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CN103165690B - 太阳能电池 - Google Patents

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CN103165690B CN201110422190.2A CN201110422190A CN103165690B CN 103165690 B CN103165690 B CN 103165690B CN 201110422190 A CN201110422190 A CN 201110422190A CN 103165690 B CN103165690 B CN 103165690B
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carbon nano
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Tsinghua University
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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池，其包括：M个沿一直线连续并排且串联连接的P-N结单元、M-1个内电极、一第一收集电极以及一第二收集电极，其中M大于等于2，所述M个P-N结单元依次为第一个P-N结单元至第M个P-N结单元，每相邻两个P-N结单元之间设置有一内电极，所述第一收集电极及第二收集电极分离设置于串联连接的所述M个P-N结单元的外侧，所述M-1个内电极中至少一个内电极包括一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括大致平行的多个碳纳米管，该多个碳纳米管的两端分别连接于相邻的两个P-N结单元，所述太阳能电池具有一受光端面，该受光端面平行于所述直线。本发明提供的太阳能电池具有较高的光电转换效率。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特原理制成的。根据半导体光电转换材料种类不同，太阳能电池可以分为硅基太阳能电池(请参见太阳能电池及多晶硅的生产，材料与冶金学报，张明杰等，vol6，p33-38(2007))、砷化镓太阳能电池以及有机薄膜太阳能电池等。
目前，太阳能电池以硅基太阳能电池为主。现有技术中的硅基太阳能电池包括：一背电极、一P型硅层、一N型硅层和一上电极。所述背电极设置于所述P型硅层的一表面。所述N型硅层形成于所述P型硅层的另一表面，作为光电转换的材料。所述上电极设置于所述N型硅层的表面。所述太阳能电池中P型硅层和N型硅层形成P-N结区。当该太阳能电池在工作时，光从上电极一侧直接入射，并经过所述上电极和所述N型硅层到达所述P-N结区，所述P-N结区在光子激发下产生多个电子-空穴对(载流子)，所述电子-空穴对在静电势能作用下分离并分别向所述背电极和上电极移动。如果在所述太阳能电池的背电极与上电极连接外电路中的负载。
然而，上述结构中所述光子需要通过所述上电极和所述N型硅层之后才到达所述P-N结区，使得一部分入射光线被所述上电极和N型硅层吸收，使所述P-N结区对光的吸收率较低，进而减少了P-N结区激发出的载流子的量，降低了太阳能电池的光电转换效率。并且，上述结构中所述背电极和上电极的材料多为金属、导电聚合物或铟锡氧化物。该几种材料的导电性仍有待提高，从而使太阳能电池的光电转换效率受限。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高光电转换效率的太阳能电池。
一种太阳能电池，其包括：M个沿一直线连续并排且串联连接的P-N结单元、M-1个内电极、一第一收集电极以及一第二收集电极，其中M大于等于2，所述M个P-N结单元依次为第一个P-N结单元至第M个P-N结单元，每相邻两个P-N结单元之间设置有一内电极，所述第一收集电极及第二收集电极分离设置于串联连接的所述M个P-N结单元的外侧，其特征在于，所述M-1个内电极中至少一个内电极包括一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括大致平行的多个碳纳米管，该多个碳纳米管的两端分别连接于相邻的两个P-N结单元，所述太阳能电池具有一受光端面，该受光端面平行于所述直线。
相较于现有技术，本发明提供的太阳能电池具备以下有益效果：第一，所述太阳能电池工作时，光可直接入射至所述受光端面，由于该受光端面没有被电极覆盖，使得光子不必先经过电极、N型硅层后才到达P-N结区，从而减少了电极和N型硅层对光的吸收，提高了P-N结区的光吸收率，相应地，使得P-N结区可激发出更多的电子-空穴对，提高了整个太阳能电池的光电转换效率；第二，采用碳纳米管阵列作内电极从而串联所述M个P-N结单元，碳纳米管阵列中的碳纳米管由该一P-N结单元的第一表面延伸至相邻的另一P-N结单元的第二表面并接触，两个P-N结单元中产生的电流延碳纳米管轴向方向传导进而串联两个P-N结单元，碳纳米管轴向方向上具有良好的导电性，使从而消耗于太阳能电池内部的电流减小，提高了太阳能电池的光电转换效率；第三，碳纳米管阵列具有良好的稳定性和机械强度，因此采用碳纳米管阵列作为太阳能电池的内电极可提高太阳能电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的太阳能电池的主视图。
图2为本发明第一实施例提供的太阳能电池的立体结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的太阳能电池的局部放大图。
