CN112466975A - 光伏器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏器件，涉及太阳能光伏技术领域。光伏器件包括光吸收层、空穴选择性接触层和电子选择性接触层；光吸收层为具有中间带的半导体材料，中间带通过掺杂第一型杂质形成；空穴选择性接触层、电子选择性接触层在光吸收层对应的区域分别为第一区域、第二区域；光吸收层的表层在第一区域、第二区域处对应形成第一过渡区、第二过渡区；光吸收层除第一过渡区、第二过渡区外的部分为光吸收主体；第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度小于相应第一型杂质在光吸收主体中的浓度。光吸收主体的中间带掺杂浓度较高，形成了连续的中间带，第一过渡区、第二过渡区中间带掺杂浓度较低，减少晶格畸变等缺陷，提升少子寿命，改善多子传导效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别是涉及一种光伏器件。
背景技术
具有中间带的半导体材料作为光吸收层，具有较高的光电转换效率，因此，具有广阔的应用前景。
但是，发明人在研究上述技术的过程中，发现：目前的光伏器件中，光吸收层中中间带的掺杂浓度较高，会在一定程度上破坏光吸收层自身的晶格结构，引入晶格畸变等缺陷，导致少子寿命下降，同时高浓度的中间带掺杂元素会影响多子传导效率，进而影响光生载流子的传输与收集，影响光伏器件效率；光吸收层中中间带的掺杂浓度较低较难形成连续的中间带，更倾向于形成局域的深能级缺陷，在一定程度上会影响光吸收效率。
发明内容
本发明提供一种光伏器件，旨在解决目前的光伏器件中，光吸收层较难同时获得连续的中间带和较长的少子寿命的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种光伏器件，所述光伏器件包括光吸收层、空穴选择性接触层和电子选择性接触层；所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层分别传输所述光吸收层产生的空穴和电子型载流子；
所述光吸收层为具有中间带的半导体材料，所述中间带通过掺杂第一型杂质形成；
所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层在所述光吸收层对应的区域分别为第一区域、第二区域；所述光吸收层中靠近空穴选择性接触层或靠近所述电子选择性接触层的表层在所述第一区域、所述第二区域处分别对应形成第一过渡区、第二过渡区；所述光吸收层除所述第一过渡区、所述第二过渡区外的部分为光吸收主体；
所述第一过渡区、所述第二过渡区中第一型杂质的浓度小于相应第一型杂质在所述光吸收主体中的浓度。
本申请实施例中，光吸收层为具有中间带的半导体材料，中间带通过掺杂第一型杂质形成。空穴选择性接触层、电子选择性接触层在光吸收层对应的区域分别为第一区域、第二区域，光吸收层中靠近空穴选择性接触层或靠近所述电子选择性接触层的表层在第一区域、第二区域处分别对应形成第一过渡区、第二过渡区；光吸收层除第一过渡区、第二过渡区外的部分为光吸收主体。第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度小于相应第一型杂质在光吸收主体中的浓度，光吸收主体的中间带掺杂浓度较高，形成了连续的中间带，而第一过渡区、第二过渡区中中间带掺杂浓度较低，可以减少晶格畸变等缺陷，提升少子寿命，改善多子传导效率，改善光生载流子的传输与收集。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中的第一种光伏器件的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的第二种光伏器件的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中的第三种光伏器件的结构示意图。
附图编号说明：
1-光吸收层，11-第一过渡区，12-第二过渡区，13-光吸收主体，2-空穴选择性接触层，3-电子选择性接触层，4-正电极，5-负电极，6-上功能层，7-下功能层。
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。
