CN112786719A - 太阳电池及电池组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了太阳电池及电池组件，涉及光伏技术领域。太阳电池包括PN结，PN结由基体层以及反型层形成，反型层具有第一重掺杂区域，第一重掺杂区域从反型层远离基体层的一侧向反型层内延伸；沿远离基体层的方向，反型层与第一重掺杂区域的厚度差为1‑100nm；室温Tm下，第一重掺杂区域形成弱简并或简并半导体，反型层的其余部分和基体层均为非简并半导体，弱简并或简并半导体设置为，费米能级与n型半导体的导带底或p型半导体的导带顶的能级差小于2kB×Tm。在施加反向电压的情况下PN结会作为隧道结，PN结中形成隧道电流，并反向导通，电池串无需并联旁路二极管；在出现异常时，电池串中其余太阳电池允许正常电流通过，损失电流少，发热少。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，特别是涉及一种太阳电池及电池组件。
背景技术
太阳电池具有正向导通反向截止的特性，由太阳电池形成的电池组件在某一个太阳电池出现异常情况下，与该太阳电池串联的整个太阳电池串的输出电流受到很大影响，且容易造成电池组件损坏。
目前，通过为太阳电池串设置并联的旁路二极管，以解决上述问题。然而，旁路二极管导通时功率下降多、发热较为严重，容易引起严重的安全隐患。
发明内容
本发明提供一种太阳电池及电池组件，旨在解决太阳电池串设置并联的旁路二极管，功率下降多、发热严重的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种太阳电池，包括PN结，所述PN结由基体层以及反型层形成，所述基体层与所述反型层的掺杂类型不同；所述反型层具有第一重掺杂区域，所述第一重掺杂区域从所述反型层远离所述基体层的一侧向所述反型层内延伸，所述第一重掺杂区域与所述反型层的掺杂类型相同；
沿远离所述基体层的方向，所述反型层与所述第一重掺杂区域的厚度差为1-100nm；
室温Tm下，所述第一重掺杂区域形成弱简并或简并半导体，所述反型层的其余部分和所述基体层均为非简并半导体，所述弱简并或简并半导体设置为，费米能级与n型半导体的导带底或p型半导体的导带顶的能级差小于2kB×Tm。
本发明实施方式中，第一重掺杂区域从反型层远离基体层的一侧向反型层内延伸，沿远离基体层的方向，反型层与第一重掺杂区域的厚度差为1-100nm，则第一重掺杂区域与pn结界面处的距离为1-100nm，可以减少界面处的复合，并降低载流子非局域跃迁电流。本发明实施方式中的PN结，在施加正向电压的情况下，作为一般的PN结存在，用于分离载流子。基体层、反型层、第一重掺杂区域形成重掺杂结，在施加反向电压的情况下，该重掺杂结会作为隧道结存在，PN结中形成隧道电流，并反向导通，并没有被反向击穿，在施加正向电压的情况下，又恢复为一般的PN结存在。而在出现异常的情况下，该重掺杂结又会作为隧道结存在，不会被击穿，不会影响与该太阳电池串联的整个太阳电池串的输出，一方面由该太阳电池形成的电池串无需并联旁路二极管，封装损失小，可以减小接线盒的尺寸；另一方面，在出现异常时，电池串中其余太阳电池均允许正常电流通过，仅是出现异常的太阳电池的输出电流受影响，损失的电流少，发热少，最大程度上降低了热斑效应，具备更高的可靠性和长期稳定性，组件功率下降也少。可选的，由上述太阳电池形成的电池组件的背板无需开孔，工艺简单，成本低。
根据本发明的第二方面，还提供一种电池组件，包括：任一前述的太阳电池。
上述电池组件，具有与前述太阳电池相同或相似的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对本发明实施方式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方式，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示出了本发明实施方式中的第一种太阳电池的结构示意图；
图2示出了本发明实施方式中的第二种太阳电池的结构示意图；
图3示出了本发明实施方式中的第三种太阳电池的结构示意图；
图4示出了本发明实施方式中的第四种太阳电池的结构示意图。
附图编号说明：
1-基体层，2-反型层，3-第一重掺杂区域，4-第一电极，5-第二电极，6-上表面功能层，7-下表面功能层，8-第二重掺杂区域，9-阻断结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