图4为本发明第一实施例提供的太阳能电池的局部放大图。
图5为本发明第二实施例提供的太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
主要元件符号说明
太阳能电池10
出光端面11
P-N结单元12
透明绝缘层13
内电极14
反射元件15
第一收集电极16
受光端面17
第二收集电极18
减反射层19
P-N结单元预制体120
第一硅层122
接触面125
第二硅层126
P-N结单元结构体130
碳纳米管阵列140
第一收集电极基材160
第二收集电极基材180
第一表面121
第二表面123
第一硅层基材1220
第二硅层基材1260
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明的太阳能电池及其制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图1及图2，本发明实施例提供一种太阳能电池10，其包括：M个沿一直线连续并排的P-N结单元12、M-1个内电极14、一第一收集电极16以及一第二收集电极18，其中M大于等于2。沿所述直线，所述M个P-N结单元12依次为一第一个P-N结单元至一第M个P-N结单元。该M个P-N结单元12通过M-1个内电极14串联连接。所述太阳能电池10具有一受光端面17，该受光端面17平行于所述直线。该受光端面17为该太阳能电池10直接接受外界光线入射的表面。
每个P-N结单元12包括并排且接触设置的一第一硅层122及一第二硅层126。每个P-N结单元12包括一第一表面121、一第二表面123以及一接触面125。所述第一表面121为第一硅层122远离第二硅层126的一表面。所述第二表面123为所述第二硅层126远离第一硅层122的一表面。所述接触面125为所述第一硅层122及所述第二硅层126相接触的表面。所述第二表面123与第一表面121相对设置。所述第一表面121、第二表面123以及接触面125彼此间隔且平行设置。所述第一硅层122和所述第二硅层126于接触面125接触且形成一P-N结区。所述第一收集电极16设置于所述第一个P-N结单元的第一表面121。所述第二收集电极18设置于所述第M个P-N结单元的第二表面123。所述M-1个内电极14中的至少一个内电极为一碳纳米管阵列。本实施例中，所述M-1个内电极14分别为一碳纳米管阵列。所述碳纳米管阵列位于沿所述直线上相邻的两个P-N结单元12之间。所述碳纳米管阵列包括多个大致平行的碳纳米管。所述多个碳纳米管的一端连接于相邻两个P-N结单元12的一P-N结单元的第一表面，所述多个碳纳米管由该P-N结单元的第一表面延伸至相邻的另一P-N结单元的第二表面并接触。
所述M个P-N结单元12、M-1个内电极14、第一收集电极16以及第二收集电极18沿一直线连续设置成一排构成一整体结构。所述整体结构具体指所述太阳能电池10的上述各层沿所述直线方向连续并排相互接触设置从而成为一个整体。可以理解地，所述M个P-N结单元12可以为并排设置也可以为交错设置。所述M个P-N结单元12并排设置的含义为每个P-N结单元12的受光端面相互连接形成一平面，所述交错设置的含义为每个P-N结单元12的受光端面间隔设置。若所述M个P-N结单元12交错设置，则相邻两个P-N结单元12之间的内电极部分暴露，从而使内电极被暴露的部分也可以接受太阳光，从而提高太阳能电池的透光性。
所述第一硅层122为一P型硅层或一N型硅层。所述第二硅层126为一P型硅层或一N型硅层。所述第一硅层122与所述第二硅层126的类型相反。当所述第一硅层122为一P型硅层时，所述第二硅层126为一N型硅层。当所述第一硅层122为一N型硅层时，所述第二硅层126为一P型硅层。本实施例中，所述第一硅层122为一P型硅层，所述第二硅层126为一N型硅层。
所述每个第一硅层122具有一与所述第一表面121及所述接触面125相连的一第一侧面(图未标)，所述每个第二硅层126具有一与所述第二表面123及所述接触面125相连的一第二侧面(图未标)，所述第一侧面和第二侧面共同构成所述太阳能电池10的受光端面17。由于所述P-N结区形成于所述P型硅层和N型硅层的接触面附近，因此，所述P-N结区通过所述受光端面17同时暴露出所述P型硅层和所述N型硅层。
所述第一硅层122为一层状结构，该第一硅层122的材料可以是单晶硅或多晶硅。所述第一硅层122沿第一表面121到接触面125方向的厚度为200微米至300微米。所述第一侧面与第一表面121及接触面125之间的夹角可大于0度且小于180度，优选为，该夹角为90度。本实施例中，所述第一侧面与第一表面121及接触面125垂直，所述第一硅层122为一厚度为200微米的P型单晶硅片。
所述第二硅层126为一层状结构。该第二硅层126可以通过向一硅片注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料制备而成。所述第二硅层126沿接所述接触面125到第二表面123方向上的厚度为10纳米至1微米。所述第二侧面与所述接触面125及第二表面123之间的夹角可大于0度且小于180度。优选地，该夹角为90度。本实施例中，所述第二侧面与所述接触面125和第所述第二表面123垂直，所述第二硅层126的厚度为50纳米。
