[发明专利]具有氧化物隧穿结的太阳能电池

说明书

相关申请

本发明要求于2010年5月4日提交的、发明人是Jiunn BenjaminHeng，Chentao Yu，Zheng Xu和Jianming Fu、名称为“Solar Cell withHetero Tunneling Junction(HTJ)”、代理人案卷号为SSP 10-1002PSP的美国临时申请No.61/331,158的权益。

技术领域

本公开总体涉及太阳能电池。更具体而言，本公开涉及基于隧穿结结构的太阳能电池，该隧穿结结构使用电介质材料(例如氧化硅)来形成隧穿层。

背景技术

通过使用化石燃料造成的负面环境影响及其提升的成本已导致对更洁净、廉价替代能源的急切需求。在不同形式的替代能源中，太阳能因其洁净性和广泛可用性而受到青睐。

太阳能电池利用光电效应将光转换成电。有许多种太阳能电池结构，并且一种典型的太阳能电池包含pn结，该pn结包括p型掺杂层和n型掺杂层。此外，还有不基于pn结的其他类型的太阳能电池。例如，太阳能电池可以基于金属绝缘体半导体(MIS)结构，该MIS结构包括位于金属或高导电层与掺杂的半导体层之间的超薄电介质或绝缘界面隧穿层。

在基于pn结的太阳能电池中，被吸收的光产生载流子。这些载流子扩散进入pn结并由内建电场分离，从而产生穿过器件和外部电路系统的电流。在确定太阳能电池质量中的重要度量是其能量转换效率，其定义为当太阳能电池连接至电路时转换功率(从被吸收的光转换成电能)与收集功率的比率。

为了提高转换效率，太阳能电池结构应当允许光生载流子有效地输运到电极。载流子损失的重要途径之一是在电池表面处的少数载流子的复合。因此，优异的表面钝化对于太阳能电池性能而言是重要的，这是因为它直接影响开路电压(V_oc)。注意到良好的V_oc意味着使得能够在更高温度下获得更好的太阳能电池性能的良好的温度系数。对于同质结太阳能电池而言，因存在的自由键所导致的在太阳能电池表面处的少数载流子复合可以明显降低表面钝化。此外，由掺杂剂扩散形成的较厚、重掺杂发射极层通常导致更差的少数载流子复合以及大幅度减弱短波长响应。诸如Si异质结(SHJ)太阳能电池之类的异质结太阳能电池因无定形Si(a-Si)层和晶态Si(c-Si)基极层之间的固有带隙偏移而往往具有较好的表面钝化，带隙偏移通过形成多数载流子的势垒来降低表面复合速度。a-Si层通过氢化作用修复已有的Si自由键，从而也钝化c-Si基极层的表面。然而，通常形成发射极的a-Si层是重掺杂的，从而导致表面钝化降低并导致短波长响应减弱。为了减轻增加的少数载流子表面复合，本征a-Si层可以嵌入重掺杂a-Si层和c-Si基极层之间。

在基于MIS的太阳能电池中，诸如具有特定固定界面电荷的氧化硅之类的绝缘层被嵌入金属层和半导体层(诸如掺杂的c-Si层)之间，并在掺杂的c-Si中引起反型层。在反型层和c-Si之间的界面处的内建表面电场允许待分开和收集为少数载流子的电荷通过隧穿通过超薄绝缘(或氧化物)层来行进通过高导电空间电荷区域。极低的表面复合速度可以通过反型层的表面钝化和反型“发射极”层的低缺陷态密度来实现。为了避免引入与载流子隧穿通过厚电介质层相关的高串联电阻，隧道氧化物层需要低于20或30埃。

图1A展示示出示例性金属绝缘体半导体(MIS)太阳能电池(现有技术)的图。MIS太阳能电池100包括掺杂有一种类型掺杂剂的硅衬底层102、薄绝缘层104、顶部金属栅106和底部金属接触层108。图1A中的箭头表示入射的太阳光。

尽管利用小尺度上的基于MIS的太阳能电池可以实现良好的效率，但是难于将基于MIS的太阳能电池按比例增加至可制造的尺寸，这是因为反型层的差的导电性要求用于电流收集的密集金属栅。此外，在氧化物层中掺杂的铯(Cs)(其被引入以引起反型层)是不稳定的。