发明人发现，现有技术中在某一个PN结太阳电池出现异常情况下，电池串的输出电流受到很大影响，且容易造成电池组件损坏的原因在于：当某一片PN结太阳电池破损、被遮挡等异常情况下，电池串中该片太阳电池输出电流及电压下降，其余太阳电池均正常输出，此时异常太阳电池处于反向偏置状态，但由于其反向截止的特性不允许电池串中其余太阳电池的电流通过，异常太阳电池需要消纳整串电池串的富余输出功率。为了解决这个问题，现有技术中，为电池串并联旁路二极管，在正常运行时，旁路二极管处于反向截止状态，在出现异常时，旁路二极管会正向偏置导通，短路掉异常的太阳电池所在的电池串，以保护受损的太阳电池。但是当旁路二极管正向偏置导通的情况下，异常的太阳电池所在的电池串的输出功率受到限制，异常的太阳电池所在的电池串的输出功率均不会作为电池组件的输出功率，导通的旁路二极管需要通过较大的电流，同时二极管所在环境散热较差，使得旁路二极管及接线盒发热严重，容易引发严重的电气安全隐患，甚至发生火灾。
在本发明实施方式中，参照图1所示，图1示出了本发明实施方式中的第一种太阳电池的结构示意图。该太阳电池包括：PN结。PN结包括基体层1以及反型层2，基体层1和反型层2的掺杂类型不同，即基体层1以及反型层2两者中一个的掺杂类型为P型，另一个的掺杂类型为N型，至于两者中那个的掺杂类型是P型不作具体限定。例如，若图1中基体层1的掺杂类型为N型，则，反型层2的掺杂类型即为P型。反型层2设置在基体层1的背光面或向光面。如图1所示，反型层2设置在基体层1的背光面。参照图2所示，图2示出了本发明实施方式中的第二种太阳电池的结构示意图。图2中，反型层2设置在基体层1的向光面。
反型层2具有第一重掺杂区域3，第一重掺杂区域3从反型层2远离基体层1的一侧向反型层2内延伸，第一重掺杂区域3向内延伸的深度不作具体限定。第一重掺杂区域3与反型层2的掺杂类型相同。如，反型层2的掺杂类型为P型，第一重掺杂区域3的掺杂类型也为P型。
参照图1所示，沿远离基体层1的方向，反型层2与第一重掺杂区域3的厚度差h1为1-100nm，则，则第一重掺杂区域3与pn结界面处的距离为1-100nm，可以减少界面处的复合，并降低载流子非局域跃迁电流。更优地，反型层2与第一重掺杂区域3的厚度差h1可以为1-50nm。
Tm表征室温，室温Tm下，第一重掺杂区域3形成弱简并或简并半导体。就是说，室温Tm情况下，第一重掺杂区域3掺杂浓度较高，形成弱简并或简并半导体。反型层2的其余部分和基体层1均为非简并半导体，
反型层2的其余部分和基体层1均为非简并半导体，即，反型层2的其余部分和基体层1掺杂浓度较低，为非简并半导体。
第一重掺杂区域3形成弱简并或简并半导体，具体设置为，第一重掺杂区域3的费米能级与n型半导体的导带底或p型半导体的价带顶的能级差小于2kB×Tm，该公式中kB为玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)，kB取值为1.380649×10-23J/K。由上述基体层1和反型层2形成的PN结，在施加正向电压的情况下，作为一般的PN结存在，用于分离载流子。基体层1、反型层2、第一重掺杂区域3形成重掺杂结，在施加反向电压的情况下，该重掺杂结会作为隧道结存在，PN结中形成隧道电流，并反向导通，并没有被反向击穿，在施加正向电压的情况下，又恢复为一般的PN结存在。而在出现异常的情况下，该重掺杂结又会作为隧道结存在，不会被击穿，不会影响与该太阳电池串联的整个太阳电池串的输出，一方面由该太阳电池形成的电池串无需并联旁路二极管，封装损失小，可以减小接线盒的尺寸；另一方面，在出现异常时，电池串中其余太阳电池均允许正常电流通过，仅是出现异常的太阳电池的输出电流受影响，损失的电流少，发热少，最大程度上降低了热斑效应，具备更高的可靠性和长期稳定性，组件功率下降也少。
更为具体的，在存在第一重掺杂区域3的位置，基体层1、反型层2、第一重掺杂区域3构成重掺杂结，当承受反向电压时，该重掺杂结可以成为隧道结，使得反向电流可以通过。正常工作时，即在施加正向电压的情况下，重掺杂结中由于较薄的反型层2的存在，可以避免或减少载流子由第一重掺杂区域3向基体层1发生非局域跃迁，降低界面漏电电流，可以获得较高的光电转换效率。
例如，以p型硅基体层1为例，重掺杂结的反型层2为n型，第一重掺杂区域3为n+区域，正常工作时，即在施加正向电压的情况下，光激发电子由p型区域流向n型区域，再由n+区域收集并导出。当该器件异常时，即承受反向电压时，输出电压下降，与其串联的器件正常工作，因此该器件内电子流向改为由n+区域向p型区域，现有的常规pn结在此时会发生截止，不能通过该电流，但是本发明实施例中的电子可以依靠隧穿复合机制由n+区域流向p区，反向导通，并没有被反向击穿。