图1示出了本发明实施例中的第一种光伏器件的结构示意图。参照图1所示，该光伏器件包括：光吸收层1、空穴选择性接触层2和电子选择性接触层3。空穴选择性接触层2、电子选择性接触层3分别传输光吸收层1产生的空穴和电子型载流子。
光吸收层1为具有中间带的半导体材料，中间带通过掺杂第一型杂质形成。具有中间带的半导体材料，起到辅助电子激发的作用，电子可以吸收低能量光子进入中间带半导体材料，再吸收中等能量光子由中间带半导体材料激发进入导带，因此，中间带半导体材料具有较高光能利用率。具有中间带的半导体材料可以主要起到的光吸收作用。
具有中间带的半导体材料的第一型杂质可以采用过渡金属元素、III族元素、V族元素或VI族元素。可选的，形成上述中间带的第一型杂质可以选自：钴、铬、镍、锰、铁、钪、钛、钒、铜、锌、硼、氮、氧中的至少一种。中间带掺杂可以采用两种或多种元素进行掺杂，以获得稳定的中间带，以及与中间带相邻的缓冲带，缓冲带可有可无。
光吸收层1中具有中间带掺杂功能的第一型杂质是否具有导电性掺杂功能不作具体限定。例如，在具有中间带的半导体材料具有导电性掺杂的情况下，导电性掺杂和中间带掺杂均可以采用硼元素进行。
可选的，光吸收层1为单一p型或n型半导体材料，或，光吸收层1包括p型和n型半导体材料形成的pn结。形成该p型或n型的杂质为第二型杂质。具体的，采用III族元素作为第二型杂质，得到p型掺杂，或，采用V族元素作为第二型杂质，得到n型掺杂。常用的第二型杂质包括硼、铝、镓、铟、氮、磷、砷等。光吸收层1中的导电性掺杂的掺杂浓度为1×1013cm-3-1×1019cm-3。
在光吸收层1为单一p型或n型半导体材料的情况下，光吸收层1与空穴选择性接触层2或电子选择性接触层3，形成pn结，以分离光生载流子。在光吸收层1包括p型和n型半导体材料形成的pn结的情况下，光吸收层1本身的pn结就可以分离光生载流子。
如图1中，空穴选择性接触层2、电子选择性接触层3在光吸收层1对应的区域分别为第一区域、第二区域。光吸收层1中靠近空穴选择性接触层的表层在上述第一区域处对应形成第一过渡区，光吸收层1中靠近电子选择性接触层3的表层在上述第二区域处对应形成第二过渡区。光吸收层1除第一过渡区、第二过渡区外的部分为光吸收主体13。
第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度小于相应第一型杂质在光吸收主体中的浓度，光吸收主体的中间带掺杂浓度较高，形成了连续的中间带，而第一过渡区、第二过渡区中中间带掺杂浓度较低，可以减少晶格畸变等缺陷，提升少子寿命，改善多子传导效率，改善光生载流子的传输与收集。
图2示出了本发明实施例中的第二种光伏器件的结构示意图。如，参照图2所示，光吸收层1靠近空穴选择性接触层的表层在上述第一区域处对应形成第一过渡区11，光吸收层1靠近电子选择性接触层3的表层在上述第二区域处对应形成第二过渡区12。光吸收层1除第一过渡区11、第二过渡区12外的部分为光吸收主体13。第一过渡区11、第二过渡区12中第一型杂质的浓度小于相应第一型杂质在光吸收主体13中的浓度，光吸收主体13的中间带掺杂浓度较高，形成了连续的中间带，而第一过渡区11、第二过渡区12中中间带掺杂浓度较低，可以减少晶格畸变等缺陷，提升少子寿命，改善多子传导效率，改善光生载流子的传输与收集。
需要说明的是，空穴选择性接触层2也可以位于光吸收层1的背光面，电子选择性接触层3可以位于光吸收层1的向光面。在本申请实施例中，对此不作具体限定。
可选的，第一过渡区11、第二过渡区12中第一型杂质的浓度小于光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值的50％，第一过渡区11、第二过渡区12中中间带掺杂浓度更合适，可以进一步减少晶格畸变等缺陷，提升少子寿命，改善多子传导效率，改善光生载流子的传输与收集。例如，光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值为10at.％(原子百分比)，第一过渡区11、第二过渡区12中第一型杂质的浓度均为3at.％。
