TWI450402B - 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。根據半導體光電轉換材料種類不同，太陽能電池可以分為矽基太陽能電池(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，vol6，p33-38(2007))、砷化鎵太陽能電池、有機薄膜太陽能電池等。

目前，太陽能電池以矽基太陽能電池為主。請參閱圖1，為先前技術中的矽基太陽能電池30包含一背電極32、一矽片襯底34、一摻雜矽層36和一上電極38。於矽基太陽能電池中，作為光電轉換的材料的矽片襯底通常採用單晶矽製成。因此，要獲得高轉換效率的矽基太陽能電池，就需要製備出高純度的單晶矽。所述背電極32設置於所述矽片襯底34的第一表面341，且與該矽片襯底34的第一表面341歐姆接觸。所述矽片襯底34的第二表面343設置有複數個間隔設置的凹孔342。所述摻雜矽層36形成於所述凹孔342的內表面344，起到光電轉換的作用。所述上電極38設置於所述矽片襯底34的第二表面343。先前技術一般採用導電金屬網格作為上電極38，然而導電金屬 都係不透明的材料，降低了太陽光的透過率。為了進一步增加太陽光的透過率，故採用透明的銦錫氧化物層作為上電極38，但由於銦錫氧化物層的機械和化學耐用性不夠好，導致了先前的太陽能電池的耐用性低。同時，由於所述摻雜矽層36本身的吸光性不係很好，故所述矽基太陽能電池30的光電轉換效率不高。

有鑒於此，提供一種具有較高的光電轉換效率、耐用性高、阻值分佈均勻及透光性好的太陽能電池實為必要。

一種太陽能電池包括一背電極、一矽片襯底、一摻雜矽層和一上電極。所述矽片襯底包括相對設置的一第一表面和一第二表面。所述背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，且與該矽片襯底第一表面歐姆接觸。所述矽片襯底的第二表面設置有複數個間隔設置的凹孔。所述摻雜矽層形成於所述矽片襯底第二表面的凹孔的內表面。所述上電極設置於所述矽片襯底的第二表面。該上電極包括一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構和大量均勻分佈於該奈米碳管結構中的金屬顆粒。

與先前技術相比較，所述太陽能電池具有以下優點：其一，奈米碳管複合結構具有良好的吸收太陽光能力，所得到的太陽能電池具有較高的光電轉換效率；其二，奈米碳管複合結構具有很好的韌性和機械強度，故，採用奈米碳管複合結構作上電極，可以相應的提高太陽能電池的耐用性。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案太陽能電池。

請參閱圖2，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、一矽片襯底14、一摻雜矽層16、一上電極18、一減反層22和至少一電極20。所述矽片襯底14包括相對設置的一第一表面141和一第二表面143。所述背電極12設置於所述矽片襯底14的第一表面141，且與所述矽片襯底14的第一表面141歐姆接觸。所述矽片襯底14的第二表面143設置有複數個間隔設置的凹孔142。所述摻雜矽層16形成於所述矽片襯底14第二表面143的凹孔142的內表面144。所述上電極18設置於所述矽片襯底14的第二表面143。該上電極18包括一奈米碳管複合結構。所述減反層22設置於所述上電極18的第一表面181。所述至少一電極20設置於所述減反層22的表面。

所述至少一電極20係一可選擇的結構。該電極20的材料為銀、金、含奈米碳管的導電材料或者其他常用作電極的導電材料。所述電極20的形狀和厚度不限，還可設置於所述上電極18的第一表面181或者第二表面182，並與上電極18的第一表面181或者第二表面182電接觸。所述電極20的設置可用於收集流過所述上電極18中的電流，並與外電路連接。

所述減反層22係一可選擇的結構。該減反層22的材料為二氧化鈦或者氧化鋅鋁等。所述減反層22可設置於所述上電極18的第一表面181或者第二表面182，用以減少所述上電極18對太陽光的反射，從而進一步提高所述太陽 能電池10的光電轉換效率。

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。

所述矽片襯底14為P型單晶矽片。該P型單晶矽片的厚度為200微米~300微米。所述複數個凹孔142之間的距離為10微米~30微米，深度為50微米~70微米。所述複數個凹孔142的形狀和大小不限，該凹孔142的橫截面可以為正方形、梯形或者三角形等多邊形。所述摻雜矽層16的材料為N型摻雜矽層，可通過向所述矽片襯底14注入過量的如磷或者砷等N型摻雜材料而形成。所述N型摻雜矽層16的厚度為500奈米~1微米。所述N型摻雜材料與所述P型矽片襯底14形成複數個P-N結結構，從而實現所述太陽能電池中光能到電能的轉換。所述凹孔142的結構使所述矽片襯底14的第二表面143具有良好的陷光機制和較大的P-N結的介面面積，可以提高所述太陽能電池的光電轉換效率。

