TWI446556B - 太陽能電池 - Google Patents

Description

太陽能電池

本發明涉及一種太陽能電池，尤其涉及一種基於奈米碳管的太陽能電池。

太陽能係當今最清潔的能源之一，取之不盡、用之不竭。太陽能的利用方式包括光能-熱能轉換、光能-電能轉換和光能-化學能轉換。太陽能電池係光能-電能轉換的典型例子，係利用半導體材料的光生伏特原理製成的。目前，太陽能電池以矽基太陽能電池(請參見太陽能電池及多晶矽的生產，材料與冶金學報，張明傑等，vo16，p33-38(2007))為主。在矽基太陽能電池中，以單晶矽和多晶矽作為光電轉換的材料。通常用單晶矽片製造太陽能電池。然而，目前單晶矽的製備工藝遠不能滿足太陽能電池發展的需要，並且製備單晶矽需要消耗大量的電能，導致單晶矽片非常昂貴，使得使用單晶矽片的太陽能電池也非常昂貴。近年來，具有多晶矽襯底的矽太陽能電池的成本日益跌落，其產量顯著增加。

請參閱圖1，為先前技術中的多晶矽太陽能電池30包含一背電極32、一多晶矽襯底34、一摻雜矽層36和一上電極38。所述多晶矽襯底34採用多晶矽製成。所述背電極32設置於所述多晶矽襯底34的下表面341，且與該多晶矽襯底34的下表面341歐姆接觸。所述摻雜矽層36形成於所述多晶矽襯底34的上表面342，作為光電轉換的材料。所述上電極38設置於所述摻雜矽層36的上表面。所述多晶矽 太陽能電池30中多晶矽襯底34和摻雜矽層36形成P-N結，所述P-N結於太陽光的激發下產生複數個電子-電洞對(激子)，所述電子-電洞對於靜電勢能作用下分離並分別向所述背電極32和上電極38移動。如果於所述多晶矽太陽能電池30的背電極32與上電極38兩端接上負載，就會有電流通過外電路中的負載。

然而，先前技術中的多晶矽太陽能電池30的結構複雜。而且，於多晶矽襯底的生長過程中，由於熱應力的作用，會於晶粒中產生大量的缺陷(如懸掛鍵、晶界、位錯、微缺陷等)。其中，懸掛鍵係多晶矽中的主要缺陷之一，存在於多晶矽的疇界處，成為載流子的俘獲中心。晶粒間的雜質電離產生的載流子首先被懸掛鍵俘獲。懸掛鍵於俘獲載流子之前係電中性的，於俘獲載流子之後懸掛鍵帶電，於其周圍形成一個多子勢區，阻擋載流子從一個晶粒向另一個晶粒運動，導致載流子遷移率下降。且懸掛鍵的存在增加電子-電洞的複合損失，導致所制得的太陽能電池30的光電轉換效率低。為增加載流子的遷移率，提高光電轉換效率。通常於所述多晶矽襯底34的上表面342沈積一磷或砷層，使其與所述多晶矽襯底34作用以形成摻雜矽層36。接著，於所述摻雜矽層36的上表面通過絲網印刷形成金屬電極。然而，形成摻雜矽層36需於高溫條件下進行，工藝複雜，另外，絲網印刷所形成的金屬電極寬度較大，造成遮光面積較大，導致所制得的太陽能電池30的光電轉換效率低。

有鑒於此，提供一種具有較高的光電轉換效率、結構簡 單且製備方法簡單的太陽能電池實為必要。

一種太陽能電池包括一背電極、一多晶矽襯底和一奈米碳管結構。所述背電極設置於所述多晶矽襯底的下表面，且與該多晶矽襯底的下表面歐姆接觸。所述奈米碳管結構設置於所述多晶矽襯底的上表面，且與該多晶矽襯底的上表面接觸。