光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值所处的具体位置不作具体限定，例如，光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值可以处于光吸收主体13的中间位置。或者，光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值可以处于光吸收主体13靠近空穴选择性接触层2、电子选择性接触层3两者中的少子选择性接触层的位置。或者，光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值可以处于靠近pn结的位置。或者，光吸收主体13中相应第一型杂质的浓度最大值可以处于靠近高低结的位置。
可选的，第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度是单一值。即，第一过渡区中第一型杂质浓度均匀，第二过渡区中第一型杂质浓度均匀。或，第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度在背离光吸收主体的方向上梯度降低。也就是说，第一过渡区中第一型杂质浓度不是均匀分布的，而是，越靠近光吸收主体的位置第一型杂质的浓度越高，而越远离光吸收主体的位置第一型杂质的浓度越低。第二过渡区中第一型杂质浓度不是均匀分布的，而是，靠近光吸收主体的位置第一型杂质的浓度高一些，而远离光吸收主体的位置第一型杂质的浓度低一些。一方面，第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度设置多样性，另一方面针对第一过渡区、第二过渡区中第一型杂质的浓度在背离光吸收主体的方向上梯度降低的情况下，更利于形成连续的中间带，进一步减少晶格畸变等缺陷，提升少子寿命，改善多子传导效率，改善光生载流子的传输与收集。
例如，参照图2所示，第一过渡区11、第二过渡区12中第一型杂质的浓度均均匀分布，均为3at.％。或者，第一过渡区11中越靠近光吸收主体13的位置第一型杂质的浓度越高，而越远离光吸收主体的位置第一型杂质的浓度越低。
可选的，参照图2所示，在第一过渡区11、第二过渡区12中第二型杂质的浓度大于光吸收主体13中相应第二型杂质的浓度，也就是说，第一过渡区11、第二过渡区12中导电性掺杂的浓度，大于光吸收主体13中导电性掺杂的浓度，改善光生载流子的传输与收集。
可选的，参照图2所示，第一过渡区11、第二过渡区12中第二型杂质的浓度在背离光吸收主体13的方向上梯度升高，也就是说，第一过渡区11中越远离光吸收主体13的位置的导电性掺杂的浓度越高，越靠近光吸收主体13的位置的导电性掺杂的浓度越低。第二过渡区12中越远离光吸收主体13的位置的导电性掺杂的浓度越高，越靠近光吸收主体13的位置的导电性掺杂的浓度越低，改善光生载流子的传输与收集。
可选的，参照图2所示，在靠近第一区域11、第二区域12的方向上，光吸收主体13中第二型杂质的浓度至少在临近第一区域11、第二区域12的范围内梯度升高，也就是说，光吸收主体13中越靠近第一区域11、第二区域12的位置的导电性掺杂的浓度越高，越远离第一区域11、第二区域12的位置的导电性掺杂的浓度越低，改善光生载流子的传输与收集。
可选的，光吸收层1可以为碳化硅，相对于其他的中间带材料而言，碳化硅是块体材料，块体缺陷少，中间带结构较为稳定。可选的，光吸收层1可以为立方相碳化硅或六方相碳化硅，如3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等。
在光吸收层1为碳化硅的情况下，光伏器件即为碳化硅光伏器件。依据碳化硅光伏器件光生载流子分离技术，可以将其分为同质结器件与异质结器件。同质结器件指存在p型碳化硅与n型碳化硅层二者直接接触构成pn结的器件，包括同种晶相接触的单晶或多晶碳化硅，以及不同晶相接触的单晶或多晶碳化硅，如立方相n型碳化硅与立方相p型碳化硅，或立方相n型碳化硅与六方相p型碳化硅。其余类型在本申请实施例中均归类为异质结器件，包括碳化硅-非碳化硅材料接触，碳化硅-非晶态碳化硅接触，因界面能级差导致pn结深入碳化硅吸收层内部的结构在本申请实施例中也可以归类为异质结器件。本申请实施例中的适用于同质结及异质结器件。
可选的，光吸收层1为碳化硅的情况下，第一型杂质在光吸收主体13中的最大掺杂浓度为0.01-10at.％，能够获得更为连续的中间带。
可选的，参照图1所示，光吸收层1的厚度h1为10-200um，光吸收层1的厚度h1为光吸收层1在与空穴选择性接触层2设置方向上的尺寸。可选的，参照图2所示，第一过渡区11的厚度h2为0.01-10um，第二过渡区12的厚度h3为0.01-10um。
