CN1941421A

CN1941421A - 带有散射器的太阳电池

Info

Publication number: CN1941421A
Application number: CN 200510030152
Authority: CN
Inventors: 陈烨; 陈祖培
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-04

Abstract

一种带有散射器的太阳电池。它由半导体光伏器件和散射器组成。由于引入了散射器，入射太阳光在半导体光伏器件内经多次折返，光程和吸收增加，产生的光电子更多，因而可形成的光电流更大，从而使光电转换效率提高，并且由于又可使用较少的半导体材料而使成本降低。

Description

带有散射器的太阳电池

技术领域

本发明涉及半导体器件，属于太阳电池，更具体地说，是一种带有散射器的太阳电池。

背景技术

太阳电池是利用半导体中光伏效应设计制造的太阳能/电能的转换器件。太阳电池已成为电能的一个新的来源，太阳能取之不尽，用之不竭。尽管含有多个势垒的(多结)半导体太阳电池的光电转换效率高达30％以上，但制造成本很高，应用最广的还是单结硅太阳电池。采用单晶硅或多晶硅的单结太阳电池的光电转换效率一般只有15％左右。在USP 6663944和5949123中公布了在太阳电池受光表面(正面)形成表面纹理结构，减小表面反射损失，以提高光电转换效率的方法。该方法已成功用于多晶硅太阳电池，光电转换效率已提高到24％。

近年来，采用多晶硅和非晶硅薄膜来替代单晶硅半导体已经使制造成本较大幅度的降低。为了节约材料，降低成本，硅薄膜应做得尽可能嫩薄，但这样一来，半导体硅对太阳光的吸收将大为减少，特别是在红光和红外波段，透过半导体未被吸收的光在入射光中所占的比例将会很大。尽管硅薄膜太阳电池的成本最低，但由于其光电转换效率较低，一般只有13％，不能完全取代单晶硅半导体。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电转换效率高和成本低的带有散射器的太阳电池。

本发明将一个散射器与传统结构的太阳电池组合成一个高效率太阳电池。散射器使入射光以大角度折返回半导体提高吸收和光电转换效率。由于使用薄的半导体材料，太阳电池的成本大大降低。本发明太阳电池，包括一个块状半导体光伏器件，正负接触电极和一个散射器。或包括一个薄膜半导体光伏器件，正负接触电极，衬底和一个散射器。位于光伏器件的二个表面的正负接触电极是镀有金属栅挌的透明导电薄膜或其中位于背部的一个是全反射金属薄膜。散射器由尺寸大小规则分布的或随机分布微棱镜，或微透镜组成，它也可以直接在半导体薄片或衬底背光表面制成纹理结构，或反射光栅、或菲涅耳透镜形成。所说的半导体光伏器件是半导体势垒，它可以是p-n结，肖特基势垒MS，金属-绝缘体-半导体势垒MIS，异质结，p-i-n结，或这些势垒的任意组合。所说的透明导电膜可以是金属氧化物导电薄膜薄，也可以是薄金属膜。所说的纹理结构的不规则表面用喷沙，腐蚀，外延，或离子刻蚀方法加工形成。所说的微棱镜一维线列或二维列阵用定向腐蚀，外延，复制，热压，或离子刻蚀方法加工形成。微透镜一维线列或二维列阵用定向腐蚀，复制，外延，复制，热压，玻璃或塑料岛热熔或离子刻蚀方法加工形成。所说的反射光栅用定向腐蚀，外延，复制，热压，真空热蒸发，扩散或离子刻蚀方法加工形成。

本发明的有益效果在于太阳电池引入了散射器，太阳光入射后在半导体内经多次折返吸收，产生更多光电子，因而可形成更大光电流而提高了太阳电池光电转换效率。并且又可使用薄的半导体材料而降低了成本。

