CN112466979A - 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：光吸收体、空穴选择性接触层、电子选择性接触层；光吸收体包含具有中间带的半导体材料；空穴选择性接触层、电子选择性接触层对应的区域分别为第一区域、第二区域；光吸收体的表层至少在第一区域和/或第二区域处形成过渡区，过渡区不具有中间带。过渡区不具有中间带，规避具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁，提升光伏器件的输出功率。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，再吸收中等能量光子由中间带激发进入导带，因此，光吸收体具有较高光能利用率，可以实现较高的光电转换效率。

Description

光伏器件
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体，具有较高的光电转换效率，因此，具有广阔的应用前景。
但是，目前的光伏器件中，具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子容易发生非局域跃迁，导致光伏器件的输出功率下降。
发明内容
本发明提供一种光伏器件，旨在解决光伏器件中，具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子容易发生非局域跃迁，导致光伏器件的输出功率下降的问题。
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：光吸收体、空穴选择性接触层、电子选择性接触层；所述空穴选择性接触层传输所述光吸收体产生的空穴型载流子；所述电子选择性接触层传输所述光吸收体产生的电子型载流子；
所述光吸收体包含具有中间带的半导体材料；
所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层对应的区域分别为第一区域、第二区域；所述光吸收体至少在所述第一区域处靠近空穴选择性接触层的表层和/或所述第二区域处靠近电子选择性接触层的表层形成过渡区，所述过渡区不具有中间带。
本申请实施例中，光吸收体至少在所述第一区域处靠近空穴选择性接触层的表层和/或所述第二区域处靠近电子选择性接触层的表层形成过渡区，上述过渡区不具有中间带，进而规避具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁，可以提升光伏器件的输出功率。同时，光吸收体包含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，再吸收中等能量光子由中间带激发进入导带，因此，光吸收体具有较高光能利用率，可以实现较高的光电转换效率。
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；
图4示出了本发明实施例中的第四种光伏器件的结构示意图。
附图编号说明：
1-光吸收体，11-光吸收主体部分，12、14-过渡区，6-电子选择性接触层，61-上场效应层，7-空穴选择性接触层，71-下场效应层，2-上功能层，3-下功能层，4-负电极，5-正电极。
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。
发明人发现，具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子容易发生非局域跃迁，导致光伏器件的输出功率下降的主要原因在于：在光吸收体与选择性接触材料接触位置，选择性接触材料导致光吸收体能带发生弯曲，进而造成中间带电子能级距离选择性接触结构传导能级较近，易发生中间带和选择性接触结构传导能级之间电子的非局域跃迁，导致中间带电子的复合。本申请中，光吸收体至少在所述第一区域处靠近空穴选择性接触层的表层和/或所述第二区域处靠近电子选择性接触层的表层形成过渡区，上述过渡区不具有中间带，使得选择性接触材料不会导致光吸收体能带发生弯曲，进而规避具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁。
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：光吸收体1、电子选择性接触层6、空穴选择性接触层7。光吸收体1主要用于吸收光能，分离载流子。电子选择性接触层6传输光吸收体1产生的电子型载流子，空穴选择性接触层7传输光吸收体1产生的空穴型载流子。
光吸收体1包含具有中间带的半导体材料，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。
光吸收体1中的导电性掺杂采用采用III族元素(p型掺杂)或V族元素(n型掺杂)，常用导电性掺杂元素包括硼、铝、镓、铟、氮、磷、砷等。光吸收体1中的导电性掺杂的掺杂浓度为1013cm-3-1019cm-3量级。