在每个P-N结单元12中，所述相互接触的P型硅层和N型硅层于接触面125附近形成所述P-N结区。在该P-N结区中，N型硅层中的多余电子趋向P型硅层，并形成一个由N型硅层指向P型硅层的内电场。当所述P-N结区在光的激发下产生多个电子-空穴对时，所述多个电子-空穴对在内电场作用下分离，N型硅层中的电子向所述第二收集电极18移动，P型硅层中的空穴向所述第一收集电极16移动，最终分别被所述第一收集电极16和第二收集电极18收集，形成电流，从而实现所述太阳能电池10中光能到电能的转换。所述M个P-N结单元12通过M-1个内电极14串联，形成多个类似于正负极依次连结的串联电池组，从而实现所述太阳能电池10的电压为M个P-N结单元的电压之和。所述串联连接的含义为使同一电流通过所有相连接器件的联结方式。
所述太阳能电池10所包括的P-N结单元12的数量不限，可根据实际需要的输出电压而设定。该太阳能电池10的工作电压为一个P-N结单元的整数倍。本实施例中，所述太阳能电池10包括100个P-N结单元。
所述第一收集电极16和第二收集电极18的作用为收集太阳能电池10内部产生的电流，并通过太阳能电池10外接的导线(图未示)将电流导出，输送给负载。
由于入射光不需要穿过所述第一收集电极16到达P-N结区，所述第一收集电极16可以为一连续的面状结构覆盖所述第一个P-N结单元的第一表面121的部分或整个表面。当然，第一收集电极16也可为一网格状或栅格状结构覆盖所述第一个P-N结单元的第一表面121的部分表面。所述第一收集电极16的材料为具有导电性的材料，该材料具体可为金属、导电聚合物、铟锡氧化物及碳纳米管阵列。优选为该第一收集电极16由一连续的具有面状结构的金属材料层构成。该金属材料层覆盖整个第一个P-N结单元的第一表面121。该金属材料可为铝、铜或银等。该第一收集电极16的厚度不限，优选为50纳米至300纳米。本实施例中，所述第一收集电极16的材料为一厚度约为200纳米的条形铝箔。
由于入射光不需要穿过所述第二收集电极18到达P-N结区，所述第二收集电极18可以为一连续的面状结构覆盖第M个P-N结单元的第二表面123的整个表面，也可为一网格状或栅格状结构覆盖所述第M个P-N结单元的第二表面123的部分表面。该第二收集电极18的材料为具有导电性的材料，该材料具体可选自金属、导电聚合物、铟锡氧化物或碳纳米管阵列。所述第一收集电极16和第二收集电极18的材料可以相同或不同。优选为该第二收集电极18由一连续的具有面状结构的金属材料层构成，该金属材料层覆盖整个所述第M个P-N结单元的第二表面123。所述金属材料可为铝、铜、或银等。该第二收集电极18的厚度不限，优选为50纳米至300纳米。本实施例中，所述第二收集电极18的材料为一厚度约为200纳米的条形铝箔。
所述第一收集电极16及第二收集电极18可均不透光，从而可以避免光线穿过第一收集电极16及第二收集电极18，造成光电转换效率降低。
所述内电极14的材料除了碳纳米管阵列还可以为金属、导电聚合物或铟锡氧化物。所述金属包括铝、铜或银。所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管。该碳纳米管阵列用于电连接相邻的两个P-N结单元12。碳纳米管阵列的一端与一P-N结单元12中的第一表面接触，另一端与相邻的另一P-N结单元12的第二表面接触。具体地，该碳纳米管阵列中的大多数碳纳米管的一端与一P-N结单元12中的第一表面接触，另一端与相邻的另一P-N结单元12的第二表面接触。所谓“大多数”的含义为，由于制备方法和制备条件的限制，碳纳米管阵列中存在少数碳纳米管的两端与相邻的碳纳米管接触，而不与第一表面和第二表面接触，或者存在少数碳纳米管的一端与第一表面或第二表面接触，另一端与相邻的碳纳米管接触。
该碳纳米管阵列中的大多数碳纳米管延直线或曲线由一P-N结单元12的第一表面延伸至另一P-N结单元12的第二表面。请参阅图1，碳纳米管阵列中的碳纳米管延直线由一P-N结单元的第一表面接触延伸至另一P-N结单元的第二表面。此时碳纳米管阵列中的碳纳米管大致平行。所述“大致”的意思是由于碳纳米管在生长过程中受各种因素的制约，如碳源气气流的流动速度不一致，碳源气的浓度不均匀以及催化剂的不平整，不可能也不必使碳纳米管阵列中的每根碳纳米管完全沿其生长方向排列，即每根碳纳米管完全平行，碳纳米管阵列中的多个碳纳米管的长度也不必完全相等。请参阅图3，碳纳米管阵列中的碳纳米管呈弯曲状，碳纳米管沿曲线延伸并连接相邻的两个P-N结单元12。所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的弯曲曲线不限，可以为弓形、S型或其它形状。可以理解的，碳纳米管阵列中的碳纳米管的弯曲曲线可以相同也可以不同。例如，碳纳米管阵列中的一部份碳纳米管朝向一个方向弯曲，另一部份碳纳米管朝向另一个方向弯曲。本实施例中碳纳米管阵列中的碳纳米管延沿直线由一P-N结单元的N型硅层延伸至另一P-N结单元的P型硅层。
所述碳纳米管阵列由纯碳纳米管组成。所谓“纯碳纳米管”是碳纳米管未经过任何化学修饰或功能化处理。本实施例中所述碳纳米管阵列为超顺排碳纳米管阵列。所述超顺排碳纳米管阵列可为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列或多壁碳纳米管阵列。所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度不限。优选地，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度大于1微米。优选地，碳纳米管的长度为100微米至400微米。本实施例中，碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度为150微米。由于制备工艺和条件的限制，所述第一表面121和第二表面123的表面具有一定的粗糙度。若碳纳米管的长度大于1微米，可以避免由于第一表面121和第二表面123具有的微小的凹凸，导致碳纳米管与第一表面121或第二表面123接触不良，因而影响相邻两个P-N结单元12之间的电连接。
