專利名稱：具有中間能帶的太陽能電池及量子點結構吸收層的生成方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，涉及一種具有中間能帶的太陽能電池及量子點 結構吸收層的生成方法。
背景技術：
光伏太陽能電池可以將光能轉化為電能，而薄膜太陽能電池，因與傳統(tǒng)晶體太陽 能電池相比有著不可比擬的成本優(yōu)勢，而成為最具前景的新能源產品。然而，由于薄膜在廉 價的基板(如玻璃或者不銹鋼)上生成的結構不盡如人意，薄膜太陽能電池的效率通常不
是很高。太陽輻射是由光譜分布廣泛的射線組成的，因此利用單結器件很難有效的將太陽 能轉化為電能。多結電池是提高薄膜太陽能電池效率的方法之一，這種結構的電池可以捕 捉更大范圍的太陽能光譜。舉例來說，頂電池相較于底電池有著更高的能帶，因此頂電池不 能吸收的長波的光子就可以被底電池所吸收。就串聯(lián)多結太陽能電池而言，它有兩個最主 要的弊端，一是所有結的電流需要匹配，二是載流子需要穿越相鄰結的界面復合區(qū)域。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種采用單結結構，同時太陽能轉換效率較 高的具有中間能帶的太陽能電池以及應用于這種電池制造的量子點結構的生成方法。本發(fā)明的具有中間能帶的太陽能電池包括有基板和位于基板上的半導體材料的 量子點結構吸收層；所述量子點結構吸收層由第二半導體材料層和分布于第二半導體材料 層中的第一半導體材料島組成；第一半導體材料島的帶隙小于第二半導體材料層，從而在 第二半導體材料層的帶隙中形成中間能帶。所述第二半導體材料層可以有多層，相應地具有多行第一半導體材料島分布在多 層第二半導體材料層中。所述第一半導體材料島可以是鍺材料，同時第二半導體層是非晶硅材料或微晶硅 材料。所述基板可以是玻璃材料。所述的第一半導體材料島的材料晶格系數(shù)大于第二半導體材料層的材料晶格系數(shù)。上述太陽能電池中的量子點結構吸收層的生成方法是先生成第二半導體材料 層，在第二半導體材料層上沉積第一半導體材料層，第一半導體材料層的帶隙小于第二半 導體材料層；對沉積的多層薄膜進行熱退火，使第一半導體材料層的材料形成分布于第二 半導體材料層中的第一半導體材料島，從而在第二半導體層的帶隙中生成中間能帶。上述太陽能電池中的量子點結構吸收層的生成方法是先生成第二半導體材料 層，在第二半導體材料層上沉積第一半導體材料層，第一半導體材料層的帶隙小于第二半 導體材料層，至少重復一次對第一半導體材料層和第二半導體層的沉積；對沉積的多層薄膜進行熱退火，使第一半導體材料層的材料形成分布于第二半導體材料層中的第一半導體 材料島，從而在第二半導體層的帶隙中生成中間能帶。本發(fā)明的技術效果及理論分析如下
對一般的單結太陽能電池而言，能量小于半導體材料帶隙的光子是無法被吸收的。也 就是說，在光譜之外，只有能量高于帶隙的光子才能被吸收。為了提高太陽能電池的效率， 需要捕捉更為廣泛的太陽能光譜。與多結技術相比，本發(fā)明提出使用在半導體材料中應用 中間能帶技術的單結太陽能電池來捕捉更大范圍的太陽能光譜。圖示1是中間能帶太陽能 電池的能帶示意圖。除了禁帶寬度Eg的價帶與導帶之間的光學躍遷101，還存在帶寬Egl 的價帶與中間能帶之間的躍遷102、帶寬Eg2的中間能帶與導帶之間的躍遷103。如果中 間能帶是按照Eg2<Egl<Eg的模式設計，那么太陽能光譜中的短波光子可以被101轉換過 程吸收，中波和長波光子可以分別被102和103過程吸收。而沒有中間能帶的太陽能電池 只有101轉換過程，因此無法吸收中波和長波的光子，這只能產生較小的光生電流。由于 Egl+Eg2=Eg,即使短路電流增加，有中間能帶的太陽能電池的開路電壓也可以維持不變。 這樣有中間能帶的太陽能電池就可以實現(xiàn)較高的轉化效率。實現(xiàn)中間能帶技術的一種方法是營建量子點結構。量子點結構是由點材料(第一 半導體材料)和背景材料(第二半導體材料)的矩陣組成。中間能帶由的基態(tài)能級量子點 組成。為了實現(xiàn)高效能，費米級材料應當位于中間能帶內，以同時保證向導帶躍遷的電子以 及允許電子在價帶與中間能帶之間躍遷的空穴的供應。


圖1是本發(fā)明太陽能電池的具有中間能帶吸收層的能帶示意圖。圖2是本發(fā)明一個實施例的結構示意圖。圖3是本發(fā)明實施例在生成過程中的結構示意圖。