與先前技術相比較，所述太陽能電池及其製備方法具有以下優點：其一，由於採用奈米碳管結構作為光電轉換材料，可以飽和部分懸掛鍵，降低懸掛鍵對載流子的俘獲無需形成摻雜矽層，同時奈米碳管結構對太陽光具有很好的透光性，採用奈米碳管結構作為上電極，可以提高太陽能電池的光電轉換效率；其二，奈米碳管結構於太陽能電池中起到光電轉換及上電極的雙重作用，且無需磷或砷層，因此結構簡單。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案太陽能電池及其製備方法。

請參閱圖2及圖3，本技術方案實施例提供一種太陽能電池10包括一背電極12、一多晶矽襯底14和一奈米碳管結構16。所述背電極12設置於所述多晶矽襯底14的下表面141，且與該多晶矽襯底14的下表面141歐姆接觸。所述奈米碳管結構16設置於所述多晶矽襯底14的上表面142，且與該多晶矽襯底14的上表面142接觸。

所述太陽能電池10進一步包括至少一電極18，該電極18的材料為銀、金或者奈米碳管等導電材料。所述電極18的形狀和厚度不限，可設置於所述奈米碳管結構16的上表面161或者下表面162，並與奈米碳管結構16的上表面161或者下表面162電接觸。所述電極18的設置可用於收集流過所述奈米碳管結構16中的電流，並與外電路連接。

所述背電極12的材料可為鋁、鎂或者銀等金屬。所述背電極12的厚度為10微米~300微米。所述背電極12的形狀和厚度不限。

所述多晶矽襯底14為p型多晶矽片。該多晶矽襯底14的厚度為200微米~300微米。所述多晶矽襯底14與所述奈米碳管結構16形成異質結結構，從而實現所述太陽能電池中光能到電能的轉換。

所述奈米碳管結構16為一層狀結構，包括複數個均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管結構具有良好的吸收太陽光能力，於所述太陽能電池10中起到光電轉換材料及上電極的雙重作用。該奈米碳管結構包括無序奈米碳管層或者有序奈米碳管層。

所述無序奈米碳管層包括複數個無序排列的奈米碳管。該奈米碳管於無序奈米碳管層中相互纏繞或者各向同性。

所述有序奈米碳管層包括複數個有序排列的奈米碳管，該奈米碳管沿固定方向擇優取向排列。所述的複數個奈 米碳管於該有序奈米碳管層中平行於所述有序奈米碳管層的表面排列，且沿同一方向或者沿複數個方向擇優取向排列。

所述奈米碳管結構16中的奈米碳管為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或者多壁奈米碳管。其中，多壁奈米碳管係金屬性質的，單壁奈米碳管根據其手性和直徑不同分為半導體和金屬兩種，雙壁奈米碳管的屬性係金屬性質的。當所述奈米碳管結構16中的奈米碳管為單壁奈米碳管時，該單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米。當所述奈米碳管結構16中的奈米碳管為雙壁奈米碳管時，該雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米。當所述奈米碳管結構16中的奈米碳管為多壁奈米碳管時，該多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。由於所述奈米碳管結構16中的奈米碳管非常純淨，且由於奈米碳管本身的比表面積非常大，故該奈米碳管結構16本身具有較強的黏性。該奈米碳管結構16可利用其本身的黏性直接固定於所述多晶矽襯底14的表面。

請參閱圖4及圖5，本實施例採用的奈米碳管結構16包括一有序奈米碳管薄膜163。該有序奈米碳管薄膜163可通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲得。該有序奈米碳管薄膜163包括沿拉伸方向定向排列的奈米碳管。具體地，所述有序奈米碳管薄膜163包括複數個首尾相連且長度相等的奈米碳管束164。所述奈米碳管束164的兩端通過凡德瓦爾力相互連接。每個奈米碳管束164包括複數個長度相等且平行排列的奈米碳管165。所述相鄰的奈米碳管165之 間通過凡德瓦爾力緊密結合。所述有序奈米碳管薄膜163係由奈米碳管陣列經進一步處理得到的，故其長度與寬度和奈米碳管陣列所生長的基底的尺寸有關。可根據實際需求制得。本實施例中，採用氣相沈積法於4英寸的基底生長超順排奈米碳管陣列。所述有序奈米碳管薄膜163的寬度可為0.01厘米~10厘米，厚度為10奈米~100微米。所述有序奈米碳管薄膜163中，複數個奈米碳管均勻分佈且平行於所述奈米碳管結構16的表面。所述的複數個奈米碳管沿拉伸方向擇優取向排列，以使所述太陽能電池10具有均勻的電阻、良好導電性及較高的光電轉換效率。

