CN101197399A - 一种薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，包括p型硅衬底(1)，在p型硅衬底(1)背光面上的n型掺杂薄膜硅层(2)，在n型掺杂薄膜硅层(2)上的背电极(3)，以及在p型硅衬底(1)迎光面上的前透明导电电极(4)。在p型硅衬底(1)和n型掺杂薄膜硅层(2)之间可加入第一种本征薄膜硅层(5)；亦可在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(4)之间加入第二种本征薄膜硅层(6)和/或p型掺杂薄膜硅层(7)；在前透明导电电极(4)上还可以有金属栅线(8)。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别涉及一种薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池。
背景技术
硅太阳能电池的研究和利用是实现可再生能源的主要途径之一，晶硅电池占光伏市场总份额的90％以上，其中绝大多数电池所基于的pn结都是通过高温扩散制备的，消耗能量大，工艺复杂。
日本Sanyo公司开发了一种HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)异质结电池。如美国专利5213628中所述，利用掺杂非晶硅薄膜在晶硅上制作pn结，并在其间插入一层本征非晶硅层来钝化异质结界面。由于非晶硅淀积工艺可以在200℃以下完成，相比于传统电池，这种异质结电池兼有单晶硅电池稳定与薄膜硅电池廉价的优点：采用无高温扩散的低温制备过程，能耗小；材料成本低；制备工艺相对简单；特别是非晶硅所具有的对晶硅表面优越的钝化能力大大改善了电池效率。
Sanyo的研究成果引起国际范围的广泛关注，具有以薄膜硅，包括：非晶薄膜硅(a-Si:H)、纳米晶薄膜硅(nc-Si:H)、微晶薄膜硅(μc-Si:H)等为发射极，单晶硅为吸收层结构的薄膜硅/晶体硅太阳电池，特别是n型薄膜硅/p型晶体硅异质结电池成为了太阳能领域的研究热点，因为这种p型晶体硅衬底在太阳能领域中应用的更加广泛。所研究的电池采用的基本结构都是迎光面为TCO(透明导电氧化物)电极/n型薄膜硅/p型晶体硅的前pn结结构，在n型薄膜硅和p型晶体硅之间含有或者不含本征薄膜硅层，而且基本都是围绕薄膜硅的微观结构展开。比如，美国专利5066340公开了一种在非晶硅和晶体硅异质结之间插入微晶硅层的电池结构。中国专利申请200510098526.9公开了一种具有TCO/n型纳米晶硅/本征纳米晶硅/p型晶体硅结构的太阳电池及其制备方法。
但是实验制作的基于p型硅衬底的薄膜硅/晶体硅异质结电池的效率远远低于Sanyo在n型硅衬底上所获得的水平。造成这种情况的原因除了p型硅衬底本身的性能之外，更重要的是与电池的具体结构有关。目前这种电池采用的基本结构是TCO/n型薄膜硅/p型晶体硅/铝。我们发现，这些常见的透明导电氧化物并不是优选的阴极材料，因为它们的功函数通常很高。TCO制作在n型薄膜硅上所形成的肖特基结的结电场方向与在n型薄膜硅和p型晶体硅之间形成的pn结的结电场方向刚好相反。如果n型薄膜硅很薄，所述肖特基结会与所述pn结部分交叠，造成电池开路电压下降，如果TCO穿透n型薄膜硅而与下面的结构直接接触，接触点还会形成电池内部的短路通道。一般的，透明导电膜和n型薄膜硅之间的肖特基结的结宽在十几纳米以上，因此，要想克服上述不良效果，n型掺杂薄膜硅的厚度至少要大于这个结宽。但是，掺杂薄膜硅内部缺陷多，光学性能差，厚度太大会在太阳电池表面形成光的死层。上述两种效应的综合结果使得难以在p型晶体硅衬底上得到高效率的异质结电池。
功函数高的透明导电膜是优选的阳极材料，功函数低的金属类材料才是优选的阴极材料，但这些材料通常是不透光的，制作在太阳电池的迎光面上就具有一定的难度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中前透明导电电极功函数过高对基于p型硅衬底的薄膜硅/晶体硅异质结电池所带来的不利影响，提供一种基于p型硅衬底的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池。
本发明电池的基本结构包括：p型硅衬底，在p型硅衬底背光面上的n型掺杂薄膜硅层，在n型掺杂薄膜硅层上的背电极，在p型硅衬底迎光面上的前透明导电电极。所述的p型硅衬底是CZ单晶硅衬底，FZ单晶硅衬底，以及多晶硅衬底。p型硅衬底厚度的优选范围为30-500μm，电阻率在0.1-100Ω·cm的范围。所述p型硅衬底的表面可以是平面的，也可以是经过了比如湿法腐蚀或其它工艺处理而具有绒面结构的；所述的n型掺杂薄膜硅层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料，n型掺杂薄膜硅层厚度的优选范围在1-50nm之间；所述的背电极是任意可导电的材料，优选的是功函数低于4.5eV的材料。所述的前透明导电电极是功函数高于5.0eV的材料。
在本发明的电池中，由于pn结处于太阳能电池的背光面，因此可以将n型掺杂薄膜硅层在经济上可接受的范围内做得比较厚。而迎光面上的具有高功函数的前透明导电电极与p型硅衬底之间形成的肖特基结电场刚好可以起到少子背场的作用。
本征薄膜硅和掺杂薄膜硅相比，内部缺陷少。为了改善薄膜硅/晶体硅异质结的界面质量，在本发明的太阳能电池中，在p型硅衬底和所述的n型掺杂薄膜硅层之间可以含有第一种本征薄膜硅层。所述的这种本征薄膜硅层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者其它含硅材料。本征薄膜硅层的厚度优选在1-30nm之间的范围。
