收层的厚度为50nm或200nm或300nm或400nm。
进一步的，所述导电层包括但不限定于透明导电玻璃或铝材质导电层或银材质导电层等，但一定要透光。
例如，若P型半导体层为掺杂硼的晶体硅，N型半导体层为掺杂磷的晶体硅，吸收层采用禁带宽度适合紫外光的本征氧化锌，则该太阳能电池为一种适合工作于紫外光区的高效太阳能电池。
若P型半导体层为掺杂硼的晶体锗，N型半导体层为掺杂磷的晶体锗，吸收层采用禁带宽度适合可见光的本征晶体硅，则该太阳能电池为一种适合工作于可见光区的高效太阳能电池。
需要说明的是，所述太阳能电池中半导体层、吸收层和导电层的制造方式包括但不限定于磁控溅射的方式，在本发明实施例中并不作限定。
通过上述描述可知，本发明提供的一种太阳能电池，抛弃了太阳能电池传统的PN结结构，采用一种新型的太阳能电池结构，极大程度的提高了太阳能电池的开路电压和发电效率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括：
半导体层；
设置在所述半导体层上的吸收层；
设置在所述吸收层背离所述半导体层一侧的导电层；
其中，所述吸收层为具有光电导性质和正反向势垒均≥1伏特的光子吸收层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述半导体层包括：位于同一平面且相互独立的P型半导体层和N型半导体层；
所述吸收层包括位于同一平面的第一吸收层和第二吸收层，其中，所述第一吸收层位于所述P型半导体层上，所述第二吸收层位于所述N型半导体层上；
所述导电层位于所述第一吸收层和所述第二吸收层上，其中，所述第一吸收层和所述第二吸收层之间通过所述导电层连接。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括：
设置在所述P型半导体层背离所述第一吸收层一侧的第一金属电极；
设置在所述N型半导体层背离所述第二吸收层一侧的第二金属电极。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述半导体层为P型半导体层，且为最高浓度掺杂，电阻率小于0.1mΩ·cm。
5.根据权利要求1所述太阳能电池，其特征在于，所述半导体层为N型半导体层，且为最高浓度掺杂，电阻率小于0.1mΩ·cm。
6.根据权利要求4或5所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括：
设置在所述半导体层背离所述吸收层一侧的第一金属电极；
设置在所述导电层背离所述吸收层一侧的第二金属电极。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述吸收层为本征晶体硅材料层。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述吸收层为本征氧化锌材料层。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻的差值与所述正向暗电阻的比值小于或等于10％，或所述太阳能电池的正向暗电阻和反向暗电阻的差值与所述反向暗电阻的比值小于或等于10％。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述导电层为透明导电玻璃。
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