請參閱圖3，所述上電極18具有一定的空隙、很好的韌性和機械強度及均勻分佈的結構，以使所述太陽能電池100具有良好的透光性及很好的耐用性，從而提高所述太陽能電池100的性能。所述上電極18包括一奈米碳管複合結構，用以收集所述P-N結中通過光能向電能轉換而產生的電流。該奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構183和大量的金屬顆粒184。所述金屬顆粒184為鉑顆粒、鈀顆粒、釕顆粒、銀顆粒、金顆粒或其混合。該金屬顆粒184的 平均粒徑大小為1奈米~10奈米。所述奈米碳管的質量占所述奈米碳管複合結構質量的70%~90%。所述金屬顆粒184的質量占所述奈米碳管複合結構質量的10%~30%。其中，金屬顆粒184均勻分佈於所述奈米碳管結構183中形成奈米碳管複合結構。所述奈米碳管結構183包括無序奈米碳管層或者有序奈米碳管層。可將奈米碳管結構183浸泡於含由金屬鹽的溶液中，使金屬鹽吸附於所述奈米碳管結構183的表面，然後於還原性氣氛下，高溫還原吸附于奈米碳管結構183的金屬鹽。或者採用氣相沈積和化學鍍的方法於奈米碳管結構183的表面包覆上金屬奈米粒子或者奈米膜。

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。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183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。當所述奈米碳管結構183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183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183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183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183本身具有較強的粘性。該奈米碳管結構183可利用其本身的粘性直接固定於所述矽片襯底14的第二表面143。

一部分太陽光通過該奈米碳管複合結構中相鄰的奈米碳管之間的空隙照射進所述凹孔142內，另一部分太陽光照射於所述上電極18上。當太陽光照射到所述上電極18中的金屬顆粒184的表面時，就會於金屬顆粒184的內部生成表面電漿，即濃度相同的正、負電荷組成的體系。該體系係電中性的，平衡時各處正、負電荷密度相等。但由於太陽光照射所引起的熱起伏效應，局部平衡被破壞，引起正電荷和負電荷於金屬顆粒184內部反復運動便產生振盪，稱為表面電漿振盪。當入射太陽光的頻率與表面電漿振盪頻率相等時，金屬顆粒184內部的自由電子會產生共振，表面電漿會形成輻射態，即向外輻射照射於所述上電極18的太陽光。這樣金屬顆粒184會把太陽光輻射進所述凹孔142中，從而增加了所述太陽能電池10對太陽光的吸收。

請參閱圖4，本實施例的奈米碳管結構183優選採用至少一有序奈米碳管薄膜185。該有序奈米碳管薄膜185通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲得。該有序奈米碳管薄膜185包括沿同一方向定向排列的奈米碳管。具體地，所述有序奈米碳管薄膜185包括複數個首尾相連且長度相等的奈米碳管束186。所述奈米碳管束186的兩端通過凡德瓦爾 力相互連接。每個奈米碳管束186包括複數個長度相等且平行排列的奈米碳管187。所述相鄰的奈米碳管187之間通過凡德瓦爾力緊密結合。所述有序奈米碳管薄膜185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185的寬度可為0.01厘米~10厘米，厚度為10奈米~100微米。

可以理解，所述奈米碳管結構183可以進一步包括至少兩個重疊設置的有序奈米碳管薄膜185。具體地，相鄰的兩個有序奈米碳管薄膜185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183中的有序奈米碳管薄膜185可重疊設置，故，上述奈米碳管結構183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183。

所述有序奈米碳管薄膜185係由奈米碳管陣列經進一步處理得到的，其長度和寬度可以較準確地控制。該有序奈米碳管薄膜185中奈米碳管首尾相連，且長度相等並均勻、有序分佈、相鄰的奈米碳管之間具有空隙，從而使得所述奈米碳管複合結構具有均勻的阻值分佈和透光特性。所述奈米碳管複合結構具有很好的韌性和機械強度，故，採用該奈米碳管複合結構作上電極，可以相應提高所述太陽能電池的耐用性。

