TWI459568B - 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。在矽基太陽能電池中，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的下表面341，且與該矽片襯底34的下表面341歐姆接觸。所述矽片襯底34的上表面343形成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，作為光電轉換的材料。所述上電極38設置於所述矽片襯 底34的上表面343。為了增加太陽光的透過率，一般採用導電金屬網格作為上電極38。而導電金屬都係不透明的材料。為了進一步提高太陽能電池的光電轉換效率，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及銦錫氧化物層作上電極38存於電阻阻值分佈不均勻等缺點，導致了先前的太陽能電池的耐用性低，光電轉換效率性能不高。

有鑒於此，提供一種具有較高的光電轉換效率、耐用性高、成本低、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。所述背電極設置於所述矽片襯底的下表面，且與該矽片襯底表面歐姆接觸。所述矽片襯底的上表面形成有複數個間隔設置的凹孔。所述摻雜矽層形成於所述凹孔的內表面。所述上電極設置於所述矽片襯底的上表面。該上電極包括一奈米碳管結構，所述太陽能電池進一步包括複數個金屬層，該複數個金屬層分別設置於所述矽片襯底的上表面和所述奈米碳管結構之間。

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，奈米碳管結構具有很好的韌性和機械強度，故，採用奈米碳管結構作上電極，可以相應的提高太陽能電池的耐用性；其三，由於奈米碳管結構係採用從奈米碳管陣列中直接拉取獲得而製成，易於操作，故所制得的太陽能電池成本低；其四，由於奈米碳管結構具有較均勻的結構，故，採用奈米碳管結構作上電極，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；其五，奈米碳管結構中相鄰的奈米碳管之間具有均勻分佈的空隙，故，採用奈米碳管結構作上電極，可使得上電極對太陽光具有很好的透光性。

10,30‧‧‧太陽能電池

12,32‧‧‧背電極

14,34‧‧‧矽片襯底

141,341‧‧‧矽片襯底的下表面

142,342‧‧‧凹孔

143,343‧‧‧矽片襯底的上表面

144,344‧‧‧凹孔的內表面

16,36‧‧‧摻雜矽層

18,38‧‧‧上電極

180‧‧‧下基板的下表面

181‧‧‧上電極的上表面

182‧‧‧上電極的下表面

183‧‧‧奈米碳管束

184‧‧‧奈米碳管

20‧‧‧金屬層

22‧‧‧第一電極

24‧‧‧第二電極

26‧‧‧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係圖2中的部分有序奈米碳管層III的放大示意圖。

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。

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及圖4，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和一上電極18。所述背電極12設置於所述矽片襯底14的下表面141，且與其表面歐姆接觸。所述矽片襯底14的上表面143形成有複數個間隔設置的凹孔142。所述摻雜矽層16形成於所述凹孔142的內表面144。所述上電極18設置於所述矽片襯底14的上表面143。該上電極18包括一奈米碳管結構。

所述太陽能電池10進一步包括複數個金屬層20，該複數個金屬層20的材料為鋁或者銀。所述複數個金屬層20分別設置於所述矽片襯底14的上表面143且與所述上電極18之間形成複數個異質結，用以提高所述上電極18與矽片襯底14的電連接，進而提高所述太陽能電池10的光電轉換效率。

所述太陽能電池10進一步包括一第一電極22和一第二電極24，該 第一電極22和第二電極24的材料為銀或者金等。所述第一電極22和第二電極24間隔設置於所述上電極18的上表面181，並與上電極18的上表面181電接觸。所述第一電極22和第二電極24用以收集流過所述上電極18中的電流。

所述太陽能電池10進一步包括一減反層26，該減反層26的材料為二氧化鈦或者氧化鋅鋁等。所述減反層26設置於所述上電極18的上表面181或者下表面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的間距離為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，係通過向所述矽片襯底14注入過量的如磷或者砷等N型摻雜材料而形成的。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的上表面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。

所述上電極18具有一定的空隙、良好的吸收太陽光能力、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、較高的光電轉換效率、很好的耐用性及均勻的 電阻，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。該奈米碳管在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在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，故該奈米碳管結構本身具有較強的黏性。該奈米碳管結構可利用其本身的黏性直接固定於所述複數個凹孔142的表面。

