[发明专利]太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，并且特别涉及高效率晶体硅太阳能电池。更加特别地，本发明涉及一种太阳能电池，包括：半导体晶圆；发射极，由至少一个发射极区域形成，发射极区域包括至少第一导电类型的第一层和允许载流子提取或注入的第一接触层；背接触，包括至少第二导电类型的第二层和允许载流子提取或注入的第二接触层，第二导电类型与第一导电类型相反；电接触，被分别连接到所述发射极区域和所述背接触并且被设计为从太阳能电池中输运出电流。

本发明的一个特别有利的应用是用于生成电能的光伏电池的生产，但是更加普遍地，本发明还适用于诸如光电探测器之类的任何将光辐射转换为电信号的结构。

背景技术

典型地，经典的光伏太阳能电池在正面上包括金属栅格图案。接触指状物由金属制成。汇流条通常与强导电金属带接触(锡焊、熔焊或使用导电胶水或粘合剂附接)以提取电流，该电流在光学活性区域(即，并未被接触栅格覆盖的区域)上均匀产生并被纤细的指状物或栅格接触收集。

当金属接触直接触及半导体时，半导体中(应当被结收集的)过剩的少数载流子在该接触处复合。因此，经典的太阳能电池需要使金属与半导体之间的接触面积达到最小。在先进的太阳能电池中，如果存在此类接触，在接触下方尝试更高的掺杂以“屏蔽”金属。电池的剩余部分通常覆盖有允许太阳能电池电子钝化的层。

制作更好的电接触的另一途径是使用层堆叠，该层堆叠同时允许电流提取(通过收集光生载流子产生的电流)和接触钝化。这就是使用所谓的无定形硅/晶体硅异质结概念的情况。如图1所示，此类电池通常以下列方式形成：典型地，使用厚度为5至15nm的氢化无定形硅的本征层2和5将n型晶体硅晶圆1的两侧电子钝化。在正面存在掺杂的p层3，并且正面透明导电氧化物(TCO，transparent conductive oxide)4覆盖正面p层3。在本说明书中，i-p-TCO堆叠被称为“发射极”。光生载流子通过发射极进行收集，即在光照下，从光照区域中均匀收集光电流。

在背面，n层6覆盖i层5并且TCO 7覆盖n层6。在本说明书中，i-n-TCO堆叠被称为“背接触”。虽然电流能够流过该接触(因为i层很薄)，但是保证了良好的电子钝化。在太阳能电池的正面，结合到汇流条上的名为栅格指状物的金属导体8(对于正面)将电流输运到太阳能电池以外，而背面能够具有与正面类似的图案，或者覆盖有将电流导向背面处的汇流条的金属层9。因为只要距离典型地超过几毫米，TCO的横向电导率就不足以允许在没有电阻损耗的情况下进行输运，所以在正面和背面需要金属。该配置被称为正面SHJ。TCO层4还起到抗反射覆层的作用。

正面的TCO具有高电导(表面电阻在20至200欧姆/平方范围内)以允许将发射极收集的电流横向输运到下一个接触指状物。堆叠i-p-TCO覆盖太阳能电池除边缘外的整个正面以防止短路。

这些器件的一个特别之处在于，获得的高开路电压通常为710至750mV，这要高于标准的扩散晶体太阳能电池，其中，半导体和TCO(或等效地为金属)之间的直接接触导致较低的电压。

在图2所示的另一配置中，电池包括n型晶圆1，但是覆盖有金属层9的发射极(堆叠i-p-TCO，2-3-4)和背接触(堆叠i-n-TCO，5-6-7)均以发射极区域20和背接触区域30相互交替的方式被放置在太阳能电池的背面。将全部接触放置在背面的该配置被称为背接触异质结电池(IBC-SHJ，backcontacted heterojunction)。在此情况下，需要通过层10在正面实现高效钝化，该高效钝化通常与抗反射效应相结合并且有时与横向导电性相结合以减小电流流动造成的电阻损耗。

到目前为止，为了尽可能高效地收集电池中的光生载流子，所有的作者都使太阳能电池的发射极的覆盖率达到最大。在正面SHJ配置中，正面的接近100％被发射极覆盖，并且在IBC-SHJ中，覆盖有发射极的背面通常为50至70％，而剩余部分被背接触覆盖。

尽管上述方案能够导致高效率(今天在正面SHJ的情况下报告的被证实的效率为23.7％并且在IBC-SHJ的情况下为20.2％)，这些太阳能电池作为工作在1标准太阳光照下的太阳能电池，无法利用能够导致电池的更高性能的集中效应。通常使用增加电池的Voc和效率的透镜或镜子来实现集中(假设不存在高串联电阻)。