光吸收体1中具有中间带的半导体材料的中间带掺杂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，形成上述中间带的杂质元素可以包括：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。
光吸收体1中具有中间带掺杂功能的杂质元素是否具有导电性掺杂功能不作具体限定。例如，在光吸收体1中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，形成上述中间带的杂质掺杂浓度范围为0.01-10at.％(原子百分比)。
如图1中，空穴选择性接触层7、电子选择性接触层6对应的区域分别为第一区域、第二区域。光吸收体至少在所述第一区域处靠近空穴选择性接触层的表层和/或所述第二区域处靠近电子选择性接触层的表层形成过渡区，过渡区不具有中间带，进而规避具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁，可以提升光伏器件的输出功率。过渡区可以只具有导电性掺杂，过渡区的导电性掺杂的类型可以与光吸收体1的其余部分的导电性掺杂的类型相同。过渡区的导电性掺杂的浓度可以与光吸收体1的其余部分的导电性掺杂的浓度相同或不同。
例如，图1所示，光吸收体1的表层在光吸收体1的背光面形成过渡区14，光吸收体1的表层在光吸收体1的向光面处形成过渡区12。过渡区14不具有中间带，过渡区12不具有中间带。
过渡区的导电性掺杂可以与光吸收体1中除了过渡区的部分的导电性掺杂的类型相同。过渡区的导电性掺杂浓度可以为光吸收体1中除了过渡区的部分的导电性掺杂浓度的0.5倍-1.5倍。如，图1中，过渡区14、过渡区12的导电性掺杂可以与光吸收体1中除了过渡区的部分的导电性掺杂的类型相同。光吸收体1中除了过渡区的部分的导电性掺杂浓度为1×1015cm-3，过渡区14、过渡区12的导电性掺杂的浓度可以为(0.5-1.5)×1015cm-3。
光吸收体1中除了过渡区的部分为光吸收主体部分11，光吸收主体部分11同时具备中间带和导电性掺杂。光吸收主体部分11主要用于吸收光能，分离载流子。
如图1中，光吸收体1中除了过渡区12和过渡区14的部分为光吸收主体部分11，光吸收主体部分11同时具备中间带和导电性掺杂。
光吸收体1可以具备不同导电掺杂类型，或仅为单一导电掺杂类型。本申请实施例对此不作具体限定。
可选的，过渡区的厚度小于或等于光吸收体1厚度的50％，一方面不会影响光吸收体1对光的吸收，另一方面还能够充分规避具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁。光吸收体1的厚度是光吸收体1在光吸收体1与电子选择性接触层6设置方向上的尺寸。过渡区的厚度为过渡区在光吸收体1与电子选择性接触层6设置方向上的尺寸。
如图1中，光吸收体1的厚度为h1，过渡区12的厚度为h2，过渡区14的厚度为h3。h2+h3≤50％h1。进而，光吸收主体部分11的厚度大于或等于50％h1。
可选的，光吸收体1的h1厚度h1为2-200um。过渡区的厚度为0.01-10um，不会影响光吸收体1对光的吸收，还能够充分规避具有中间带的光吸收体在与选择性接触材料接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁。
如，图1中，过渡区12的厚度h2为0.01-10um，过渡区14的厚度h3为0.01-10um。
可选的，在半导体材料的中间带能级靠近价带顶的情况下，过渡区至少设置在光吸收体靠近空穴选择性接触层的一侧。具体的，在半导体材料的中间带能级靠近价带顶的情况下，光吸收体靠近空穴选择性接触层的一侧的中间带能级与空穴选择性接触层的传导能级更为接近，光吸收体靠近空穴选择性接触层的一侧更容易发生中间带电子向空穴选择性接触层传导能级发生非局域跃迁，导致中间带电子流失。此种情况下，至少设置在光吸收体靠近空穴选择性接触层的一侧的不具有中间带的过渡区，能够充分规避具有中间带的光吸收体在与空穴选择性接触层接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁，可以提升光伏器件的输出功率。此种情况下，光吸收体靠近电子选择性接触层的一侧是否设置过渡区不作具体限定。
可选的，在半导体材料的中间带能级靠近导带底的情况下，过渡区至少设置在光吸收体靠近电子选择性接触层的一侧。具体的，在半导体材料的中间带能级靠近导带底的情况下，光吸收体靠近电子选择性接触层的一侧与电子选择性接触层的传导能级更为接近，光吸收体靠近电子选择性接触层的一侧更容易发生中间带电子向电子选择性接触层传导能级发生非局域跃迁，导致中间带电子流失。此种情况下，至少设置在光吸收体靠近电子选择性接触层的一侧的不具有中间带的过渡区能够充分规避具有中间带的光吸收体在与电子选择性接触层接触的位置，中间带电子发生非局域跃迁，可以提升光伏器件的输出功率。此种情况下，光吸收体靠近空穴选择性接触层的一侧是否设置过渡区不作具体限定。
可选的，上述光吸收体1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。如，光吸收体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。
