[发明专利]一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，太阳照射地球一小时的能量相当于世界一年的总消费能量。太阳能的有效利用已经成为人类的共识，作为太阳能利用的重要手段之一，对太阳能电池即光伏发电的研究与开发也变得日益重要。目前太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过89％的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领，硅基太阳能电池的研究和开发得到广泛的重视。而在硅系列太阳电池中，以单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在当前的光伏应用领域占主导地位。

单晶硅太阳能电池在结构上最常采用的是p-n结构，在这种结构下，单晶硅材料的纯度要求很高，必须达到99.999％以上。否则其中的杂质和缺陷所造成的复合中心较多，这将大大降低少子寿命。但高纯度硅材料的价格很昂贵，这使得所制作的太阳能电池成本很高([1]安其霖等编，太阳电池原理与工艺，194～219)。因此若能在保持较高转换效率的前提下，降低晶体硅太阳能电池对硅材料的纯度要求则能够大大降低其材料成本。

另外，单晶硅太阳电池制作工艺较复杂，制作过程中需要消耗大量的单晶硅材料，因此受限于单晶硅的材料价格及繁琐的电池工艺，其成本一直居高不下。为了进一步降低太阳电池的成本，人们发展了硅基薄膜太阳电池。其中，非晶硅薄膜太阳电池就是一种很有发展前景的硅基薄膜太阳电池([2]Martin A.Green，Solar Cells Operating Principles，Technology，and System Applications，183～186)。非晶硅薄膜太阳电池有如下优点：非晶硅属于准直接带系材料，其光吸收系数比单晶硅高50～100倍，只需要大约1μm厚的薄膜就可以吸收足够的阳光，生产过程中所消耗的硅材料仅及晶体硅电池的1/100，大大地减小了半导体材料的消耗，因此材料成本非常低；采用低温制备技术(不超过300℃)，比单晶硅电池的800～1000℃低得多，能源消耗少；薄膜制作的工艺简单，仅通过各种气体源就可一次性连续完成复杂器件的制作，材料与器件同时完成，而且可获得大面积均匀薄膜，所以制造成本非常低；易实现大规模生产，完全与半导体微电子技术中的各种集成化技术相兼容。另外，对衬底材料要求不高，能沉积在玻璃、石英、陶瓷、不锈钢、塑料等廉价的衬底上，特别是近期发展起来的柔性衬底非晶硅太阳电池具有高重量比功率，轻便，柔韧性强等优点，容易与建筑材料相结合，构成光伏建筑一体化系统。所以，非晶硅太阳能电池有广阔的应用前景，在降低成本方面有着不可比拟的优势。

非晶硅太阳能电池在结构上最常采用的是与表面垂直的p-i-n结构。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光伏效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电池设计成p-i-n型，其中p层是入射层，i层是本征吸收层，处在p和n层产生的内建电场中。当入射光通过p层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p型一侧，电子漂移到n型一侧，在pn结两侧集聚形成了电位差，形成光生电流和光生电压。因此在这种与表面垂直的p-i-n结构下，i层是电池的核心部分，是光生载流子的产生区。i层的设计原则上应同时考虑材料的光吸收系数和带隙中的缺陷态密度，因此该层的质量及其厚度是否合适，将直接影响电池的性能参数。若i层的质量较差或厚度太厚，则i层中的杂质和缺陷所造成的复合中心较多，这将大大降低光生载流子的寿命，同时厚度太厚会使得内建电场太弱，不利于光生载流子的收集。相反，若i层的厚度薄，则i层中的杂质和缺陷所造成的复合中心较少且内部电场较大，从而提高光生载流子的收集效率，但同时却减小了光吸收，即减小了i层内光生载流子的总数，仍然会影响电池的性能。总之，要提高电池的效率，制备高质量的i层以及寻找合适的i层厚度是关键。

另外，在这种与表面垂直的p-i-n结构下作为窗口的p层或者n层为尽可能地避免遮挡太阳光充分地进入到i层，其厚度必须尽可能薄。但是若窗口的厚度太薄，则无法产生足够的内建电场。显然，窗口的厚度要求也是p-i-n结构的难点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有晶体硅、非晶硅太阳能电池对高转换效率和低成本的要求，提供一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法。