附图说明

图1是传统半导体薄片太阳电池的剖面示意图。

图2是本发明的第一实施例的剖面示意图。

图3是本发明的第二实施例的剖面示意图。

图4是本发明的第三实施例的剖面示意图。

图5是本发明的第四实施例的剖面示意图。

图6是本发明的第五实施例的剖面示意图。

图7是本发明的第六实施例的剖面示意图。

图8是本发明的第七实施例的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

先介绍一个传统的半导体薄片太阳电池的实施例。请参阅图1，在N型半导体薄片2的一个表面上形成P区201，另一个表面上形成n⁺区203，中部为n区202；P区201的表面有一个透明导电膜1，透明导电膜1的表面有一个金属网格电极101。n⁺区203的表面为金属全反射电极8。太阳光11入射半导体后，有很大部分太阳光9被反射并透出半导体，光电转换效率很低。

图2为本发明的第一实施例的剖面示意图。图2中，1为透明电极，它是带金属网格101辅助导电的氧化物导电薄膜，或是带金属网格101辅助导电的薄金属膜。在N型(或P型)半导体薄片2的一个表面上形成P区(或n区)201，并形成p-n结，另一个表面被加工成微型棱镜列阵，再在其表面形成n⁺区(或p⁺区)203，n⁺区(或p⁺区)203的表面为金属全反射电极8。太阳光12入射半导体后第一次通过半导体薄片未被吸收的光，经金属全反射电极8全部反射，并以大于全反射角的角度(与半导体表面法线方向的夹角)第二次通过半导体薄片2，未被吸收的光被全反射，再次入射半导体，由于多次往返光程长，被吸收的光，产生的光电子更多，因而可形成更大的光电流，从而提高光电转换效率。

作为本发明的第二实施例，请参阅图3。其特证为p区201和n⁺区203都位于半导体薄片正面。图3中101为n⁺区203的栅状金属电极，102为p区201的栅状金属电极，1b为光学透明饨化介质层，202为n区；3为背面散射器。散射器是一个镀有金属全反射膜的带有纹理结构的不规则表面。入射光13穿过半导体p-n结区2在散射器3上反射，并以大于全反射角的角度折向p-n结区，再由半导体正面全反射，重新折返半导体。经多次吸收，产生更多光电子，因而可形成更大的光电流，从而提高光电转换效率。

本发明的第三实施例，请参阅图4，微棱镜散射器及其表面的金属或介质全反射镀层3加工在衬底材料5上。图4中，1和4为带金属网格辅助导电的金属氧化物薄膜，或金属薄膜，2为半导体p-n结，5为光学透明衬底。微棱镜每个面与半导体薄片表面间夹角大于半导体材料的全反射角。入射到半导体内的太阳光在微棱镜反射后以偏离半导体正面法线较大角度传输，且在半导体表面全反射，以至可以多次穿透半导体p-n结区，即使半导体材料较薄，它对太阳光的吸收仍然很大，因而太阳电池光电转换效率很高。

本发明的第一、第二、第三实施例中，在传统太阳电池中半导体薄片背向入射光的表面制成由尺寸大小规则分布的或随机分布的微棱镜构成的纹理结构，形成散射器。这些微棱镜可以用化学腐蚀法，等离子体腐蚀，机械刻划，激光刻蚀和反应离子刻蚀等方法形成。对于单晶硅和多晶硅半导体太阳电池，分别以各向异性化学腐蚀和各向同性化学腐蚀为最佳。本发明在N型半导体薄片背面形成纹理结构后，进行硼掺杂形成n⁺区。在正面进行磷掺杂形成p区。再在p区表面溅射氧化物导电薄膜后印制栅状银浆涂层，并在n⁺区表面涂上银浆，然后放入炉子中加温还原成正面栅状银电极和背面银电极。