可选的，参照图1所示，空穴选择性接触层7位于光吸收体1的背光面，电子选择性接触层6位于光吸收体1的向光面，形成双面电池。或者，空穴选择性接触层7位于光吸收体1的向光面，电子选择性接触层6位于光吸收体1的背光面，形成双面电池。
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。可选的，参照图2所示，空穴选择性接触层7、电子选择性接触层6分别位于光吸收体1的背光面的不同区域，进而形成背接触电池，由于光吸收体1的向光面没有电极遮挡，可以提升光电转换效率。
可选的，光吸收体1的向光面为平面，或，光吸收体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。
可选的，参照图1或图2所示，光伏器件还包括位于光吸收体1向光面的上功能层2，和/或，位于光吸收体1的背光面的下功能层3，上功能层2、下功能层3均包括减反层、钝化层、传输层中的至少一种。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6电性接触的负电极4，以及与空穴选择性接触层7电性接触的正电极5。负电极4用于收集电子选择性接触层6上的电子型载流子，并向外传输电能。正电极5用于收集空穴选择性接触层7上的空穴型载流子，并向外传输电能。负电极4、正电极5的结构和材料不作具体限定。例如，位于光吸收体1背光面的正电极5可以为全背电极。
电子选择性接触层6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6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6包括重掺杂的SiC材料，如重掺杂场效应层。
空穴选择性接触层7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7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7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7包括重掺杂的SiC材料，如重掺杂场效应层。
例如，参照图3所示，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。与图1不同的是，电子选择性接触层6包括上场效应层61。空穴选择性接触层7包括下场效应层71。
可选的，上述电子选择性接触层6、空穴择性接触层7、过渡区、场效应层均可以只是在电极对应的位置设置，电子选择性接触层6、空穴择性接触层7分别设置在对应的过渡区内。在光吸收体1上，过渡区的投影略微大于选择性接触层的投影，选择性接触层的投影位于过渡区的投影内。过渡区的投影的边缘，相对于选择性接触层的投影的边缘在四周至少具备0.01-10um的间隙。
例如，参照图4所示，图4示出了本发明实施例中的第四种光伏器件的结构示意图。与图1不同的是，电子选择性接触层6、过渡区12只是在负电极4对应的位置设置。空穴择性接触层7、过渡区14均只是在正电极5对应的位置设置。
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，光吸收主体部分11采用n型导电性掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3量级，厚度为50um。光吸收主体部分11采用Ni元素作为中间带掺杂，掺杂浓度为1.5at％。在光吸收主体部分11向光面设置过渡区12，过渡区12无中间带掺杂元素，仅包含导电性掺杂，导电性掺杂元素浓度等于或略高于光吸收主体部分11，掺杂浓度为1×1016cm-3-1.5×1016cm-3量级。过渡区12厚度h2为100nm。
在光吸收主体部分11背光面设置过渡区14，过渡区14无中间带掺杂元素，仅包含导电性掺杂，导电性掺杂元素浓度等于或略低于光吸收主体部分11，掺杂浓度为0.5×1016cm-3-1×1016cm-3量级。过渡区14厚度h3为100nm。
在过渡区12上设置电子选择性接触层6，电子选择性接触层6为掺氟氧化锡材料，厚度50nm。过渡区12与电子选择性接触层6之间可存在界面层或界面区域，如氧化硅。
在过渡区14上设置空穴选择性接触层7，空穴选择性接触层7为氧化镍，厚度60nm。过渡区14与空穴选择性接触层7之间可以存在界面层或界面区域，如氧化硅。
电子选择性接触层6上设置上功能层2，可以为一层或多层结构，具备减反射效果，如氧化钛、氮化硅叠层。空穴选择性接触层7上设置下功能层3，可以为一层或多层结构，具备减反射等效果，如氧化硅、氮化硅叠层。
整体结构向光面设置负电极4，背光面设置正电极5，得到整体器件结构。
实施例2
参照图3所示，光吸收主体部分11采用硼掺杂作为p型导电性掺杂，掺杂浓度为1×1016cm-3量级。在其背光面采用磷元素作为n型导电性掺杂，以构建pn结，掺杂浓度为1×1016cm-3量级。
光吸收主体部分11整体采用镍元素作为中间带掺杂，掺杂浓度为1at％。通过镍元素掺杂可以获得距离价带0.76eV的稳定中间带，硼元素在实现导电性掺杂的同时，可以构建距离价带0.7eV的中间带缓冲带。光吸收主体部分11厚度为80um。
