一種疊層太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種疊層太陽能電池，包括至少2個子電池，各個子電池均由第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體組成；第一類半導(dǎo)體由同類半導(dǎo)體層上下堆疊而成，且禁帶寬度從上到下遞減；第一類半導(dǎo)體均位于第二類半導(dǎo)體的側(cè)面，構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的子電池；金屬電極位于子電池的側(cè)面。本發(fā)明開發(fā)了一種新的疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，材料種類少；此外，由于本發(fā)明的子電池是并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)，因此不需要考慮電流匹配問題，對材料的要求低，工藝窗口拓寬。
【專利說明】—種疊層太陽能電池及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種疊層太陽能電池的制備方法，屬于太陽能電池【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)的化石燃料日益消耗殆盡，在現(xiàn)有的可持續(xù)能源中，太陽能無疑是一種最清潔、最普遍和最有潛力的替代能源。太陽能發(fā)電裝置又稱為太陽能電池或光伏電池，可以將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，其發(fā)電原理是:太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成空穴-電子對，在P-N結(jié)電場的作用下，N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，接通電路后就形成電流。
[0003]目前，太陽能電池的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。以硅片為基礎(chǔ)的“第一代”太陽能電池其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟，但單晶硅純度要求在99.999%，生產(chǎn)成本太高，使得人們不惜犧牲電池轉(zhuǎn)換率為代價開發(fā)薄膜太陽能電池。第二代太陽電池是基于薄膜材料的太陽電池:薄膜技術(shù)所需材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實現(xiàn)大面積電池的生產(chǎn)，可有效降低成本。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦硒薄膜電池，其中以多晶硅為材料的太陽能電池最優(yōu)。太陽能光電轉(zhuǎn)換率的卡諾上限是95%，遠高于標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池的理論上限33%，表明太陽能電池的性能還有很大發(fā)展空間。業(yè)內(nèi)研究者認為，第三代太陽電池必須具有如下條件:薄膜化，轉(zhuǎn)換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還處在概念和簡單的試驗研究。已經(jīng)提出的主要有疊層太陽能電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。其中，疊層太陽能電池是太陽能電池發(fā)展的一個重要方向。
[0004]由于太陽光光譜的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收其中能量比其禁帶寬度值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；而高能光子超出禁帶寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效電能。因此對于單結(jié)太陽能電池，即使是晶體材料制成的，其轉(zhuǎn)換效率的理論極限一般也只有25%左右。太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按禁帶寬度從大到小的順序從外向里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長較長的光能夠透射進去讓較窄禁帶寬度材料電池利用，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣結(jié)構(gòu)的電池就是疊層太陽能電池，又稱為多結(jié)太陽電池。因此，疊層太陽能電池就是將吸收不同波長光譜的若干子電池按照吸收波長由短到長的順序連接起來的太陽能電池。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，疊層太陽能電池的若干子電池以串聯(lián)的方式互相連接。由于每個子電池都由PN結(jié)組成，如果直接串聯(lián)在一起，相鄰子電池的P區(qū)與η區(qū)會形成反向的PN結(jié)，會影響甚至遏止整個太陽電池的電流傳輸。為了解決這一問題，現(xiàn)有技術(shù)通過采用了隧道結(jié)技術(shù)。隧道結(jié)是高摻雜的PN結(jié)，它是多子器件；由于有很高的摻雜濃度，隧道結(jié)擴散勢壘寬度非常小；當(dāng)有外加偏壓時，電子可以從價帶直接隧穿進入導(dǎo)帶，形成隧道電流。在某個特定的范圍內(nèi)，隧道結(jié)表現(xiàn)出負電阻效應(yīng)，即隨著電壓增大而電流減小?，F(xiàn)有技術(shù)中，疊層太陽能電池主要通過機械堆疊法來制備，先制備窄禁帶寬度的子太陽電池，然后把較高禁帶寬度材料的依次堆疊在低帶寬的電池上面。每兩個子電池之間要加入隧道結(jié)，以保證電流的順利傳輸。具體參見附圖廣2所示(以三結(jié)疊層電池為例)，其結(jié)構(gòu)特點是:(1)每個子電池由第一類半導(dǎo)體A和第二類半導(dǎo)體B組成的PN結(jié)構(gòu)成，沿著入射方向依次標(biāo)記AlBl，A2B2，……，且禁帶寬度A1>A2>A3>……，禁帶寬度B1>B2>B3>……；(2)子電池的數(shù)目大于等于2，且子電池以串聯(lián)方式連接；相鄰兩個子電池之間有隧道結(jié)連接；(3)光生電流方向與光線吸收方向平行；(4)疊層太陽能電池之間互聯(lián)方式是:金屬導(dǎo)電條跨越相鄰電池的受光面和背光面，并連接金屬電極，參見圖2所示；這種結(jié)構(gòu)下，金屬導(dǎo)電條必然會遮擋部分受光面。