为了改善少子背场的结区界面特性，在本发明的太阳能电池中，在p型硅衬底和前透明导电电极之间还可以含有第二种本征薄膜硅层。所述的这种本征薄膜硅层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者其它含硅材料。本征薄膜硅层厚度优选在1-30nm之间的范围。在所述的第二种本征薄膜硅层和前透明导电电极之间还可以进一步含有一层p型掺杂薄膜硅层，以起到增强少子背场的作用。所述的p型掺杂薄膜硅层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者其它含硅材料，p型掺杂薄膜硅层的厚度优选在1-30nm之间的范围。本发明还可以在所述的p型硅衬底和前透明导电电极之间只含有所述的p型掺杂薄膜硅层。
为了增加电流的侧向收集效率和方便电连接，本发明的太阳能电池在前透明导电电极上还可以具有金属栅线。栅线的形状和分布可采用传统太阳能电池中的设计。
附图说明
图1本发明所述电池的基本结构示意图，图中：1p型硅衬底，2n型掺杂薄膜硅层，3背电极，4前透明导电电极；
图2a为本发明具体实施方式之一的结构示意图，图2b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图3a为本发明具体实施方式之二的结构示意图，图3b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图4a为本发明具体实施方式之三的结构示意图，图4b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图5a为本发明具体实施方式之四的结构示意图，图5b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图6a为本发明具体实施方式之五的结构示意图，图6b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图7a为本发明具体实施方式之六的结构示意图，图7b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图8a为本发明具体实施方式之七的结构示意图，图8b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线；
图9a为本发明具体实施方式之八的结构示意图，图9b是该示例电池理论模拟的在AM1.5光照射下的I-V特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基本结构包括：p型硅衬底1，在p型硅衬底1背光面上的n型掺杂薄膜硅层2，在n型掺杂薄膜硅层2上的背电极3，在p型硅衬底1迎光面上的前透明导电电极4。p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，FZ单晶硅衬底，以及多晶硅衬底。p型硅衬底1厚度在30-500μm的范围，电阻率在0.1-100Ω·cm的范围。p型硅衬底1的表面可以是平面或具有绒面结构；n型掺杂薄膜硅层2是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料，其厚度在1-50nm之间；背电极3是任意可导电的材料，优选的是功函数低于4.5eV的材料；前透明导电电极4是功函数高于5.0eV的材料。
在本发明的太阳能电池中，在p型硅衬底1和n型掺杂薄膜硅层2之间可以含有第一种本征薄膜硅层5；在p型硅衬底1和前透明导电电极4之间还可以含有第二种本征薄膜硅层6，在第二种本征薄膜硅层6和前透明导电电极4之间还可以含有一层p型掺杂薄膜硅层7；或者，还可以在p型硅衬底1和前透明导电电极4之间只含有p型掺杂薄膜硅层7。所述的第一种本征薄膜硅层5、第二种本征薄膜硅层6和p型掺杂薄膜硅层7分别选自非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或者其它含硅材料，厚度在1-30nm之间。
为了增加电流的侧向收集效率和方便电连接，本发明太阳能电池在前透明导电电极4上还可以具有金属栅线8。栅线的形状和分布可采用传统太阳能电池中的设计，这是本领域技术人员所熟知的。
实施例1
本发明具体实施方式之一的电池结构如图2a中所示，p型硅衬底1是FZ单晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面为平面，不含绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为10nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是前透明导电电极4，前透明导电电极4的功函数为5.6eV。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图2b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝681.7mV，短路电流密度JSC＝32.08mA/cm2，填充因子FF＝83.9％，转换效率η＝18.35％。
实施例2
本发明具体实施方式之二的电池结构如图3a所示，p型硅衬底1是FZ单晶硅衬底，其厚度为500μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面具有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征薄膜硅层5，第一种本征薄膜硅层5是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第一种本征薄膜硅层5上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为10nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是前透明导电电极4，前透明导电电极4的功函数为5.6eV。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图3b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝667.4mV，短路电流密度JSC＝27.28mA/cm2，填充因子FF＝83.68％，转换效率η＝15.24％。