当然p-n结外，肖特基势垒MS，金属-绝缘体-半导体势垒MIS，或异质结，或所说器件的任意组合。也适用于本发明的第一、第二、第三实施例。

本发明的第四个实施例，请参阅图5。微透镜列阵散射器被安装于半导体材料正对入射光一面，微透镜的直径在1-200μm范围。太阳光被聚焦于半导体材料内，至使大部分光线以偏离光伏器件平面法线较大角度传输，因而可增加半导体材料对太阳光的吸收。图5中，6为敷于微透镜列阵上的带金属网格的透明导电薄膜，7为表面直接加工成微透镜列阵的光伏器件。微透镜是半球状或抛物面状，或菲涅耳透镜列阵结构。8为全反射金属电极。

本发明的第五个实施例，请参阅图6。微透镜列阵散射器被安装于半导体正对入射面一边，太阳光被聚焦于半导体材料内。在图6中，9为透明介质材料制成的微透镜列阵，图中4为带金属网格的透明电极，2为半导体光伏器件，8为全反射金属电极，光入射经透镜聚焦后，大部分光线均以偏离光伏器件平面法线较大角度传输，在半导体内光程较长，具有高吸收，因此提高了光电转换效率。

本发明的第六个实施例，请参阅图7。微透镜列阵散射器直接加工在半导体背面。图6中，1为透明电极，7为加工有微透镜列阵散射器的半导体光伏器件，10为加工在微透镜列阵上的全反射镀膜。当然，光散射器也可加工成反射光栅，菲涅耳透镜等形式。

本发明的第七个实施例，请参阅图8。微透镜列阵散射器被安装在太阳电池背面，入射光经光伏器件后未被吸收的部分被会聚，其中大部分光线从偏离薄片平面法线较大角度传输，在半导体内传输的光程增加，因而同样具有很高光电转换效率。图8中，1和4为带金属网格的透明电极，2为半导体光伏器件，9为微透镜列阵，10为全反射薄膜，薄膜材料可以是氧化物介质材料，或是银，铜，或铝等材料金属。

上述实施例中的或棱镜、或透镜、或反射光栅、或菲涅耳透镜的微散射器，皆可做成一维线列或二维列阵而与半导体光伏器件相组合。

Claims

1.一种带有散射器的太阳电池，其特征在于所述的太阳电池包括一个体半导体光伏器件，正负接触电极和一个散射器。

2.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所说的体半导体光伏器件包含一个或多个半导体势垒的半导体薄片，半导体势垒可以是肖特基势垒，金属-绝缘体-半导体势垒，异质结，P-N结，或P-I-N结，或它们的任意组合。

3.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所说的正负接触电极为分别位于半导体薄片两表面，其中的一个是带有金属栅格的透明导电薄膜，另一个是全反射金属薄膜。

4.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所说的散射器是一个镀有金属全反射膜的带有纹理结构的不规则表面，位于半导体薄片的背面。

5.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所说的散射器是一个表面镀有金属全反射膜的尺寸大小规则分布的或随机分布位于半导体薄片背面的棱镜、或透镜、或反射光栅、或菲涅耳透镜的微散射镜一维线列或二维列阵，位于半导体薄片的背面。

6.一种带有散射器的太阳电池，其特征在于所述的太阳电池包括薄膜半导体光伏器件，正负接触电极，衬底和一个散射器。

7.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于所说的薄膜半导体光伏器件包含一个或多个薄膜半导体势垒的半导体薄膜，薄膜半导体势垒可以是薄膜肖特基势垒MS，薄膜金属-绝缘体-半导体势垒MIS，薄膜异质结，薄膜P-N结，薄膜P-I-N结，或所说薄膜半导体势垒的任意组合。

8.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于所说的正负接触电极为分别位于薄膜半导体光伏器件的二个表面，至少其中的一个是带有金属栅格的透明导电薄膜，另一个是全反射金属薄膜。

9.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于所说的散射器是衬底的一个镀有金属全反射膜的带有纹理结构的不规则表面，位于衬底的背面。

10.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于所说的散射器是一个表面镀有金属全反射膜的尺寸大小规则分布的或随机分布位于衬底背面的棱镜、或透镜、或反射光栅、或菲涅耳透镜的微散射镜一维线列或二维列阵，位于半导体薄膜的背面。