优选地，碳纳米管阵列为开口碳纳米管阵列，开口碳纳米管阵列中的碳纳米管为开口碳纳米管。开口碳纳米管是指碳纳米管的端口敞开，未被富勒烯球面封闭。相比于端口封闭的碳纳米管，开口碳纳米管的轴向传导电流的能力更好，由于总内阻变小，即向外界能提供的电流变大，进而提高太阳能电池10的光电转换效率。
优选地，碳纳米管阵列中的碳纳米管为金属性碳纳米管。相比于半导体性质的碳纳米管，金属性碳纳米管的导电能力更好，由于总内阻变小，即向外界能提供的电流变大，进而提高太阳能电池10的光电转换效率。
请参阅图4，碳纳米管阵列与相邻的两个P-N结单元12接触的两个端面上可设置有一金属层142。可选择地，碳纳米管阵列与相邻的两个P-N结单元12接触的两个端面中的一个端面上设置有一金属层142。优选地，所述金属层142包括多个金属颗粒，该多个金属颗粒分别设置于碳纳米管阵列中的碳纳米管的一端。该金属层142可以减少碳纳米管阵列与P-N结单元12中的P型硅层或N型硅层的接触电阻，由于总内阻变小，即向外界能提供的电流变大，使太阳能电池10的光电转换效率提高。
可以理解地，所述至少一内电极14为一碳纳米管阵列复合材料。所述碳纳米管阵列复合材料为一碳纳米管阵列及一导电材料的复合体。所述碳纳米管阵列中的碳纳米管与碳纳米管之间有一定得缝隙。所述导电材料设置于碳纳米管阵列中的碳纳米管之间。所述导电材料可为聚合物导电复合材料或者低熔点金属材料。
所述聚合物导电复合材料包括一聚合物相变材料以及分散于聚合物相变材料中的多个导电颗粒。为所述聚合物相变材料是指在一定温度(相变点)下能熔融的聚合物，例如，硅橡胶、聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚甲醛、聚缩醛或石蜡等。将导电颗粒均匀分布在聚合物相变材料中从而实现聚合物导电复合材料的导电性。所述导电颗粒为玻璃镀银、铝镀银或银等。
所述低熔点金属包括锡、铜、铟、铅、锑、金、银、铋、铝以及前述各材料的合金或混合物，如锡铅合金、铟锡合金、锡银铜合金、金硅合金、金锗合金等。
通过将碳纳米管阵列与导电材料复合从而可提高碳纳米管阵列复合材料的导电性，以提高内电极的电阻，进而提高太阳能电池10的光电转换效率。
当该太阳能电池10工作时，也可将第一侧面和第二侧面作为受光端面17，接受光的入射。由于该受光端面17没有被第二收集电极18覆盖，即P-N结区直接暴露出P型硅层和N型硅层，使得光子可以直接被所述P-N结区吸收，并不必先经过第二收集电极18、N型硅层后才到达P-N结区，从而减少了第二收集电极18和N型硅层对光的吸收，提高了P-N结区对光的吸收率，相应地，使得P-N结区可激发出更多的电子-空穴对。此外，由于所述第二收集电极18没有设置在所述受光端面17上，因此无需考虑第二收集电极18阻挡光的影响因素，使得该第二收集电极18可设置成任何形状，甚至可为一面状结构覆盖至所述N型硅层的整个第四表面，从而增大了整个第二收集电极18的面积，并减小了P-N结区产生的载流子扩散至所述第二收集电极18的长度，减少了载流子的内部损耗，从而提高了整个太阳能电池10的光电转换效率。
进一步地，为减少光的反射，使更多的光能被所述P-N结区吸收，在所述受光端面17可进一步设置一减反射层19。该减反射层19可使光线入射并减少光的反射，且对光的吸收较少，该减反射层19的材料为氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)等。该减反射层19的厚度可小于150纳米，本实施例中，该减反射层19为900埃的氮化硅层。
进一步地，P-N结单元12的与所述受光端面17的相对的一出光端面11可形成有一反射元件15。该反射元件15可使由出光端面11出射的光线重新被反射回P-N结区，被P-N结区吸收，进而提高太阳能电池10的光电转换效率。反射元件15可为一反射层。所述反射层与所述出光端面11相互接触设置且与所述第一收集电极16及第二收集电极18电绝缘。所述反射层由一连续的具有面状结构的金属材料层构成。该金属材料可为铝、金、铜及银中的一种或上述任意组合的合金。该反射层的厚度不限，以尽可能多的反射由出光端面11出射的光为优。优选地，该反射层的厚度大于20微米。本实施例中该反射层的厚度为20微米。
进一步地，由于反射层的材料可以为导电材料，因此为了避免反射层与碳纳米管阵列接触，可于反射层与出光端面11之间形成一透明绝缘层13。所述透明绝缘层13将所述出光端面11整个覆盖，所述反射层将所述透明绝缘层13整个覆盖，从而所述反射层与出光端面11相互绝缘。该透明绝缘层13可使该M个P-N结单元12之间仅通过碳纳米管阵列串联。所述透明绝缘层13包括多个纳米颗粒。所述透明绝缘层13的材料为具有一定化学稳定性的材料，为类金刚石、硅、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、氧化铝以及氮化硅等中的一种或多种。该透明绝缘层13的厚度的不限，只要能保证所述多个碳纳米管阵列之间绝缘即可。所述透明绝缘层13的厚度为10纳米～100微米。为了减少所述透明绝缘层13对光的吸收，所述透明绝缘层13的厚度优选地为10纳米～50纳米。优选地，该透明绝缘层13的厚度为5纳米至20纳米。本实施例中，该透明绝缘层13的厚度为5纳米。
所述透明绝缘层13可通过物理气相沉积法(PVD)或化学气相沉积法(CVD)直接生长或涂覆于所述出光端面11。然后通过真空蒸镀或磁控溅射等方法于所述透明绝缘层13上形成所述反射层。
所述反射层可通过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成于所述出光端面11，且要确保所述第一收集电极16及第二收集电极18均未被反射层覆盖。可以通过掩模或刻蚀的方法，以使第一收集电极16及第二收集电极18是裸露在所述反射层外。
