[发明专利]太阳能电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池，尤其涉及具有高的光电转化效率的串叠型(tandem)太阳能电池及其制作方法。

背景技术

太阳能电池通常以为固态晶体结构为特征，所述固态晶体结构在它们的价电子带和它们的传导电子带之间具有能带隙。当光为材料所吸收时，占据低能态的电子受激发而穿过能带隙至较高能态。例如，当半导体价带中的电子从太阳辐射的光子吸收足够的能量时，它们可跃过能带隙至更高能量的导带。激发至较高能态的电子留下未占据的低能量位置或者空穴。和导带中的自由电子一样，这种空穴可在晶格中在原子间移动并由此作为电荷载流子，并有助于晶体的导电性。半导体中吸收的大多数光子产生这种电子空穴对，这种电子空穴对产生光电流并进而产生由太阳能电池显示出的光电压。半导体掺杂有不同的材料以产生使用作电荷载流子的空穴和电子分离的空间电荷层(space charge layer)。一旦分离，这些收集的空穴和电子电荷载流子产生空间电荷，该空间电荷引起作为光电压的横跨结区的电压。如果这些空穴和电荷载流子允许流过外部负载，那么它们构成光电流。

在半导体中跨越能带隙存在固定量的势能差。对于待激发跃过能带隙至高能导带的出于低能价带中的电子，其必须通常从吸收的光子中吸收足够量的能量，该能量值至少等于跨越能带隙的势能差。半导体对光子能量小于能带隙的辐射是透明的。如果电子例如从较高能量的光子吸收超过能量的阈值量，那么其可跃过能带隙。吸收的能量超过电子跃过能带隙所需要的的阈值量，则产生了能量高于导带中大部分其它电子的电子。多余能量最后以热的形式散失。最终结果是单个能带隙半导体的有效光电压受限于能带隙。因此，在单个半导体太阳能电池中，为了从太阳辐射光谱俘获尽可能多的光子，半导体必须具有小的能带隙，使得即使具有较低能量的光子也可激发电子跃过能带隙。因为小的能带隙材料的使用导致装置的光电压和功率输出降低，所以存在限制。另外，来自较高能量辐射的光子产生作为热而散失的多余能量。

然而，如果半导体设计为具有较大的能带隙以提高光电压并减小由热载流子的热化所导致的能量损失，则具有较低能量的光子不能被吸收。因此，在设计单结太阳能电池时，有必要平衡这些考虑因素和优化能带隙，并尽量设计具有最优能带隙的半导体。近年来已经进行了许多工作，通过制造串叠型或者多结(级联)太阳能电池结构来解决该问题，在这些太阳能电池中，顶部电池具有较大的能带隙并吸收较高能量的光子，而较低能量光子通过顶部电她进入具有较小能带隙的下部或者底部电池以吸收较低的能量辐射。这些能带隙从高至低、从上到下来排序，以实现光学级联效应(cascading effect)。原则上，可以以如此方式堆叠任意数量的子电池；然而，实际极限通常认为是两个或三个。由于每个子电池在能够有效转换能量的小的光子波长带上将太阳能转化为电能，所以多结太阳能电池能够实现较高的转换效率。制造这种串叠型电池的技术记载于美国专利5,019,177，通过引用将其全部内容并入本文。

现有的串叠型或者多结太阳能电池大部分是由不同的硅基子电池堆叠形成，比如常见的由非晶硅子电池与微晶硅子电池堆叠形成的串叠型太阳能电池，这类电池制作成本较低，但对光的转换效率仍较低。市场上也有高效率的串叠型太阳能电池出现，例如美国专利5,019,177公布的由磷化铟(InP)子电池与磷砷化铟镓(GaInAsP)子电池形成的串叠型太阳能电池，但其材料和制造成本过高，很难在民用的市场大规模推广。

因此，期望提供光电转换效率高且制作成本较低的太阳能电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电转换效率高且制作成本较低的太阳能电池。

本发明的目的还在于提供一种上述太阳能电池的制作方法。

为实现上述目的，本发明提供一种太阳能电池，其包括叠层设置的硅基子电池与III-V族化合物子电池，所述III-V族化合物子电池比所述硅基子电池更靠近光入射方向。

可选的，所述硅基子电池、所述III-V族化合物子电池为p-n型或p-i-n型接合结构。

可选的，所述硅基子电池包括由非晶硅、微晶硅或多晶硅材料制成的光电转换层。

可选的，所述非晶硅包括氢化非晶硅(α-Si:H)、氢化非晶硅碳(α-SiC:H)、氢化非晶硅锗(α-SiGe:H)或氢化非晶硅碳锗(α-SiGeC:H)。

可选的，所述III-V族化合物子电池包括由Al_1-XGa_XN材料制成的光电转换层，其中，0≤X≤1。

可选的，所述硅基子电池与所述III-V族化合物子电池之间设置有导电连接层。