实施例3
本发明具体实施方式之三的电池结构如图4a所示，p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，其厚度为30μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面为平面，不含绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征薄膜硅层5，第一种本征薄膜硅层5是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为1nm；在第一种本征薄膜硅层5上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为50nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征薄膜硅层6，第二种本征薄膜硅层6是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为1nm；在第二种本征薄膜硅层6上是前透明导电电极4，前透明导电电极4的功函数为5.2V。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图4b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝734.9mV，短路电流密度JSC＝32.73mA/cm2，填充因子FF＝83.41％，转换效率η＝20.06％。
实施例4
本发明具体实施方式之四的电池结构如图5a所示，p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，其厚度为30μm，电阻率为0.1Ω·cm，衬底表面含有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征薄膜硅层5，第一种本征薄膜硅层5是本征的微晶硅，带隙宽度为1.35eV，厚度为15nm；在第一种本征薄膜硅层5上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的纳米晶硅，带隙宽度为1.85eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为25nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征薄膜硅层6，第二种本征薄膜硅层6是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为1nm；在第二种本征薄膜硅层6上是p型掺杂薄膜硅层7，p型掺杂薄膜硅层7是p型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为30nm；在p型掺杂薄膜硅层7上是前透明导电电极4，前透明导电电极4的功函数为5.2eV；在前透明导电电极4上是金属栅线8。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图5b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝794mV，短路电流密度JSC＝32.09mA/cm2，填充因子FF＝87.37％，转换效率η＝22.26％。
实施例5
本发明具体实施方式之五的电池结构如图6a所示，p型硅衬底1是多晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为0.1Ω·cm，衬底表面具有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是第一种本征薄膜硅层5，第一种本征薄膜硅层5是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第一种本征薄膜硅层5上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为10nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是p型掺杂薄膜硅层7，p型掺杂薄膜硅层7是p型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为5nm；在p型掺杂薄膜硅层7上是前透明导电电极4，前透明导电电极4功函数为5.2eV。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图6b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝682.5mV，短路电流密度JSC＝33.1mA/cm2，填充因子FF＝83.85％，转换效率η＝18.94％。
实施例6