可以理解，所述反射层与所述出光端面11之间也可不设置绝缘层，即，所述反射层与所述出光端面11间隔一定距离设置且相互绝缘。该距离不限，优选的为1毫米～5厘米。所述反射元件15还包括一基底(图未示)。所述反射层设置于所述基底的表面。所述基底形状不限，优选地，所述基底为一板状体，所述基体的形状与所述出光端面11的形状一致。所述基底的材料为玻璃、陶瓷、二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述基底优选为一陶瓷板。所述反射层可通过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成于所述基底的表面。
所述反射元件15为多个设置于所述出光端面11的微结构。所述微结构设置于所述出光端面11。所述微结构为凹槽或凸起。所述微结构的形状为V形、圆柱形、半圆球形、金字塔形以及削去尖端部分的金字塔形中的一种或几种。该微结构在所述出光端面11均匀分布。进一步地，所述反射元件15还包括一反射材料，该反射材料设置于所述微结构表面。所述反射材料为铝、金、铜及银中的一种或上述任意组合的合金。所述反射材料可通过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成于所述微结构表面。
所述反射元件15可实现光束的全反射，以将入射至所述出光端面11的光束反射，使更多的光能被所述P-N结区吸收。通过对出光端面11进行微结构处理，在所述出光端面11形成所述微结构。所述微结构的形成方法不限。
上述整个太阳能电池10的厚度为从受光端面17与出光端面11之间的距离。该太阳能电池10的厚度不限，可根据从所述受光端面17入射的光在所述P型硅层及N型硅层中的透过率而设定。优选为，该厚度为使光透过率为零时的厚度，从而可使整个太阳能电池10有效利用所吸收的光。本实施例中，该太阳能电池10的厚度为50微米至300微米。
本发明提供的太阳能电池10具有以下有益效果：第一，所述太阳能电池10工作时，光可直接入射至所述受光端面17，由于该受光端面17没有被第一收集电极16或者第二收集电极18覆盖，使得光子不必先经过电极、N型硅层后才到达P-N结区，从而减少了电极和N型硅层对光的吸收，提高了P-N结区的光吸收率，相应地，使得P-N结区可激发出更多的电子-空穴对，提高了整个太阳能电池10的光电转换效率；第二，采用碳纳米管阵列作内电极14从而串联所述M个P-N结单元12，碳纳米管阵列中的碳纳米管由该一P-N结单元的第一表面延伸至相邻的另一P-N结单元的第二表面并接触，两个P-N结单元中产生的电流延碳纳米管轴向方向传导进而串联两个P-N结单元，碳纳米管轴向方向上具有良好的导电性，由于总内阻变小，即向外界能提供的电流变大，提高了太阳能电池10的光电转换效率；第三，碳纳米管阵列具有良好的稳定性和机械强度，因此采用碳纳米管阵列作为太阳能电池的内电极可提高太阳能电池10的使用寿命；第四，碳纳米管阵列中的碳纳米管为开口碳纳米管，开口碳纳米管的轴向传导电流的能力更好，可进一步提高太阳能电池10的光电转换效率；第五，碳纳米管阵列中的碳纳米管为金属性碳纳米管，金属性碳纳米管的导电能力更好，可进一步提高太阳能电池10的光电转换效率；第六，碳纳米管阵列的与相邻的两个P-N结单元接触的表面沉积有金属层，该金属层可以减少碳纳米管阵列与P-N结单元中的P型硅层或N型硅层的接触电阻，由于总内阻变小，即向外界能提供的电流变大，使太阳能电池10的光电转换效率提高；第七，所述太阳能电池10的出光端面上形成有一反射层，该反射层可使由出光端面出射的光线重新被反射回P-N结区，被P-N结区吸收，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
请参阅图5，本发明第二实施例进一步提供一种所述太阳能电池10的制备方法，包括以下步骤：
S100，提供M个P-N结单元预制体120，其中M大于等于2，所述M个P-N结单元预制体120依次为一第一个P-N结单元预制体120至第M个P-N结单元预制体120，每个P-N结单元预制体120包括层叠且接触设置的一第一硅层基材1220以及一第二硅层基材1260，且每个P-N结单元预制体120包括相对的一第一表面121和一第二表面123，所述第一表面121为第一硅层基材1220远离第二硅层基材1260的一表面，所述第二表面123为第二硅层基材1260远离第一硅层基材1220的一表面。
S200，形成一内电极14于所述M个P-N结单元预制体120中的相邻两个P-N结单元预制体120之间，以得到M个P-N结单元结构体130，每个P-N结单元结构体130包括一P-N结单元预制体120以及一内电极14，其中，至少一内电极14包括碳纳米管阵列。
S300，将所述M个P-N结单元结构体130由第一个至第M个P-N结单元结构体130依次沿一直线层叠并排并结合，相邻的两个P-N结单元预制体120通过内电极碳纳米管阵列140连接在一起，形成一整体结构体，其中，该整体结构体有一与所述直线平行的直接接受外界光线的受光端面17。
S400，在M个P-N结单元结构体130的所述第一个P-N结单元结构体130的第二表面123形成一第一收集电极基材160，所述第一个P-N结单元预制体的第一表面121形成一第二收集电极基材180，得到太阳能电池母体；以及
S500，沿在步骤S300中层叠各个层的方向切割所述太阳能电池母体，得到具有直接接受外界光线的一受光端面的多个太阳能电池10，所述受光端面17为切割面或与切割面平行且相对的面。