可选的，第一重掺杂区域3通过离子注入或激光注入的方式，设置在反型层2的局部区域内。
可选的，参照图1或图2所示，第一重掺杂区域3在基体层1的向光面的投影面积，占反型层2在基体层1的向光面的投影面积的1％-50％，由上述尺寸比例形成的重掺杂结，在施加反向电压的情况下，该重掺杂结作为隧道结存在，更易于反向导通。
可选的，第一重掺杂区域3在基体层1的向光面的投影为点状或线状图案，第一重掺杂区域3还可以作为选择性接触结构，利于载流子的收集。
可选的，基体层1的材料选自：晶体硅，如单晶硅或多晶硅，掺杂浓度可以为1×1013cm-3-1×1016cm-3，或者，基体层1的掺杂浓度可以为1×1016cm-3-1×1018cm-3。需要说明的是，基体层1的掺杂浓度若较高，在重掺杂结施加反向电压的情况下，隧道结的整体电阻较小，导通能力较强。
可选的，反型层2的材料选自：晶体硅、非晶硅、过渡金属氧化物半导体材料、III-V半导体材料中的至少一种。例如，反型层2的材料是晶体碳化硅、非晶碳化硅材料。反型层2的材料可以是过渡金属氧化物半导体材料，如氧化锌(掺铝)、氧化锡、氧化钛、氧化钼等。反型层2的材料可以是III-V半导体材料，如砷化镓、磷化铟等。反型层2的掺杂浓度不限。
可选的，第一重掺杂区域3的材料选自：晶体硅、非晶硅、过渡金属氧化物半导体材料、III-V半导体材料中的至少一种，第一重掺杂区域3的掺杂浓度较高，需要形成弱简并或简并半导体。
需要说明的是，第一重掺杂区域3的材料与反型层2的材料可以相同或不同。
可选的，参照图1或图2所示，反型层2设置在基体层1一侧的整个区域，第一电极4设置在第一重掺杂区域3上，第二电极5设置在基体层1上，进而形成双面电池。例如，参照图1所示，反型层2设置在基体层1背光面的整个区域，第一电极4设置在第一重掺杂区域3上，第二电极5设置在基体层1上，形成双面电池。再例如，参照图2所示，反型层2设置在基体层1向光面的整个区域上。
图3示出了本发明实施方式中的第三种太阳电池的结构示意图。可选的，参照图3所示，基体层1的一侧区分为第一区域和第二区域，反型层2设置在基体层1的一侧的第一区域内，也就是说反型层2只是设置在基体层1的一侧的局部区域内。太阳电池还包括：第二重掺杂区域8，第二重掺杂区域8位于第二区域内，就是说第二重掺杂区域8与反型层2位于基体层1的同一侧，且第二重掺杂区域8位于基体层1一侧未设置反型层2的区域内。第二重掺杂区域8与基体层1的掺杂类型相同，且掺杂浓度大于基体层，第二重掺杂区域8与基体层1形成浓度梯度差，利于提升光电转换效率。例如，图3中基体层1与第二重掺杂区域8的掺杂类型均为N型，第二重掺杂区域8的掺杂浓度大于基体层1的掺杂浓度。
需要说明的是，上述第一区域和第二区域的相对大小不作具体限定。例如，用于收集和/或传输少数载流子的区域面积可以大于用于收集和/或传输多数载流子的区域的面积，以利于少数载流子的收集和/或传输。
图3所示的太阳电池还包括：第一电极4和第二电极5，第一电极4设置在第一重掺杂区域3上，第二电极5设置在第二重掺杂区域8上，形成单面电池。
可选的，图3所示的太阳电池还包括：阻断结构9，阻断结构9位于第二重掺杂区域8与反型层2之间，以避免漏电。
可选的，上述阻断结构9可以为绝缘间隙，或，阻断结构9由电介质材料形成，进而不仅绝缘效果好，而且阻断结构9易于获得。
需要说明的是，PN结形成后，需控制后续工艺温度，过高的后续工艺温度会导致PN结界面发生元素扩散或界面层裂解，破坏PN结界面，导致效率下降。例如，PN结表面印刷电极并烘干、烧结，烧结温度不超过500℃，以保护PN结界面，减少界面扩散。
可选的，基体层1的背光面为平面结构或陷光结构，和/或，基体层1的向光面为平面结构或陷光结构，与其接触的反型层2适应基体层1表面结构。
可选的，参照图2或图3所示，PN结的向光面设置有上表面功能层6，上表面功能层6可以为正面钝化层、正面减反射薄膜层、散射结构层、聚光结构层中的至少一种；和/或，在PN结的背光面设置有下表面功能层7，下表面功能层7可以为背面钝化层、背面减反射薄膜层、散射结构层、聚光结构层中的至少一种。
本发明实施方式还提供了一种电池组件，包括：任一前述太阳电池。该电池组件中，每个电池串中无需并联旁路二极管。该电池组件中的太阳电池具体可以参照前述有关记载，并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。
下面以具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