光吸收主体部分11上设置过渡区12，只含有硼元素掺杂，无镍元素掺杂，掺杂浓度与光吸收主体部分11相同，厚度为50nm。
过渡区12上设置有上场效应层61，采用高浓度硼元素掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3量级，厚度为50nm。过渡区12、上场效应层61之间存在硼元素掺杂浓度梯度的过渡层。
光吸收主体部分11背光面设置过渡区14，只含有磷元素掺杂，与光吸收主体部分11背光面磷元素掺杂浓度相同，过渡区14厚度50nm。
过渡区14上设置下场效应层71，采用高浓度磷元素掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3量级，厚度为50nm。过渡区14、下场效应层71之间存在磷元素掺杂浓度梯度的过渡层。
光吸收体1的掺杂可以通过外延生长的过程中添加掺杂剂或离子注入等工艺实现。
实施例3
参照图2所示，在光吸收主体部分11背光面局部区域设置过渡区12，过渡区12导电性掺杂浓度为1.5×1016cm-3。
过渡区12上设置电子选择性接触层6，用于收集电子型载流子，电子选择性接触层6为重掺杂n型碳化硅，掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3量级。
在光吸收主体部分11背光面其余区域设置过渡区14，导电性掺杂浓度为0.5×1016cm-3。
在过渡区14上设置空穴选择性接触层7，用于收集空穴型载流子，采用p型导电性掺杂元素，如镓元素，掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3量级，过渡区14不包含中间带掺杂。
电子选择性接触层6、空穴选择性接触层7之间保留隔离间隙，防止漏电。更优地，过渡区12、过渡区14之间也具备电气隔离间隙，防止漏电。电子选择性接触层6、空穴选择性接触层7、过渡区12、过渡区14可以采用外延方法制作。
光吸收主体部分11上设置上功能层2，可以为一层或多层结构，具备表面钝化、场效应、减反射等效果，如氧化硅、氧化钛、氮化硅叠层；
得到的结构的背光面设置下功能层3，可以为一层或多层结构，具备表面钝化、场效应、减反射等效果，更优地，下功能层3可以填充电子选择性接触层6、空穴选择性接触层7之间的隔离间隙，以增强隔离效果。下功能层3的材料为氧化硅、氮化硅叠层。
在电子选择性接触层6上设置负电极4，在空穴选择性接触层7上设置正电极5，完成整体器件结构。
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 (10)

1.一种光伏器件，其特征在于，包括：光吸收体、空穴选择性接触层、电子选择性接触层；所述空穴选择性接触层传输所述光吸收体产生的空穴型载流子；所述电子选择性接触层传输所述光吸收体产生的电子型载流子；
所述光吸收体包含具有中间带的半导体材料；
所述空穴选择性接触层、所述电子选择性接触层对应的区域分别为第一区域、第二区域；所述光吸收体至少在所述第一区域处靠近空穴选择性接触层的表层和/或第二区域处靠近电子选择性接触层的表层形成过渡区，所述过渡区不具有中间带。
2.根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，所述过渡区的厚度小于或等于所述光吸收体厚度的50％。
3.根据权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，
在所述半导体材料的中间带能级靠近价带顶的情况下，所述过渡区至少设置在光吸收体靠近所述空穴选择性接触层的一侧；
在所述半导体材料的中间带能级靠近导带底的情况下，所述过渡区至少设置在光吸收体靠近所述电子选择性接触层的一侧。
4.根据权利要求1-3中任一所述的光伏器件，其特征在于，所述光吸收体为碳化硅。
5.根据权利要求4所述的光伏器件，其特征在于，所述光吸收体的厚度为10-200um；所述过渡区的厚度为0.01-10um。
6.根据权利要求4所述的光伏器件，其特征在于，形成所述中间带的杂质掺杂浓度为0.01-10at.％。
7.根据权利要求1-3中任一所述的光伏器件，其特征在于，形成所述中间带的杂质元素包括钴、铬、镍、锰、铁、钪、钛、钒、铜、锌、硼、氮、氧中的至少一种。
8.根据权利要求1-3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体的向光面和背光面；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体的背光面的不同区域。
9.根据权利要求1-3中任一所述的光伏器件，其特征在于，所述光吸收体的向光面为平面，或，所述光吸收体的向光面具有陷光结构。
10.根据权利要求1-3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体向光面的上功能层，和/或，位于所述光吸收体背光面的下功能层，所述上功能层、所述下功能层均包括减反层、钝化层、传输层中的至少一种。
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