可选的，参照图1所示，空穴选择性接触层2位于光吸收层1的向光面，电子选择性接触层3位于光吸收层1的背光面，形成双面电池。或者，空穴选择性接触层2位于光吸收层1的背光面，电子选择性接触层3位于光吸收层1的向光面，形成双面电池。
图3示出了本发明实施例中的第三种光伏器件的结构示意图。可选的，参照图3所示，空穴选择性接触层2、电子选择性接触层3分别位于光吸收层1的背光面的不同区域，进而形成IBC电池，由于光吸收层1的向光面没有电极遮挡，可以提升光电转换效率。
可选的，参照图1-图3所示，光伏器件还可以包括位于光吸收层1向光面的上功能层6，和/或，光伏器件还包括位于光吸收层1背光面的下功能层7。上功能层6、下功能层7均包括减反层、钝化层中的至少一种。钝化层起到界面缺陷钝化的作用。钝化层的材料可以选自氧化铝、氧化硅、氮化硅等钝化材料。
光伏器件还可以包括与电子选择性接触层3电性接触的负电极5，以及与空穴选择性接触层2电性接触的正电极4。负电极5用于收集电子选择性接触层3上的电子型载流子，并向外传输电能。正电极4用于收集空穴选择性接触层2上的空穴型载流子，并向外传输电能。负电极5、正电极4的结构和材料不作具体限定。例如，位于光吸收层1背光面的负电极5可以为全背电极。
电子选择性接触层3采用n型宽带隙半导体材料，如氧化锌、氧化锡等及其掺杂材料。电子选择性接触层3也可以采用低功函数金属，如钙、镁、铝等及其合金材料。特别地，电子选择性接触层3包括重掺杂的SiC材料。
空穴选择性接触层2可以采用低功函数p型宽带隙半导材料，如氧化镍、氧化铜等。空穴选择性接触层2也可以采用高功函数n型宽带隙半导体材料，如氧化钼、氧化钨、氧化钒等。空穴选择性接触层2也可以采用高功函数金属，如镍、银、金等及其合金材料。特别地，空穴选择性接触层2包括重掺杂的SiC材料。
可选的，电子选择性接触层3、第二过渡区12可以只是在负电极5对应的位置设置。空穴择性接触层2、第一过渡区11均只是在正电极4对应的位置设置。
可选的，光吸收层1的向光面为平面，或，光吸收层1的向光面具有陷光结构，以增加光程。陷光结构可以为规则或不规则的织构，如金字塔结构、倒金字塔结构、棒状结构、锥状结构、凹坑结构或纳米结构等。陷光结构可以是等离子激元陷光结构，如金属纳米颗粒、金属纳米线等。
本发明实施例还提供一种光伏组件，该光伏组件包括任一前述的光伏器件。该光伏组件还可以包括位于光伏器件的向光面、背光面的封装胶膜、盖板或背板等。该光伏组件的第一金属纳米结构、第二金属纳米结构可以参照前述光伏器件实施例中的相关记载，且能达到相同或相似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
下面列举几种具体的实施例，进一步解释本申请。
实施例1
参照图1所示，光吸收层1为碳化硅吸收层，光吸收层1的厚度为120um，采用磷元素掺杂，掺杂浓度为1015cm-3量级。光吸收层1的背光面设置电子选择性接触层3，电子选择性接触层3为采用磷元素重掺杂的晶体碳化硅，掺杂浓度为1017cm-3量级。以与光吸收层1的界面为起始，电子选择性接触层3存在磷元素掺杂浓度渐变区域，进而从光吸收层1的向光面至背光面形成磷元素浓度梯度。
在光吸收层1向光面采用粒子注入工艺制作中间带掺杂区域。采用镍元素中间带掺杂，最大掺杂浓度为1.5at.％，最大掺杂浓度区域约为光吸收层1向光面以下50nm左右，该方法可以形成从向光面向背光面递减的镍元素浓度梯度。
在光吸收层1向光面制作空穴选择性接触层2，该层为硼元素掺杂的晶体碳化硅，掺杂浓度为1×1015cm-3量级。
在上述结构的向光面和背光面分别制作上功能层6和下功能层7，二者均为多层结构，可以起到表面钝化、场效应、减反射等功能。
在上述结构的向光面和背光面分别制作电极，空穴选择性接触层2一侧制作正电极4，电子选择性接触层3一侧制作负电极5，二者直接与选择性接触层接触，或接触界面可以存在其他功能层。
实施例2
参照图3所示，光吸收层1为碳化硅吸收层，光吸收层1的厚度为80um，采用硼元素掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3量级。光吸收层1向光面设置中间带掺杂，采用Co元素掺杂，掺杂最大浓度为1.0at.％，同时形成从向光面向背光面的中间带掺杂浓度梯度。
在光吸收层1背光面的局部区域设置空穴选择性接触2，以导出多子。空穴选择性接触2为采用硼元素重掺杂的晶体碳化硅，掺杂浓度为1×1017cm-3量级。