本實施例的上電極18優選採用至少一有序奈米碳管薄膜180。請參閱圖3，該有序奈米碳管薄膜180通過直接拉伸一奈米碳管陣列獲得。該有序奈米碳管薄膜180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180包括複數個首尾相連 且長度相等的奈米碳管束183。所述奈米碳管束183的兩端通過凡德瓦爾力相互連接。每個奈米碳管束183包括複數個長度相等且平行排列的奈米碳管184。所述相鄰的奈米碳管184之間通過凡德瓦爾力緊密結合。所述有序奈米碳管薄膜180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180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，所述上電極18可以進一步包括至少兩個重疊設置的有序奈米碳管薄膜180。相鄰的兩個有序奈米碳管薄膜180中的奈米碳管沿同一方向排列或沿不同方向排列，具體地，相鄰的兩個有序奈米碳管薄膜180中的奈米碳管具有一交叉角度α，且0度≦α≦90度，具體可依據實際需求製備。可以理解，由於上電極18中的有序奈米碳管薄膜180可重疊設置，故，上述上電極18的厚度不限，可根據實際需要製成具有任意厚度的上電極18。

所述有序奈米碳管薄膜180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180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結構具有均勻的阻值分佈和透光特性。所述奈米碳管結構具有很好的韌性和機械強度，故，採用該奈米碳管結構作上電極，可以相應提高所述太陽能電池的耐用性。

可以理解，所述上電極18也可係其他的奈米碳管結構，如奈米碳 管線、奈米碳管複合材料等，只需具有透光性、導電性及耐用性等特性即可。

太陽光照射到所述奈米碳管結構，並通過該奈米碳管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的上表面143的陷光性能。在所述複數個凹孔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-空穴對，電子-空穴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結構移動，P型矽片襯底中的空穴向所述背電極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，奈米碳管結構具有很好的韌性和機械強度，故，採用奈米碳管結構作上電極，可以相應的提高太陽能電池的耐用性；其三，由於奈米碳管結構係採用從奈米碳管陣列中直接拉取獲得而製成，易於操作，故所制得的太陽能電池成本低；其四，由於奈米碳管結構具有較均勻的結構，故，採用奈米碳管結構作上電極，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； 其五，奈米碳管結構中相鄰的奈米碳管之間具有均勻分佈的空隙，故，故，採用奈米碳管結構作上電極，可使得上電極對太陽光具有很好的透光性。

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‧‧‧太陽能電池

12‧‧‧背電極

14‧‧‧矽片襯底

141‧‧‧矽片襯底的下表面

142‧‧‧凹孔

143‧‧‧矽片襯底的上表面

144‧‧‧凹孔的內表面

16‧‧‧摻雜矽層

18‧‧‧上電極

180‧‧‧下基板的下表面

181‧‧‧上電極的上表面

182‧‧‧上電極的下表面

20‧‧‧金屬層

22‧‧‧第一電極

24‧‧‧第二電極

26‧‧‧減反層

Claims (12)

1. 一種太陽能電池，其包括：一矽片襯底，該矽片襯底的上表面形成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下表面，且與該矽片襯底表面歐姆接觸；一摻雜矽層，該摻雜矽層形成於所述凹孔的內表面；一上電極，該上電極設置於所述矽片襯底的上表面；其改良在於，所述上電極包括一奈米碳管結構，所述矽片襯底的上表面和所述上電極之間設置有金屬層。
2. 如請求項第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. 如請求項第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。
4. 如請求項第3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。
5. 如請求項第1項所述的太陽能電池，其中，所述奈米碳管結構包括至少兩個重疊設置的有序奈米碳管薄膜。
6. 如請求項第5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0度≦α≦90度。
7. 如請求項第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。
8. 如請求項第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。
9. 如請求項第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。
10. 如請求項第1項所述的太陽能電池，其中，該太陽能電池進一步包括一第一電極和一第二電極，該第一電極和第二電極間隔設置於所述奈米碳管結構的上表面，並與該奈米碳管結構的表面電接觸。
11. 如請求項第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奈米碳管結構的表面。
12. 如請求項第11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。