可以理解，所述奈米碳管結構16還可包括至少兩個重疊設置的上述有序奈米碳管薄膜163。具體地，相鄰的兩個有序奈米碳管薄膜163中的奈米碳管具有一交叉角度α，且α大於等於0度小於等於90度，具體可依據實際需求製備。可以理解，由於奈米碳管結構16中的複數個有序奈米碳管薄膜163可重疊設置，故，上述奈米碳管結構16的厚度不限，可根據實際需要製成具有任意厚度的奈米碳管結構16。所述奈米碳管結構16中，複數個奈米碳管均勻分佈且平行於所述奈米碳管結構16的表面。所述的複數個奈米碳管沿固定方向擇優取向排列。

可以理解，所述奈米碳管結構16也可係其他的奈米碳管結構，如複數個奈米碳管長線互相平行鋪設於所述多晶矽襯底14表面，形成一奈米碳管結構16；或者所述奈米碳管結構為一層狀結構，每一層包括複數個互相平行鋪 設於所述多晶矽襯底14表面的奈米碳管長線，相鄰兩層中的奈米碳管長線之間具有一交叉角度β，且β大於等於0度小於等於90度；或者複數個奈米碳管長線互相平行鋪設於一奈米碳管薄膜表面形成一層狀結構，至少一層狀結構形成一奈米碳管結構16；或者奈米碳管粉末與金屬混合形成的複合材料塗覆於所述多晶矽襯底14表面，形成一奈米碳管結構16等，只需具有良好的吸光性、導電性及耐用性等特性即可。

所述太陽能電池10於應用時，太陽光照射到所述奈米碳管結構16，入射光子被所述奈米碳管結構16吸收後，於所述多晶矽襯底14和奈米碳管結構16的接觸面上產生大量的激子，即電子和電洞對。這些激子將會分離成兩種自由載流子，其中自由電洞載流子通過所述多晶矽襯底14向背電極12傳輸，而由所述背電極12收集。自由電子載流子通過所述奈米碳管結構的傳輸、收集。進一步，通過奈米碳管結構16所收集的電流被所述至少一電極18再次收集，這樣外電路就有電流通過。

請參閱圖6，本技術方案實施例提供一種製備上述採用有序奈米碳管薄膜163的太陽能電池10的方法，其具體包括以下步驟：

步驟一：提供一多晶矽襯底14。

該多晶矽襯底14為P型多晶矽片，採用標準電子級清洗步驟清洗該P型多晶矽片。請參閱圖3，所述多晶矽襯底14的晶粒間存在很多的疇界143，疇界143處係多晶矽缺陷 最集中的地方，包括了大量的不飽和懸掛鍵。而這些不飽和懸掛鍵係載流子的俘獲中心，會影響所述太陽能電池10的光電轉換效率及載流子的遷移率。

步驟二：於該多晶矽襯底14一側的表面上形成一背電極12。

以高純鋁作為蒸發源，採用熱蒸發技術，於上述多晶矽襯底14一側的表面上沈積形成厚度為10微米~300微米的金屬鋁作為背電極12；接著於充滿惰性的氣氛下，於300℃~500℃下退火20分鐘~40分鐘，於所述多晶矽襯底14一側的表面形成與該述多晶矽襯底14歐姆接觸的背電極12。