在所述S100步骤中，所述第一硅层基材1220为一P型硅片或一N型硅片。所述第二硅层基材1260为一P型硅片或一N型硅片。所述第一硅层基材1220与所述第二硅层基材1260的类型相反。当所述第一硅层基材1220为一P型硅片时，所述第二硅层基材1260为一N型硅片。当所述第一硅层基材1220为一N型硅片时，所述第二硅层基材1260为一P型硅片。本实施例中，所述第一硅层基材1220为一P型硅片，所述第二硅层基材1260为一N型硅片。
该P型硅片的材料可以是单晶硅或多晶硅。本实施例中，所述第一硅层基材1220为一P型单晶硅片。所述P型单晶硅片的厚度可为200微米至300微米。所述P型单晶硅片的面积、形状不限，可以根据实际需要选择。所述第二硅层基材1260可通过向一硅片基材注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料制备而成。所述N型硅层基材的厚度为10纳米至1微米。
在步骤S200中，所述形成内电极14的方法不限，例如，可在M个P-N结单元预制体120中的每个P-N结单元预制体120的第一表面121形成一内电极14，或者可在M个P-N结单元预制体120中的每个P-N结单元预制体120的第二表面123形成一内电极14，再或者，在部份P-N结单元预制体120的第一表面121形成一内电极14，再另一部份P-N结单元预制体120的第二表面123形成一内电极14，只需保证最终形成一内电极14于相邻的两个P-N结单元预制体120之间即可。本实施例中，在上述M个P-N结单元预制体120中的每个P-N结单元预制体120中的第一表面121形成的内电极14均为碳纳米管阵列。
形成碳纳米管阵列140的方法可为化学气相沉积法。所述碳纳米管阵列140可为超顺排碳纳米管阵列或开口碳纳米管阵列。
所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：
步骤S202，在所述M个P-N结单元预制体120中的至少一个P-N结单元预制体120的第一表面121形成一催化剂层。该催化剂层的制备可通过热沉积法、电子束沉积法或溅射法实现。所述催化剂层的材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一，本实施例中采用铁为催化剂。
步骤S203，将上述形成有催化剂层的P-N结单元预制体120在700℃至900℃的空气中退火约30分钟至90分钟。
步骤S204，将退火处理过的P-N结单元预制体120置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃至740℃。然后通入碳源气体反应约5分钟至30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为100微米至400微米。所述碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等碳氢化合物。本实施例中所述碳源气为乙炔，所述保护气体为氩气，所得碳纳米管阵列的高度为150微米。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
所述开口碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：在所述M个P-N结单元预制体120中的至少一个P-N结单元预制体120的第一表面121形成一催化剂层；将所述形成有催化剂层的P-N结单元预制体120置于一石英舟内，该石英舟具有一开口；将所述石英舟置于一反应炉内，该反应炉包括一进气口，使所述石英舟的开口朝向该进气口；加热使反应炉的温度达到一预定温度，并通入反应气体利用化学气相沉积法在基底上生长碳纳米管；待生长结束后，通过一导气装置引入载气气体到所述石英舟内，以降低该石英舟内的碳源气浓度，使碳纳米管停止生长得到开口碳纳米管阵列。所述催化剂层可选用催化剂粉末层或催化剂金属膜层。该催化剂金属膜层的材料可选用铁、钴、镍及其合金材料等；该催化剂粉末层的材料可选用金属铁粉、金属铁网、金属镍粉、金属镍网及氧化铝和金属铁的粉末混合物等。所述开口碳纳米管阵列的制备方法具体请参见申请人于2005年9月23日申请的，于2010年5月5日公告的第CN1935637B号中国公告专利“碳纳米管制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
上述生长碳纳米管阵列140结束后，碳纳米管阵列140的一端与P-N结单元预制体120的第一表面121连接，另一端为自由端。化学气相沉积法生长碳纳米管的机理可以分为顶端生长或者底端生长。若生长碳纳米管的机理为底端生长，则生长碳纳米管阵列结束后，会有金属颗粒形成在碳纳米管与P-N结单元预制体120的第一表面121之间。该金属颗粒为催化剂残留形成。若生长碳纳米管的机理为顶端生长，则金属颗粒会形成在碳纳米管阵列140的自由端。如此，在步骤S300结束后，该金属颗粒位于碳纳米管阵列140与相邻的另一P-N结单元12的第二表面123之间。无论是顶端生长或者底端生长的碳纳米管阵列，步骤S300结束后，金属颗粒均位于碳纳米管阵列与P-N结单元12之间。金属颗粒会降低碳纳米管阵列140与P-N结单元12之间的接触电阻，从而降低太阳能电池10的内电阻，提高太阳能电池10的光电转换效率。本实施例中金属颗粒形成在碳纳米管阵列140与P-N结单元12的第一表面121之间。
可以理解的，若为底端生长碳纳米管阵列，即金属颗粒残留在碳纳米管阵列140与P-N结单元12的第一表面121之间，则在生长碳纳米管阵列140结束后，可于碳纳米管阵列140的自由端形成一金属层。该形成金属层的方法可为真空蒸镀或磁控溅射。所催化剂残留形成的多个金属颗粒也组成一金属层。如此，在步骤S300结束后，可使碳纳米管阵列140与相邻的两个P-N结单元12之间均形成有金属层。该金属层可降低碳纳米管阵列140与相邻的两个P-N结单元之间的接触电阻，从而降低太阳能电池的内电阻，提高太阳能电池的光电转换效率。