所述太陽能電池10在應用時，太陽光照射到所述奈米碳 管複合結構，並通過該奈米碳管複合結構中相鄰的奈米碳管之間的空隙照射到所述太陽能電池10中的複數個凹孔142內，太陽光通過所述凹孔142的內壁多次反射，從而增加了該太陽能電池10中所述矽片襯底14的第二表面143的陷光性能。於所述複數個凹孔142內，P型矽片襯底和N型摻雜材料接觸於一起的面形成有複數個P-N結。於接觸面上N型摻雜材料多餘電子趨向P型矽片襯底，並形成阻擋層或接觸電位差。當P型矽片襯底接正極，N型摻雜材料接負極，N型摻雜材料多餘電子和P-N結上電子容易往正極移動，且阻擋層變薄接觸電位差變小，即電阻變小，可形成較大電流。即，所述P-N結於太陽光的激發下產生複數個電子-電洞對，電子-電洞對於靜電勢能作用下分離，N型摻雜材料中的電子向所述奈米碳管複合結構移動，P型矽片襯底中的電洞向所述背電極12移動，然後被背電極12和作為上電極的奈米碳管複合結構收集，這樣外電路就有電流通過。

所述太陽能電池具有以下優點：其一，奈米碳管複合結構具有良好的吸收太陽光能力，所得到的太陽能電池具有較高的光電轉換效率；其二，奈米碳管複合結構具有很好的韌性和機械強度，故，採用奈米碳管複合結構作上電極，可以相應的提高太陽能電池的耐用性；其三，由於奈米碳管複合結構具有較均勻的結構，故，採用奈米碳管複合結構作上電極，可使得上電極具有均勻的電阻，從而提高太陽能電池的性能；其四，奈米碳管複合結構中相鄰的奈米碳管之間具有均勻分佈的空隙，故， 採用奈米碳管複合結構作上電極，可使得上電極對太陽光具有很好的透光性；其五，由於金屬顆粒的存在，於太陽光的照射下該金屬顆粒可以產生表面電漿，從而增強了所述太陽能電池對太陽光的吸收。

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‧‧‧矽片襯底

141,341‧‧‧矽片襯底的第一表面

142,342‧‧‧凹孔

143,343‧‧‧矽片襯底的第二表面

144,344‧‧‧凹孔的內表面

16,36‧‧‧摻雜矽層

18,38‧‧‧上電極

181‧‧‧上電極的第一表面

182‧‧‧上電極的第二表面

183‧‧‧奈米碳管結構

184‧‧‧金屬顆粒

185‧‧‧有序奈米碳管薄膜

186‧‧‧奈米碳管束

187‧‧‧奈米碳管

20‧‧‧電極

22‧‧‧減反層

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太陽能電池的上電極的結構示意圖。

圖4係本技術方案實施例的太陽能電池採用有序奈米碳管薄膜的部分放大示意圖。

10‧‧‧太陽能電池

12‧‧‧背電極

14‧‧‧矽片襯底

141‧‧‧矽片襯底的第一表面

142‧‧‧凹孔

143‧‧‧矽片襯底的第二表面

144‧‧‧凹孔的內表面

16‧‧‧摻雜矽層

18‧‧‧上電極

181‧‧‧上電極的第一表面

182‧‧‧上電極的第二表面

20‧‧‧電極

22‧‧‧減反層

Claims (15)

1. 一種太陽能電池，其包括：一矽片襯底，該矽片襯底包括相對設置的一第一表面和一第二表面，該矽片襯底的第二表面設置有複數個間隔設置的凹孔；一背電極，該背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，且與該矽片襯底第一表面歐姆接觸；一摻雜矽層，該摻雜矽層形成於所述矽片襯底第二表面的凹孔的內表面；一上電極，該上電極設置於所述矽片襯底的第二表面；其改良在於，所述上電極包括一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構和大量均勻分佈於該奈米碳管結構中的金屬顆粒，該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜。
2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述金屬顆粒為鉑顆粒、鈀顆粒、釕顆粒、銀顆粒、金顆粒或其混合，其平均粒徑為1奈米~10奈米。
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，且包括沿同一方向排列的奈米碳管。
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，所述矽片襯底為P型單晶矽片，該P型單晶矽片的厚度為200微米~300微米。
11. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述複數個凹孔的間距為10微米~30微米，深度為50微米~70微米。
12. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，所述摻雜矽層為摻雜有磷或者砷的N型矽層。
13. 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，該電極設置於所述上電極的表面，並與該上電極的表面電接觸。
14. 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一減反層，該減反層設置於所述上電極 的表面。
15. 如申請專利範圍第14項所述的太陽能電池，其中，所述減反層的材料為二氧化鈦或者氧化鋅鋁。