[0006]然而，上述結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池還存在如下問題:(1)現(xiàn)有的疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，以三結(jié)疊層電池為例，半導(dǎo)體層共有8層；(2)以三結(jié)疊層電池為例，8層不同禁帶寬度的半導(dǎo)體層要求晶格參數(shù)接近，匹配度高，即而且要求串聯(lián)的每個子電池所能產(chǎn)生的電流要盡可能一致；否則晶格失配度過大，有可能造成載流子復(fù)合，嚴重影響太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，因此對材料的要求較高；(3)由于所有電池是逐層生長/沉積的，一旦在某些層出現(xiàn)缺陷瑕疵，會陸續(xù)影響后續(xù)生長/沉積的半導(dǎo)體層，引起整個電池低效甚至失效，因此其工藝要求較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種疊層太陽能電池及其制備方法。
[0008]為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種疊層太陽能電池，包括至少2個子電池，各個子電池均由第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體組成；第一類半導(dǎo)體由同類半導(dǎo)體層上下堆疊而成，且禁帶寬度從上到下遞減；第一類半導(dǎo)體均位于第二類半導(dǎo)體的側(cè)面，構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的子電池；
金屬電極位于子電池的側(cè)面。
[0009]上文中，所述第一類半導(dǎo)體由同類半導(dǎo)體層上下堆疊而成，優(yōu)選的，各層第一類半導(dǎo)體的厚度相同或相近，多層第一類半導(dǎo)體層的總厚度與第二類半導(dǎo)體的厚度相等；從而保證上下表面平整。
[0010]上述結(jié)構(gòu)中，各個子電池的PN結(jié)與入射光方向垂直。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述太陽能電池的受光面設(shè)有絨面結(jié)構(gòu)。所述太陽能電池的受光面由第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的受光面共同組成。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述太陽能電池的受光面設(shè)有減反射層。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述太陽能電池的背光面設(shè)有背反射層。背反射層的作用是使透過太陽能電池的光被背反射層反射回電池內(nèi)，從而提高光的利用效率，該結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0014]本發(fā)明同時請求保護一種疊層太陽能電池的制備方法，包括如下步驟:
(1)采用第二類半導(dǎo)體B，進行表面清洗，制絨；
(2)在上述第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面設(shè)置掩膜，并使掩膜部分遮擋第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體Al的位置；
(3)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體Al，形成第一個PN結(jié)A1B，構(gòu)成第一個子電池；
(4)去除掩膜；在第二類半導(dǎo)體B和第一類半導(dǎo)體Al的側(cè)面設(shè)置掩膜，并使掩膜部分遮擋第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體A2的位置；
所述第一類半導(dǎo)體A2的位置緊接于第一類半導(dǎo)體Al的下方；
(5)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體A2，形成第二個PN結(jié)A2B，構(gòu)成第二個子電池；
禁帶寬度A1>A2 ;各個子電池之間構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)；
(6)參照上述步驟制備第三子電池及其他子電池；
(7)在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的側(cè)面分別制作金屬電極，即可得到疊層太陽能電池。
[0015]上文中，第一類半導(dǎo)體Al、A2的制備順序可變化，例如，可以是從上到下制備，也可以是從下到上制備。
[0016]上述技術(shù)方案中，在所述步驟(6)和(7)之間，還有如下步驟:在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的受光面上設(shè)置減反射層；在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的背光面上設(shè)置背反射層。
[0017]由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點:
1、本發(fā)明開發(fā)了一種新的疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，材料種類少；以三結(jié)疊層電池為例，半導(dǎo)體層僅有4層，比現(xiàn)有技術(shù)中的疊層電池減少一半；此外，由于本發(fā)明的子電池是并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)，因此不需要考慮電流匹配問題，對材料的要求低，工藝窗口拓寬；
2、本發(fā)明金屬電極位于子電池的側(cè)面，因而不會對受光面產(chǎn)生遮擋，提高了光利用率；此外，該結(jié)構(gòu)在電池互聯(lián)過程中顯得非常簡單，只需要相鄰疊層電池側(cè)面金屬互聯(lián)即可，無需像現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬導(dǎo)電條跨越相鄰電池的受光面和背光面，從而大大簡化的互聯(lián)工藝，具有顯著的效果和積極地現(xiàn)實意義；
3、本發(fā)明的制備方法簡單易行，成本較低，適于推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是【背景技術(shù)】中現(xiàn)有的疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是【背景技術(shù)】中現(xiàn)有的疊層太陽能電池的互聯(lián)示意圖。
[0020]圖3是實施例一的疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4是實施例一的疊層太陽能電池的互聯(lián)示意圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步描述。
[0023]實施例一:
