[发明专利]一种多吸收层纵向分布的非晶硅太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，涉及非晶硅太阳能电池结构，尤其是一种多吸收层的非晶硅太阳能电池结构。

背景技术

随着石油，天然气等不可再生资源的日益枯竭，太阳能作为一种取之不尽的资源成为人类所努力的方向。目前主要的硅基太阳能电池主要为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，其中，非晶硅太阳能电池和单晶硅和多晶硅太阳能电池相比，在制造工艺上大大简化，在材料消耗和电能耗上大大减少，从而成为硅基太阳能电池的热点。

非晶硅材料具有较高的光吸收系数，特别是在0.3~0.75微米的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅高一个数量级，因而，它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1微米厚）就能吸收约90%的可见光太阳能。非晶硅的光学带隙宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5~2.0ev的范围内变化，这样制成的太阳能电池的开路电压高。另外制备非晶硅的工艺和设备简单，沉积温度低，时间短，适于大批量生产。由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题，因此可以沉积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。

最先提出的是非晶硅单结太阳能电池，其结构如图1所示，从上往下包括依次层叠的透明玻璃衬底1（起到衬底支撑作用和对下层结构的保护作用），TCO透明导电膜2（与金属电极一起构成电池的正负极），P型半导体层3（与N型半导体层一起构成太阳能电池的内建电场），缓冲层4（缓冲层的作用是减少半导体层与光吸收层由于晶格失配所带来的串联电阻的增加），非晶硅光吸收层5（吸收太阳光能并产生光生非平衡载流子），N型半导体层6，金属电极7。其中光吸收层作为非平衡载流子的产生层，P型半导体层3和N型半导体层6为电池提供了内建电场，进行非平衡载流子的收集。

单结非晶硅太阳能电池，由于非晶硅光吸收层的光学带隙宽度是固定的（约为1.7ev），因此只能单一的吸收波长为0.3~0.75微米的可见光（），光谱利用率较低。同时，单结非晶硅太阳能电池为了尽可能增加太阳能转换效率，非晶硅光吸收层需要做得很厚，但较厚的非晶硅光吸收层反而增加了电池的不稳定性，即存在所谓的S-W效应（光至衰退效应），这会导致单结非晶硅太阳能电池随着光照时间的增加，太阳能转换效率会降低10%-20%。因此，拓宽非晶硅太阳能电池对光谱的响应范围，降低S-W效应，是非晶硅太阳能电池发展的必然趋势。

为了拓宽非晶硅太阳能电池对光谱的响应范围，降低S-W效应，人们在单结非晶硅太阳能电池的基础上提出了叠层非晶硅太阳能电池。叠层非晶硅太阳能电池，其结构如图2所示，从上到下包括依次层叠的透明玻璃衬底1，TCO透明导电膜2，第一P型半导体层3，第一缓冲层4，第一非晶硅光吸收层5，第一N型半导体层6，第二P型半导体层7，第二缓冲层8，第二非晶硅光吸收层9，第二N型半导体层10，金属电极11。叠层非晶硅太阳能电池相当于两个pin结构的单结非晶硅太阳能子电池（顶电池和底电池）的串联结构。

叠层非晶硅太阳能电池利用PECVD等薄膜沉积技术依次沉积两个pin结构的太阳能电池。其中，顶电池吸收能量较大的光波段，底电池吸收能量较小的光波段，扩展了光谱的响应；同时其吸收层的薄化，使得两个子电池的内建电场有所增大，这样有利于非平衡载流子快速从非晶硅光吸收层中抽出，避免了载流子的复合损失，从而有利于提高太阳能转换效率并降低S-W效应。

但是，叠层非晶硅太阳能电池随即带来了一些新的问题，影响着电池的转换效率。由于两个子电池相互串联，流经两个子电池的电流必然相等，即两个子电池中产生的最小电流为最终输出的电流，所以必须调节顶电池或底电池非晶硅光吸收层的厚度，使两个个子电池的电流相匹配，才能获得较好的转换效率。如不考虑厚度，则顶电池和底电池皆可成为限制条件，从而影响电池的转换效率。除此之外，叠层非晶硅太阳能电池中，顶电池的N型半导体层（即第一N型半导体层6）和底电池的P型半导体层（第二P型半导体层）相互接触，形成一个N-P反向结，会使顶电池的电子积累在第一非晶硅光吸收层5中，而底电池的空穴积累在第二非晶硅光吸收层9中，这样会增大非平衡载流子的复合率，使太阳能电池的转换效率降低。

为了解决叠层电池带来的问题，需要从工艺上控制第一、二非晶硅光吸收层的厚度，以使两个个子电池的电流相匹配；同时选用不同的材料来制作第一N型半导体层6和第二P型半导体层，以降低N-P反向结的影响。然而这样无疑将增加工艺难度和复杂程度，同时也无法完全消除N-P反向结的影响。

发明内容