可以理解地，在形成碳纳米管阵列之后，可将碳纳米管阵列与一导电材料复合形成一碳纳米管复合材料。所述形成碳纳米管复合材料的方法可为蒸镀得方法。所述形成碳纳米管复合材料的方法可包括以下步骤：提供一模具，一熔融态的导电材料盛放于所述模具的内部；将形成于P-N结单元预制体120表面的碳纳米管阵列浸润内导电材料内，使导电材料填充碳纳米管阵列中碳纳米管与碳纳米管之间的间隙；冷却所述熔融态的导电材料至固态以及去除所述模具。
在上述步骤S300中，所述相互层叠的P-N结单元结构体130之间可通过银胶粘结。具体地，在每个P-N结单元结构体130中的P-N结单元预制体120的第二表面123的四个边缘点形成银胶，在层叠P-N结单元结构体130后，相邻的两个P-N结单元结构体130则通过银胶粘结。另外，可通过一压合机压合上述多个相互层叠的P-N结单元结构体130，从而使该M个P-N结单元结构体130粘结在一起。若通过压合的方式使M个P-N结单元结构体130粘结在一起，请参阅图4，则位于P-N结单元之间的碳纳米管阵列140在压力的作用下可能发生弯曲。
在步骤S400中，所述第一收集电极基材160形成于第一个P-N结单元预制体120的第二表面123。该第一个P-N结单元预制体120的第二表面123即为所述多个依序层叠排列的M个P-N结单元结构体130的沿层叠方向上的一个外表面。在步骤S300中，该第一个P-N结单元预制体120的第二表面123未生长有碳纳米管阵列140，因此，第一收集电极基材160可形成于该第一个P-N结单元结构体130的第二表面123。
所述第一收集电极基材160为具有连续平面结构的金属材料层或碳纳米管阵列，该金属材料可为铝、铜、或银等。该第一收集电极基材160可通过导电粘结剂粘结在该第一个P-N结单元预制体120的第二表面123，也可通过真空蒸镀、或磁控溅射等方法形成于所述第一个P-N结单元预制体120的第二表面123。本实施例中，所述第一收集电极基材160为条形铝箔。
由于在步骤S200中于第M个P-N结单元预制体120中的第一表面121生长碳纳米管阵列140，因此，该生长于第M个P-N结单元预制体120的第一表面121的碳纳米管阵列140可作为第二收集电极基材180。所述第一收集电极基材160与所述第二收集电极基材180相对且间隔设置，且所述第一收集电极基材160与所述第二收集电极基材180与所述太阳能电池10的一受光端面17相邻或相连接。
进一步地，可于该生长于第M个P-N结单元预制体120的第一表面121的碳纳米管阵列140的自由端形成一金属层。形成该金属层的方法为真空蒸镀或磁控溅射。该生长于第M个P-N结单元预制体120的第一表面121的碳纳米管阵列140与金属层共同作为第二收集电极基材180。所述金属层覆盖碳纳米管阵列140的自由端从而起到保护碳纳米管阵列140的作用。
进一步地，所述第二收集电极基材180的制备方法还可以包括以下步骤：在步骤S200结束后，去除生长于第M个P-N结单元预制体120的第一表面121生长的碳纳米管阵列140；真空蒸镀或磁控溅射一金属层于所述第M个P-N结单元预制体120的第一表面121。该形成于第M个P-N结单元预制体120的第一表面121的金属层可做为第二收集电极基材180。
进一步地，所述第二收集电极基材180的制备方法包括以下步骤：在步骤S200结束后，沿M个P-N结单元结构体130的层叠的方向，层叠一第M+1个P-N结单元预制体120于第M个P-N结单元结构体130的一侧，使第M+1个P-N结单元预制体120的第二表面123与第M个P-N结单元结构体130的碳纳米管阵列140的自由端贴合设置；形成一金属层于所述第M+1个P-N结单元预制体120的第一表面121。该金属层可作为第二收集电极18。
在步骤S500中，切割所述多个相互层叠的P-N结单元结构体130的方式和切割方向不限，所述切割方向具体为可穿过每个P-N结单元结构体130，从而形成至少一个平面结构，该平面结构的表面平行于该切割方向，优选为沿垂直于第一收集电极基材160和第二收集电极基材180所在平面的方向切割所述M个P-N结单元结构体130。步骤S500结束后，得到多个太阳能电池10。通过该切割方式，可在每个太阳能电池10上形成一由上述多个相互层叠的P型硅层及N型硅层共同构成的直接暴露于太阳光下的受光端面17。每个电池单元的受光端面17为切割面或与切割面平行的面。所述切割面为沿切割方向的切割轨迹形成的一平面。
所述切割后得到的太阳能电池具有M个沿一直线连续并排的P-N结单元、M-1个内电极、一第一收集电极以及一第二收集电极，其中M大于等于2。沿所述直线，所述M个P-N结单元依次为一第一个P-N结单元至一第M个P-N结单元。该M个P-N结单元通过M-1个内电极串联连接。所述太阳能电池具有一受光端面，该受光端面平行于所述直线。该受光端面为该太阳能电池直接接受外界光线入射的表面。
进一步地，在上述步骤S500之后，可在每个太阳能电池10的受光端面17上采用真空蒸镀或磁控溅射等方法形成一减反射层19，该减反射层19可使光线入射并减少光的反射，且对光的吸收较少，该减反射层19的材料为氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)等。该减反射层19的厚度可小于150纳米，本实施例中，该减反射层为900埃的氮化硅层。
进一步，在上述步骤S500之后，得到多个太阳能电池10，可在每个太阳能电池10的出光端面11的表面通过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成一反射层。进一步，可在太阳能电池的出光端面11和反射层之间过真空蒸镀或磁控溅射等方法形成一透明绝缘层13。该透明绝缘层13的材料为二氧化硅，金刚石，塑料或树脂。所述透明绝缘层13的厚度为5纳米至15纳米。
