CN1085013A - 一种硅双面太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种将光能直接转换成电能的 MIS/IL双面太阳电池。其特征在于：采用简单的 MIS太阳电池工艺，将MIS接触电极和欧姆接触电 极均安置在太阳电池的背面，消除了太阳电池的电极 对正面入射光的遮挡影响，提高太阳电池的功率输 出。

Description

本发明属于一种将光能直接转换成电能的半导体太阳电池，即一种光伏电池。
金属-绝缘层-半导体/反型层（MIS/IL）单面太阳电池，是一种工艺简单、转换效率高的太阳电池。专利DE2846096和正在申请的中国专利（申请号：93225310.5）给出了这种太阳电池的几种结构及制做方法。其工作原理在于，利用氮化硅或氮氧化硅层中、在绝缘层/氮化硅或氮氧化硅界面处存在的固定正电荷，或由一层碱金属或其化合物所产生的固定正电荷，在P型半导体中靠近太阳电池正面的区域，感应出一个N型的反型层和在其下的空间电荷区，形成一个同PN结太阳电池中的PN结功能相同的感应结。反型层和空间电荷区中的内建电场将光生载流子，电子和空穴，分开。电子沿反型层运动到正面栅状电极下，通过隧道原理穿过绝缘层，进入上电极，即MIS接触电极;而空穴则被下电极，即欧姆接触电极，所收集。MIS/IL太阳电池得以工作。
MIS/IL太阳电池的工艺过程主要由金属蒸发和钝化层淀积所组成，工艺十分简单。同常规PN结太阳电池工艺相比，特别是由于MIS/IL太阳电池的所有工艺都可在800℃以下完成，使得这种太阳电池更易被发展成双面太阳电池。因为双面太阳电池的基体薄，在制造过程中易受高温热应力的破坏。此外，MIS/IL太阳电池少而简单的工艺步骤也可使生产中的成品率得以提高。
专利DE3712503中的图2描述了电极在基体两面的MIS/IL双面太阳电池结构。其特征在于，MIS接触电极以栅状结构安置于太阳电池的正面，而欧姆接触电极以栅状结构安置在太阳电池的背面。由于太阳电池受光照部分的基体厚度小于基体的少数载流子扩散长度，因而不但太阳电池正面的入射光对太阳电池的输出有贡献，背面的入射光对其也有贡献。但因这种太阳电池的正面MIS接触电极占有一定的表面积，会减少正面入射光的入射量。
鉴于正面入射光的入射量对太阳电池的输出起着十分重要的作用，Ronald    A.Sinton和Richard    M.Swanson在IEEE    Trans.on    Electron    Devices，Vol.37，No.2，1990，348-352中彼露了两电极都在背面的PN结太阳电池，极大地提高了PN结太阳电池的转换效率。但其制做过程中包含了光刻在内的复杂工艺。
本发明的目的在于克服上述MIS/IL双面太阳电池的缺点，将两电极都安置在太阳电池的背面，而采用比两电极在背面的PN结太阳电池工艺简单的MIS/IL工艺，得到两电极都在背面的MIS/IL双面太阳电池。
为完整、详细、清楚地叙述本发明的构思及工作过程，现结合附图来加以说明。
图1是本发明实施例之一的剖面结构示意图。太阳电池的基体[2]为P型半导体材料，如P型硅，其厚度小于该半导体材料的少数载流子扩散长度，以使基体[2]中由于两面光照而产生的电子、空穴对可扩散运动到图中点划线和绝缘层[5]之间的内建电场区。光生电子和空穴被内建电场所分开，光生电子沿反型层（图中虚线和绝缘层[5]之间的区域）运动到MIS接触电极[6]之下，依隧道原理穿过绝缘层[5]，被MIS接触电极[6]收集。而光生空穴则被欧姆接触电极[3]收集。反型层、空间电荷区以及由它们形成的内建电场，由固定正电荷[4]感应产生。
钝化层[1]具有两个作用：1.钝化太阳电池的正面，降低基体[2]和钝化层[1]界面处的界面态密度，使光生载流子在该界面处的复合速度减小;2.减少入射光的反射，起抗光反射的作用。钝化层[1]可采用Si3N4、SiO、SiO2、TiO2、Ta2O3等单层或多层介质膜。
欧姆接触电极[3]可通过用掩模板蒸发而形成栅状电极，其电极材料可以是Al、Mg或Al/Mg等。
绝缘层[4]可以是天然氧化层，也可以是在温度低于800℃的氧化工艺所形成的厚度小于4nm的氧化层。
MIS接触电极[6]是通过掩模板蒸发而形成的栅状电极，其电极材料可以是Al、Mg或Al/Mg等。
固定正电荷[4]可在绝缘层[5]和钝化层[7]之间，通过用碱金属或其化合物浸渍的方法、或引入一厚度不小于一个原子层的碱金属或其化合物层来获得，也可通过在钝化层[7]中加入碱金属或其化合物来引入。这样可获得较高的固定正电荷量。当然，也可不人为地引入碱金属或其化合物，而依靠钝化层[7]中靠近钝化层[7]和绝缘层[5]界面的固有正电荷来获得内建电场。
钝化层[7]除具有同钝化层[1]相同的两个作用外，还具有使固定正电荷[4]不易消失的作用。该层可采用与纯化层〔1〕同一的材质与结构。图2是本发明实施例之二的剖面结构示意图。与图1的不同之处在于，其背面采用了台状结构。欧姆接触电极[3]所对应的基体[2]的厚度大于基体[2]的少数载流子扩散长度，而MIS接触电极[6]所对应的基体[2]的厚度小于基体[2]的少数载流子扩散长度。这样可使双面太阳电池具有更好的机械强度，在生产制造中不易破碎。这种结构特别实用于用少子扩散长度小的半导体材料制做本发明的太阳电池。背面的台状结构可以是梯形、矩形、正方形等等，可以通过机械方法或化学腐蚀的方法加工形成。图2中的其他部分同图1中相应部分的作用和制做方法相同。
此外，为了进一步增加入射光的入射量，基体[2]的表面可以通过化学腐蚀的方法，形成绒面（texturing）结构，这对提高光电转换效率是有帮助的。