本技術方案實施例優選於上述多晶矽襯底14一側的表面上沈積形成厚度為20微米的金屬鋁作為背電極12；接著於充滿惰性的氣氛下，於450℃下退火30分鐘，於所述多晶矽襯底14一側的表面形成與該述多晶矽襯底14歐姆接觸的背電極12。

可以理解，也可於上述多晶矽襯底14一側的表面塗覆一層導電膠，將一金屬片黏附於所述多晶矽襯底14一側的表面形成與該述多晶矽襯底14歐姆接觸的背電極12。

步驟三：製備至少一有序奈米碳管薄膜163。

首先，提供一奈米碳管陣列形成於一基底，優選地，該陣列為超順排奈米碳管陣列。

本實施例中，超順排奈米碳管陣列的製備方法採用化學 氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；(b)於基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底於700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的基底置於反應爐中，於保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到超順排奈米碳管陣列，其高度為200微米~400微米。該超順排奈米碳管陣列為至少兩個彼此平行且垂直於基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該奈米碳管陣列中的奈米碳管彼此通過凡德瓦爾力緊密接觸形成陣列。該奈米碳管陣列的面積與上述基底面積基本相同。

上述碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選的保護氣體為氬氣。

可以理解，本實施例提供的奈米碳管陣列不限於上述製備方法，也可為電弧放電沈積法、鐳射蒸發沈積法等。

其次，採用一拉伸工具拉取上述奈米碳管陣列從而獲得一有序奈米碳管薄膜163。

本實施例中，採用一拉伸工具拉取上述奈米碳管陣列從而獲得一有序奈米碳管薄膜163的方法包括以下步驟：(a)從上述奈米碳管陣列中選定一定寬度的複數個奈米碳管束片斷；(b)沿基本垂直於奈米碳管陣列生長方向拉伸該複數個奈米碳管束片斷，獲得一連續的有序奈米碳管薄膜163，該有序奈米碳管薄膜163中的奈米碳管的延伸方向平行於有序奈米碳管薄膜163的拉伸方向。

於上述拉伸過程中，該複數個奈米碳管束片斷於拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由於凡德瓦爾力作用，該選定的複數個奈米碳管束片斷分別與其他奈米碳管束片斷首尾相連地連續地被拉出，從而形成一有序奈米碳管薄膜163。

步驟四：將所述至少一有序奈米碳管薄膜163鋪設於所述多晶矽襯底14的上表面142，從而得到一太陽能電池10。

可以理解，可將一有序奈米碳管薄膜163直接鋪設於所述多晶矽襯底14的上表面142，或者將至少兩個有序奈米碳管薄膜163重疊鋪設於所述多晶矽襯底14的上表面142。所述至少一有序奈米碳管薄膜163形成一奈米碳管結構16，作為所述太陽能電池10的光電轉換材料及上電極。

請參閱圖7，所述多晶矽襯底14中晶粒間的疇界143處存在著大量的不飽和懸掛鍵。所述奈米碳管結構16於不飽和懸掛鍵的作用下吸附於所述多晶矽襯底14的上表面142，飽和疇界143處的部分懸掛鍵，降低懸掛鍵對載流子的俘獲，從而提高所述太陽能電池10的光電轉換效率及載 流子的遷移率。

所述太陽能電池及其製備方法具有以下優點：其一，由於採用奈米碳管結構作為光電轉換材料，可以飽和部分懸掛鍵，降低懸掛鍵對載流子的俘獲無需形成摻雜矽層，同時奈米碳管結構對太陽光具有很好的透光性，採用奈米碳管結構作為上電極，可以提高太陽能電池的光電轉換效率；其二，奈米碳管結構於太陽能電池中起到光電轉換及上電極的雙重作用，且無需磷或砷層，因此結構簡單。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10,30‧‧‧太陽能電池