参照图4所示，图4示出了本发明实施方式中的第四种太阳电池的结构示意图。图4中基体层1采用n型单晶硅片，掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为150um。反型层2位于基体层1的整个背光面，采用浅结工艺，扩散成p型层，反型层2的平均深度为100nm。在反型层2下采用离子注入或激光工艺，设置第一重掺杂区域3。第一重掺杂区域3掺杂浓度为1×1018cm-3。沿远离基体层1的方向，反型层2与第一重掺杂区域3的厚度差为10nm。
实施例2
参照图2所示，基体层1采用n型单晶硅片，掺杂浓度为1×1016cm-3，厚度为150um。基体层1的向光面及背光面均为绒面结构。
反型层2位于基体层1的整个向光面，采用浅结工艺，扩散成p型层。反型层2平均深度700nm。
在反型层2中采用激光工艺，设置第一重掺杂区域3。第一重掺杂区域3掺杂浓度为1×1018cm-3，沿远离基体层1的方向，反型层2与第一重掺杂区域3的厚度差为50nm。
实施例3
参照图3所示，基体层1采用n型单晶硅片，掺杂浓度为0.5×1016cm-3，厚度为100um。基体层1向光面为绒面结构，可以具备前表面场。
反型层2位于基体层1背光面局部区域，采用浅结工艺，扩散成p型层。反型层2平均深度100nm。
在基体层1背光面，除反型层2的其余区域，设置第二重掺杂区域8，第二重掺杂区域8为n型掺杂，掺杂浓度高于基体层1掺杂浓度。第二重掺杂区域8与反型层2之间设置阻断结构9，阻断结构9为绝缘间隙或电介质材料。
在反型层2下采用离子注入或激光工艺，设置第一重掺杂区域3。第一重掺杂区域3掺杂浓度为1×1018cm-3。沿远离基体层1的方向，反型层2与第一重掺杂区域3的厚度差为10nm。
上面结合附图对本发明的实施方式进行了描述，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 (9)
1.一种太阳电池，其特征在于，包括PN结，所述PN结由基体层以及反型层形成，所述基体层与所述反型层的掺杂类型不同；
所述反型层具有第一重掺杂区域，所述第一重掺杂区域从所述反型层远离所述基体层的一侧向所述反型层内延伸，所述第一重掺杂区域与所述反型层的掺杂类型相同；
沿远离所述基体层的方向，所述反型层与所述第一重掺杂区域的厚度差为1-100nm；
室温Tm下，所述第一重掺杂区域形成弱简并或简并半导体，所述反型层的其余部分和所述基体层均为非简并半导体，所述弱简并或简并半导体设置为，费米能级与n型半导体的导带底或p型半导体的导带顶的能级差小于2kB×Tm。
2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述第一重掺杂区域在所述基体层的向光面的投影面积，占所述反型层在所述基体层的向光面的投影面积的1％-50％。
3.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述第一重掺杂区域在所述基体层的向光面的投影为点状或线状图案。
4.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，所述基体层的材料选自：晶体硅；
所述反型层的材料选自：晶体硅、非晶硅、过渡金属氧化物半导体材料、III-V半导体材料中的至少一种；
所述第一重掺杂区域的材料选自：晶体硅、非晶硅、过渡金属氧化物半导体材料、III-V半导体材料中的至少一种。
5.根据权利要求1-4中任一所述的太阳电池，其特征在于，所述反型层设置在所述基体层一侧的整个区域；
所述太阳电池还包括：第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述第一重掺杂区域上，所述第二电极设置在所述基体层上。
6.根据权利要求1-4中任一所述的太阳电池，其特征在于，
所述基体层的一侧区分为第一区域和第二区域；
所述反型层设置在所述基体层的一侧的第一区域内；
所述太阳电池还包括：第二重掺杂区域，所述第二重掺杂区域位于所述第二区域内；
所述第二重掺杂区域与所述基体层的掺杂类型相同，且掺杂浓度大于所述基体层；
所述太阳电池还包括：第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述第一重掺杂区域上，所述第二电极设置在所述第二重掺杂区域上。
7.根据权利要求6所述的太阳电池，其特征在于，所述太阳电池还包括阻断结构，所述阻断结构位于第二重掺杂区域与所述反型层之间。
8.根据权利要求7所述的太阳电池，其特征在于，所述阻断结构为绝缘间隙，或，所述阻断结构由电介质材料形成。
9.一种电池组件，其特征在于，包括：权利要求1至权利要求8中任一所述的太阳电池。
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