具體實施例方式圖2所示，是本發(fā)明實施例的具有中間能帶的太陽能電池200。其中，201是一個 玻璃基板，它的前端是TCO層202 (如氧化鋅)。203是一個P型硅窗口層，204是本征非晶 硅層。隨后生長一連串的鍺島205a(第一半導體材料島)和非晶硅層205b(第二半導體材 料層)形成了量子點結構。206層是N型非晶硅層，而207是背面TCO層(如氧化鋅)，208 是背電極接觸層(如鋁)。自成結構的鍺島可以采用與非晶硅沉積工藝相同的PECVD方法 制備。鍺的晶格常數(shù)是5. 65 A，而硅的晶格常數(shù)是5.43A。由于晶格常數(shù)的不匹配，在Si 膜上生長的Ge膜存在應力，促使3D鍺島形成的應變能量的衰退比介面能量的生成更迅速。 鍺有0. 6eV的帶隙，而非晶硅帶隙為1. 7eV.這兩者完美結合從而在硅上生成鍺的量子點結 構。用鍺和1. IeV帶隙的微晶硅也可以產生同樣的結構。與晶硅相比，非晶硅因其更高的 吸收系數(shù)，可以產生更大的開路電壓，同時降低生產成本。在硅膜上沉積3D鍺島之前，可能 需要潮濕的鍺層，這個原理通俗易懂，因此不在此圖中進行闡述。自組織結構鍺島的生成也可能很困難?？蛇x的制備方法是生成多層鍺和硅，利用 熱退火使之產生量子點結構。圖3是熱退火后可以轉化為量子點結構的多層結構。301是 玻璃基板，它前端是TCO層302 (如氧化鋅)。303是P型硅窗口層，304是本征非晶硅層。一連串的鍺層305a和非晶硅層305b形成了多層結構。306層是N型非晶硅層，307是背面 TCO層(如氧化鋅)，而308是背電極接觸層(如鋁)。在熱退火后，305a層可以形成自組 織結構的鍺島，從而最終形成的結構與圖3所示結構是相同的。
權利要求
一種具有中間能帶的太陽能電池，其特征是它包括有基板和位于基板上的半導體材料的量子點結構吸收層；所述量子點結構吸收層由第二半導體材料層和分布于第二半導體材料層中的第一半導體材料島組成；第一半導體材料島的帶隙小于第二半導體材料層，從而在第二半導體材料層的帶隙中形成中間能帶。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有中間能帶的太陽能電池，其特征是所述的第二半導體 材料層有多層，相應地具有多行第一半導體材料島分布在多層第二半導體材料層中。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的具有中間能帶的太陽能電池，其特征是所述第一半導 體材料島是鍺材料，第二半導體層是非晶硅材料或微晶硅材料。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的具有中間能帶的太陽能電池，其特征是所述基板是玻 璃材料。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的具有中間能帶的太陽能電池，其特征是所述的第一半 導體材料島的材料晶格系數(shù)大于第二半導體材料層的材料晶格系數(shù)。
6.一種權利要求1、3、4、5之一的具有中間能帶的太陽能電池中的量子點結構吸收層 的生成方法，其特征是先生成第二半導體材料層，在第二半導體材料層上沉積第一半導體 材料層，第一半導體材料層的帶隙小于第二半導體材料層；對沉積的多層薄膜進行熱退火， 使第一半導體材料層的材料形成分布于第二半導體材料層中的第一半導體材料島，從而在 第二半導體層的帶隙中生成中間能帶。
7.—種權利要求2、3、4、5之一的具有中間能帶的太陽能電池中的量子點結構吸收層 的生成方法，其特征是上述太陽能電池中的量子點結構吸收層的生成方法是先生成第 二半導體材料層，在第二半導體材料層上沉積第一半導體材料層，第一半導體材料層的帶 隙小于第二半導體材料層，至少重復一次對第一半導體材料層和第二半導體層的沉積；對 沉積的多層薄膜進行熱退火，使第一半導體材料層的材料形成分布于第二半導體材料層中 的第一半導體材料島，從而在第二半導體層的帶隙中生成中間能帶。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，涉及一種具有中間能帶的太陽能電池及量子點結構吸收層的生成方法。本發(fā)明的具有中間能帶的太陽能電池包括有基板和位于基板上的半導體材料的量子點結構吸收層；所述量子點結構吸收層由第二半導體材料層和分布于第二半導體材料層中的第一半導體材料島組成；第一半導體材料島的帶隙小于第二半導體材料層，從而在第二半導體材料層的帶隙中形成中間能帶。本發(fā)明提出使用在半導體材料中應用中間能帶技術的單結太陽能電池來捕捉更大范圍的太陽能光譜，可以實現(xiàn)較高的轉化效率。
文檔編號H01L31/028GK101931017SQ20101026041
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權日2010年8月24日
發(fā)明者陳寶興, 陳寶生 申請人:江蘇綠洲新能源有限公司