[发明专利]提高太阳能电池效率及制备高效率太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种提高太阳能电池效率的方法，以及基于该方法制备高效率太阳能电池的方法，该太阳能电池包括但不限于是晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、铜铟镓硒、硫化镉或砷化镓等太阳能电池。

背景技术

硅太阳能电池是目前产量最大、应用最广的产品，晶体硅太阳能电池光伏效率的实验室最高记录已达到24.7％，而光伏效率的商用水平却只有18％，多晶硅太阳能电池光伏效率也只有16％，人们正在不断努力改进工艺，提高电池的光伏效率，以减小其差距^[1]。改进的主要技术手段有：一是减少光在电池表面的反射率，如采用球形、金字塔形、锥形、柱形、金属纳米颗粒等陷光结构，这些措施可将太阳光的反射率降到10％以下；二是提高太阳能电池材料的光吸收率，如背面反射结构、多结结构、聚光等；三是加强光生载流子的有效收集，如加厚栅电极、减薄衬底、采用区熔(FC)硅衬底等。长期以来，人们一直注重增加电池对太阳光的吸收，并通过对光生载流子收集来提高短路电流，进而提高电池效率。然而，却忽略了电池开路电压的提高，忽略了半导体结质量的提高。黑硅的出现则给我们带来了另一种思路。

1998年美国哈佛大学的Eric Mazur教授和他的研究团队利用飞秒激光扫描置于六氟化硫(SF₆)气体中的硅片表面^[2]，意外获得了一种表面微构造锥体材料，其在0.25～2.5μm的几乎全太阳光谱范围内具有＞90％的光吸收率，类似黑体吸收的效果，故亦称之为“黑硅”。这种表面微构造黑硅具有以下特点：一是入射光进入锥体结构后会不断地向锥体底部折射，具有很强的广谱减反射效果；二是这种微构造黑硅表面纳米量级的厚度层内，硫系物质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度；三是这种黑硅材料具有很高的光电响应，一个直径为250μm的黑硅光电二极管在850nm波长处的光电响应达到0.77A/W0V、60A/W1V、79A/W2V，92A/W3V的高值^[3]，这比通常硅pin光电探测器响应要高出100多倍，据此推算其短路时的内量子效率大于100％，带有明显的增益特征。

尽管黑硅晶锥的制作成本高，材料表层存在着大量由激光引入的晶格损伤、缺陷和复合中心，阻碍了光生载流子的输出，但黑硅光电探测器的增益特性是毋庸置疑的。最近，我们利用离子注入+激光辐照，已成功制备出低压下有增益的光电探测器，其在1000nm波段的光电响应为100A/W5V。根据我们的研究和理解，黑硅的本质就在于激光作用下的过饱和替位掺杂，而这种过饱和替位掺杂提升了费米能级位置，在光照下形成了对多数载流子的抽运。因此，黑硅为我们提供了一个用激光辐照来提高半导体掺杂浓度(即过饱和替位掺杂)的方法，开拓了一个提高电池开路电压的全新思路和途径，使电池开路电压摆脱硅中杂质固溶度的限制，从原理上可以突破硅电池30％效率的理论上限，必将引起研究硅光伏效应最大化的新一轮热潮。

参考文献：

[1]Martin A.Green，Solar Cells：Operating Principles，Technology，andSystem Applications，University of New South Wales(1986).

[2]熊绍珍、朱美芳，《太阳能电池基础与应用》，第五章：硅基薄膜太阳能电池，科学出版社，第一版，2009年10月。

[3]Her T H，Finlay R J，Wu C，Deliwala S and Mazur，E，Microstructuringof silicon with femtosecond laser pulses，Applied Physics Letters，73，1673(1998).

发明内容

(一)要解决的技术问题

随着硅中杂质浓度的提高，间隙掺杂与替位掺杂的比例就会越来越高，并在3×10²⁰/cm³替位掺杂浓度下形成“死区”，即更多的掺杂不会被激活，只会形成大量的间隙掺杂，并转变成复合中心，使电池性能越来越差，进而准费米能级被限定。要解决的问题是：在重掺杂区域内如何用激光将间隙杂质尽可能多地转变成替位杂质。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：