Claims (9)

1、一种用半导体材料制作的MIS/IL双面太阳电池，由基体[2]、绝缘层[5]、钝化层[1]、固定正电荷[4]、MIS接触电极[6]、欧姆接触电极[3]和钝化层[7]所构成，其特征在于，MIS接触电极[6]和欧姆接触电极[3]均制作在同一背面，该背面至少在MIS接触电极[6]之间，最好连同MIS接触电极[6]和欧姆接触电极[3]之上，覆盖有钝化层[7]，其正面覆盖有钝化层[1]。
2、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，基体[2]可以是单晶、多晶、非晶的硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅱ-Ⅵ族化合物等有机和无机的半导体材料。
3、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，基体[2]的两个表面或其中的一个表面可以是绒面（texturing）结构。
4、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，基体[2]的厚度，或者至少是MIS接触电极[6]所对应的基体[2]的厚度，小于该基体材料的少数载流子扩散长度。
5、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，MIS接触电极[6]之间的距离小于欧姆接触电极[3]之间的距离。
6、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，钝化层[1]、[7]均可以是一种介质，如Si3N4、SiO、TiO2、Ta2O3等，的单层钝化膜，也可以是多种介质的多层钝化膜。
7、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，绝缘层[5]的厚度小于4nm，它可以是天然氧化膜，也可以是用温度不高于800℃的工艺制作出的绝缘膜。
8、根据权利要求1.所述的太阳电池，其特征在于，固定正电荷[4]可以在绝缘层[5]和钝化层[7]之间通过用碱金属或其化合物的浸渍、或引入一不小于一个原子层厚度的碱金属或其化合物层来获得，也可以通过在钝化层[7]中加入碱金属或其化合物来引入，还可由钝化层[7]本身所产生。
9、根据权利要求1.所述的太阳电池和根据权利要求8.所述的获得固定正电荷[4]所用的碱金属，其特征在于，该碱金属或碱金属化合物优先选择铯或铯的化合物。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101312220B (zh) * 2007-05-25 2010-06-09 财团法人工业技术研究院 双面可吸光发电的薄膜太阳电池
CN102130189A (zh) * 2010-12-31 2011-07-20 浙江昱辉阳光能源有限公司 太阳能电池
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CN101626045B (zh) * 2008-07-10 2012-06-20 昆山中辰矽晶有限公司 太阳能电池的制造方法

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