本发明提供的太阳能电池10的制备方法包括以下步骤：
第一，采用化学气相沉积法生长碳纳米管阵列，生长碳纳米管阵列结束后，金属颗粒会残留在碳纳米管阵列与P-N结单元之间，从而降低了P-N结单元与碳纳米管阵列之间的接触电阻，提高太阳能电池的光电转换效率；第二，由于碳纳米管阵列直接生长于一P-N结单元的第一表面121，且碳纳米管阵列的自由端直接与相邻的另一P-N结单元的第二表面123接触，因此，P-N结单元中产生的电流该沿碳纳米管阵列中碳纳米管的轴向传导，极好地利用了碳纳米管的良好的轴向导电性能，由于总内阻变小，即向外界能提供的电流变大，提高了光电转换效率；第三，采用于P-N结单元的表面直接生长碳纳米管阵列作为内电极，使碳纳米管阵列与P-N结单元的表面的结合牢固，从而使太阳能电池10的寿命较长；以及第四，采用将多个生长有碳纳米管阵列的P-N结单元层叠之后切割的方法制备得到多个太阳能电池，提高了太阳能电池的制备效率。
本发明第三实施例提供一种太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：步骤a，提供M个P-N结单元预制体，M大于等于2，每个P-N结元预制体包括层叠且接触设置的一第一硅层基材以及一第二硅层基材，所述每个P-N结单元预制体包括相对的一第一表面和一第二表面；步骤b，将所述M个P-N结单元结构体由第一个至第M个P-N结单元结构体沿一直线依次设置；步骤c，形成内电极于所述M个P-N结单元预制体中的相邻两个P-N结单元预制体之间，所述内电极串联所述相邻的P-N结单元结构体，使M个P-N结单元预制体串联设置，所述内电极包括碳纳米管阵列；步骤d，在M个P-N结单元结构体的所述第一个P-N结单元结构体的第二表面形成一第一收集电极基材，所述第一个P-N结单元预制体的第一表面形成一第二收集电极基材，得到太阳能电池母体；以及步骤e，沿在步骤b中直线方向切割所述太阳能电池母体，得到具有直接接受外界光线的一受光端面的多个太阳能电池，所述受光端面为切割面或与切割面平行且相对的面。
本发明第三实施例提供的太阳能电池的制备方法与第二实施例提供的太阳能电池的制备方法相似，其区别在于，先将多个P-N结单元预制体依次设置，之后在形成内电极与P-N结单元预制体之间。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (12)

1.一种太阳能电池，其特征在于：其包括M个沿一直线连续并排且串联连接的P-N结单元、M-1个内电极、一第一收集电极以及一第二收集电极，其中M大于等于2，所述M个P-N结单元依次为第一个P-N结单元至第M个P-N结单元，每相邻两个P-N结单元之间设置有一内电极，所述第一收集电极及第二收集电极分离设置于串联连接的所述M个P-N结单元的外侧，所述M-1个内电极中至少一个内电极包括一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括大致平行的多个碳纳米管，该多个碳纳米管的两端分别连接于相邻的两个P-N结单元，所述太阳能电池具有一受光端面，该受光端面平行于所述直线。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管为开口碳纳米管。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管为金属性碳纳米管。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管阵列与P-N结单元接触的端面设置有金属层。
5.如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述金属层包括多个金属颗粒，该多个金属颗粒设置于碳纳米管阵列中的碳纳米管的端部。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度为100微米至400微米。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一收集电极和所述第二收集电极的材料为金属或碳纳米管。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述至少一内电极为碳纳米管阵列。
9.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述至少一内电极为碳纳米管阵列复合材料。
10.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个内电极均为碳纳米管阵列。
11.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述M个P-N结单元为交错设置。
12.一种太阳能电池，其包括：
多个P-N结单元沿一直线连续并排且串联连接；
多个内电极，每相邻两个P-N结单元之间设置有一内电极；
一第一收集电极以及一第二收集电极，所述第一收集电极及第二收集电极分别设置于串联连接的所述多个P-N结单元垂直于所述直线的两端，其特征在于，所述至少一个内电极包括一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括大致平行的多个碳纳米管，该多个碳纳米管的两端分别连接相邻的两个P-N结单元，所述太阳能电池具有一受光端面，该受光端面平行于所述直线。
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