在光吸收层1背光面的其余局部区域设置电子选择性接触3，以导出少子。电子选择性接触3为采用磷元素重掺杂的晶体碳化硅，掺杂浓度为1×1017cm-3量级。电子选择性接触3与光吸收层1接触界面为pn结。
在上述结构的向光面和背光面分别制作上功能层6和下功能层7，二者均为多层结构，可以起到表面钝化、场效应、减反射等功能。
在上述结构的向光面和背光面分别制作电极，空穴选择性接触层2一侧制作正电极4，电子选择性接触层3一侧制作负电极5，二者直接与选择性接触层接触，或接触界面可以存在其他功能层。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (13)
1.一种光伏器件，其特征在于，所述光伏器件包括光吸收层、空穴选择性接触层和电子选择性接触层；所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层分别传输所述光吸收层产生的空穴和电子型载流子；
所述光吸收层为具有中间带的半导体材料，所述中间带通过掺杂第一型杂质形成；
所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层在所述光吸收层对应的区域分别为第一区域、第二区域；所述光吸收层中靠近空穴选择性接触层或靠近所述电子选择性接触层的表层在所述第一区域、所述第二区域处分别对应形成第一过渡区、第二过渡区；所述光吸收层除所述第一过渡区、所述第二过渡区外的部分为光吸收主体；
所述第一过渡区、所述第二过渡区中第一型杂质的浓度小于相应第一型杂质在所述光吸收主体中的浓度。
2.根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，所述第一过渡区、所述第二过渡区中第一型杂质的浓度小于所述光吸收主体中相应第一型杂质的浓度最大值的50％。
3.根据权利要求2所述的光伏器件，其特征在于，所述第一过渡区、所述第二过渡区中第一型杂质的浓度是单一值，或
所述第一过渡区、所述第二过渡区中第一型杂质的浓度在背离所述光吸收主体的方向上梯度降低。
4.根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，所述光吸收层为单一p型或n型半导体材料，或，所述光吸收层包括p型和n型半导体材料形成的pn结；
形成所述p型或n型的杂质为第二型杂质。
5.根据权利要求4所述的光伏器件，其特征在于，在所述第一过渡区、所述第二过渡区中第二型杂质的浓度大于所述光吸收主体中相应第二型杂质的浓度。
6.根据权利要求5所述的光伏器件，其特征在于，所述第一过渡区、所述第二过渡区中第二型杂质的浓度在背离所述光吸收主体的方向上梯度升高。
7.根据权利要求6所述的光伏器件，其特征在于，在靠近所述第一区域、所述第二区域的方向上，所述光吸收主体中第二型杂质的浓度至少在临近所述第一区域、所述第二区域的范围内梯度升高。
8.根据权利要求1-7任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述光吸收层为立方相碳化硅或六方相碳化硅。
9.根据权利要求8所述的光伏器件，其特征在于所述第一型杂质在光吸收主体中的最大掺杂浓度为0.01-10at.％。
10.根据权利要求9所述的光伏器件，其特征在于，所述第一型杂质选自钴、铬、镍、锰、铁、钪、钛、钒、铜、锌、硼、氮、氧中的至少一种。
11.根据权利要求8所述的光伏器件，其特征在于，所述光吸收层的厚度为10-200um。
12.根据权利要求1-7中任一所述的光伏器件，其特征在于，所述光伏器件还包括位于所述光吸收层向光面的上功能层，和/或，所述光伏器件还包括位于所述光吸收层背光面的下功能层；所述上功能层、所述下功能层均包括减反层、钝化层中的至少一种。
13.根据权利要求1-7中任一所述的光伏器件，其特征在于，所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层分别位于所述光吸收层的向光面和背光面；
或，
所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层分别位于所述光吸收层的背光面的不同区域。
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