12,32‧‧‧背電極

14,34‧‧‧多晶矽襯底

141,341‧‧‧多晶矽襯底的下表面

142,342‧‧‧多晶矽襯底的上表面

143‧‧‧疇界

16‧‧‧奈米碳管結構

161‧‧‧奈米碳管結構的上表面

162‧‧‧奈米碳管結構的下表面

163‧‧‧有序奈米碳管薄膜

164‧‧‧奈米碳管束

165‧‧‧奈米碳管

18‧‧‧電極

36‧‧‧摻雜矽層

38‧‧‧上電極

圖1係先前技術中太陽能電池的結構示意圖。

圖2係本技術方案實施例的太陽能電池的側視結構示意圖。

圖3係本技術方案實施例的鋪設奈米碳管結構前多晶矽襯底的結構示意圖。

圖4係本技術方案實施例的太陽能電池的俯視結構示意圖。

圖5係本技術方案實施例的太陽能電池中有序奈米碳管層的部分放大示意圖。

圖6係本技術方案實施例的太陽能電池的製備方法的流程示意圖。

圖7係本技術方案實施例的鋪設奈米碳管結構後多晶矽襯底的結構示意圖。

10‧‧‧太陽能電池

12‧‧‧背電極

14‧‧‧多晶矽襯底

141‧‧‧多晶矽襯底的下表面

142‧‧‧多晶矽襯底的上表面

16‧‧‧奈米碳管結構

161‧‧‧奈米碳管結構的上表面

162‧‧‧奈米碳管結構的下表面

18‧‧‧電極

Claims (16)

1. 一種太陽能電池，其包括：一多晶矽襯底，該多晶矽的疇界處具有複數個不飽和懸掛鍵；一背電極，該背電極設置於所述多晶矽襯底的下表面，且與該多晶矽襯底的下表面歐姆接觸；其改良在於，所述太陽能電池進一步包括一奈米碳管結構，該奈米碳管結構在不飽和懸掛鍵的作用下吸附於所述多晶矽襯底的上表面，且與該多晶矽襯底的上表面接觸。
2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構包括均勻分佈的奈米碳管。
3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構包括無序奈米碳管層或者有序奈米碳管層。
4. 如申請專利範圍第3項所述的太陽能電池，其中，所述無序奈米碳管層包括複數個無序排列的奈米碳管。
5. 如申請專利範圍第3項所述的太陽能電池，其中，所述有序奈米碳管層包括複數個有序排列的奈米碳管。
6. 如申請專利範圍第3項所述的太陽能電池，其中，所述有序奈米碳管層包括至少一有序奈米碳管薄膜，該有序奈米碳管薄膜通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲得，且包括複數個沿拉伸方向擇優取向排列的奈米碳管。
7. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能電池，其中，所述有序奈米碳管薄膜包括複數個首尾相連且長度相等的奈米碳管束，該奈米碳管束的兩端通過凡德瓦爾力相互連接，每個奈米碳管束包括複數個長度相等且平行排列的奈米碳管 。
8. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能電池，其中，所述有序奈米碳管層包括至少兩個重疊設置的有序奈米碳管薄膜。
9. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中，所述相鄰兩個有序奈米碳管薄膜中的奈米碳管之間具有一交叉角度α，且α大於等於0度小於等於90度。
10. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構包括複數個互相平行鋪設的奈米碳管長線。
11. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構為一層狀結構，每一層包括複數個互相平行鋪設的奈米碳管長線，相鄰兩層中的奈米碳管長線之間具有一交叉角度β，且β大於等於0度小於等於90度。
12. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管薄膜和複數個奈米碳管長線，該複數個奈米碳管長線互相平行鋪設於所述奈米碳管薄膜表面。
13. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構為奈米碳管粉末與金屬混合形成的複合材料。
14. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述多晶矽襯底為p型多晶矽片，其厚度為200微米~300微米。
15. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述背電極的材料可為鋁、鎂或銀，且該背電極的厚度為10微米~300微米。
16. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該太陽能電池進一步包括至少一電極，該電極與所述奈米碳管結 構的上表面電接觸。