本发明具体实施方式之六的电池结构如图7a所示，p型硅衬底1是多晶硅衬底，其厚度为30μm，电阻率为100Ω·cm，衬底表面含有绒面结构；在p型硅衬底1背光面上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为50nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征薄膜硅层6，第二种本征薄膜硅层6是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第二种本征薄膜硅层6上是前透明导电电极4，前透明导电电极4的功函数为5.6eV；在前透明导电电极4上是金属栅线8。迎光面光反射率为5％，不考虑非晶硅中的缺陷，图7b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝723.5mV，短路电流密度JSC＝37.42mA/cm2，填充因子FF＝65.64％，转换效率η＝17.77％。
实施例7
本发明具体实施方式之七的电池结构如图8a所示，p型硅衬底1是FZ单晶硅衬底，其厚度为300μm，电阻率为50Ω·cm，衬底表面为平面；在p型硅衬底1背光面上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为10nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是第二种本征薄膜硅层6，第二种本征薄膜硅层6是本征的非晶硅，带隙宽度为1.72eV，厚度为2nm；在第二种本征薄膜硅层6上是p型掺杂薄膜硅层7，p型掺杂薄膜硅层7是p型掺杂的非晶硅碳，带隙宽度为2.0eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为2nm；在p型掺杂薄膜硅层7上是前透明导电电极4，前透明导电电极4的功函数为5.6eV。在前透明导电电极4上是金属栅线8。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图8b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝651.5mV，短路电流密度JSC＝35.49mA/cm2，填充因子FF＝75.46％，转换效率η＝17.45％。
实施例8
本发明具体实施方式之八的电池结构如图9a所示，p型硅衬底1是CZ单晶硅衬底，其厚度为250μm，电阻率为1.0Ω·cm，衬底表面为平面；在p型硅衬底1背光面上是n型掺杂薄膜硅层2，n型掺杂薄膜硅层2是n型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为30nm；在n型掺杂薄膜硅层2上是背电极3，背电极3的功函数为4.2eV；在p型硅衬底1迎光面上是p型掺杂薄膜硅层7，p型掺杂薄膜硅层7是p型掺杂的非晶硅，带隙宽度为1.74eV，掺杂浓度1.0×1020/cm3，厚度为5nm；在p型掺杂薄膜硅层7上是前透明导电电极4，前透明导电电极4功函数为5.6eV。在前透明导电电极4上是金属栅线8。迎光面光反射率为10％，不考虑非晶硅中的缺陷，图9b给出采用AFORS-HET软件(德国Hahn-Meitner研究所开发)模拟出的这种电池在AM1.5光谱下的I-V特性曲线，得到的性能为：开路电压VOC＝684.3mV，短路电流密度JSC＝30.39mA/cm2，填充因子FF＝83.81％，转换效率η＝17.43％。
Claims (6)
1.一种薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，其特征在于该太阳能电池包括p型硅衬底(1)，在p型硅衬底(1)背光面上的n型掺杂薄膜硅层(2)，在所述n型掺杂薄膜硅层(2)上的背电极(3)，以及在p型硅衬底(1)迎光面上的前透明导电电极(4)。
2.根据权利要求1所述的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，其中，所述的p型硅衬底(1)是CZ单晶硅衬底、FZ单晶硅衬底或多晶硅衬底，表面是平面或具有绒面结构；所述的n型掺杂薄膜硅层(2)是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料；所述的背电极(3)是任意可导电的材料；所述的前透明导电电极(4)是功函数高于5.0eV的材料。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，其特征在于可以在p型硅衬底(1)和n型掺杂薄膜硅层(2)之间添加第一种本征薄膜硅层(5)；可以在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(4)之间添加第二种本征薄膜硅层(6)；可以在第二种本征薄膜硅层(6)和前透明导电电极(4)之间添加p型掺杂薄膜硅层(7)；也可以在p型硅衬底(1)和前透明导电电极(4)之间只添加p型掺杂薄膜硅层(7)。
4.根据权利要求3所述的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，其特征在于所述的第一种本征薄膜硅层(5)是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料；所述的第二种本征薄膜硅层(6)是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料；所述的p型掺杂薄膜硅层(7)是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料。
5.根据权利要求1、2、4所述的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，其特征在于在前透明导电电极(4)上可以含有增加电流侧向收集效率的金属栅线(8)。
6.根据权利要求3所述的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池，其特征在于在前透明导电电极(4)上可以含有增加电流侧向收集效率的金属栅线(8)。
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