參見圖3?4所示，一種疊層太陽能電池，包括3個子電池A1B、A2B和A3B，各個子電池均由第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體組成；第一類半導(dǎo)體由同類半導(dǎo)體層上下堆疊而成，且禁帶寬度從上到下遞減；第一類半導(dǎo)體均位于第二類半導(dǎo)體的側(cè)面，構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的子電池；
金屬電極位于子電池的側(cè)面。
[0024]所述太陽能電池的受光面設(shè)有絨面結(jié)構(gòu)。所述太陽能電池的受光面設(shè)有減反射層。所述太陽能電池的背光面設(shè)有背反射層。
[0025]由于本發(fā)明金屬電極位于子電池的側(cè)面，因而不會對受光面產(chǎn)生遮擋，提高了光利用率；此外，該結(jié)構(gòu)在電池互聯(lián)過程中顯得非常簡單，只需要相鄰疊層電池側(cè)面金屬互聯(lián)即可，參見圖4所示，從而大大簡化的互聯(lián)工藝，具有顯著的效果和積極地現(xiàn)實意義。
[0026]第一類半導(dǎo)體A由3個同類半導(dǎo)體層堆疊而成，沿著入射方向依次標(biāo)記Al、A2和A3，禁帶寬度A1>A2>A3。第二類半導(dǎo)體B分別與Al、A2和A3構(gòu)成子電池的PN結(jié)，各子電池以并聯(lián)方式連接，且每個子電池的PN結(jié)與入射光方向垂直。光生電流方向與光線吸收方向垂直。
[0027]上述疊層太陽能電池的制備方法，包括如下步驟:
(1)采用第二類半導(dǎo)體B，進行表面清洗，制絨；
(2)在上述第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面設(shè)置掩膜，并使掩膜部分遮擋第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體Al的位置；
(3)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體Al，形成第一個PN結(jié)A1B，構(gòu)成第一個子電池；
(4)去除掩膜；在第二類半導(dǎo)體B和第一類半導(dǎo)體Al的側(cè)面設(shè)置掩膜，并使掩膜部分遮擋第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體A2的位置；
所述第一類半導(dǎo)體A2的位置緊接于第一類半導(dǎo)體Al的下方；
(5)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體A2，形成第二個PN結(jié)A2B，構(gòu)成第二個子電池；
(6)去除掩膜；在第一類半導(dǎo)體Al和A2的側(cè)面設(shè)置掩膜，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體A3的位置；
所述第一類半導(dǎo)體A3的位置緊接于第一類半導(dǎo)體A2的下方；
(7)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體A3，形成第三個PN結(jié)A3B，構(gòu)成第三個子電池；
禁帶寬度A1>A2>A3 ;各個子電池之間構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)；
(8)在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的側(cè)面分別制作金屬電極，即可得到疊層太陽能電池。
【權(quán)利要求】
1.一種疊層太陽能電池，包括至少2個子電池，各個子電池均由第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體組成；其特征在于:第一類半導(dǎo)體由同類半導(dǎo)體層上下堆疊而成，且禁帶寬度從上到下遞減；第一類半導(dǎo)體均位于第二類半導(dǎo)體的側(cè)面，構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的子電池； 金屬電極位于子電池的側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于:所述太陽能電池的受光面設(shè)有絨面結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于:所述太陽能電池的受光面設(shè)有減反射層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于:所述太陽能電池的背光面設(shè)有背反射層。
5.一種疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)采用第二類半導(dǎo)體B，進行表面清洗，制絨； (2)在上述第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面設(shè)置掩膜，并使掩膜部分遮擋第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體Al的位置； (3)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體Al，形成第一個PN結(jié)A1B，構(gòu)成第一個子電池； (4)去除掩膜；在第二類半導(dǎo)體B和第一類半導(dǎo)體Al的側(cè)面設(shè)置掩膜，并使掩膜部分遮擋第二類半導(dǎo)體B的側(cè)面，預(yù)留出第一類半導(dǎo)體A2的位置； 所述第一類半導(dǎo)體A2的位置緊接于第一類半導(dǎo)體Al的下方； (5)在上述預(yù)留位置沉積第一類半導(dǎo)體A2，形成第二個PN結(jié)A2B，構(gòu)成第二個子電池； 禁帶寬度A1>A2 ;各個子電池之間構(gòu)成并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)； (6)參照上述步驟制備第三子電池及其他子電池； (7)在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的側(cè)面分別制作金屬電極，即可得到疊層太陽能電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:在所述步驟(6)和(7)之間，還有如下步驟:在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的受光面上設(shè)置減反射層；在第一類半導(dǎo)體和第二類半導(dǎo)體的背光面上設(shè)置背反射層。
【文檔編號】H01L31/0687GK104241431SQ201410534787
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】吳堅, 王栩生 申請人:蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司, 鹽城阿特斯協(xié)鑫陽光電力科技有限公司