專利名稱：外加電場型光伏電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種外加電場型的光伏電池，尤其是通過外部電源為光伏電池提供一個調(diào)控電池內(nèi)電場，該電場可以增強pn結區(qū)載流子擴散自建電場，以及非晶光伏電池 p-i-n內(nèi)電場。提高光伏電池的最大輸出功率Pmax，形成轉(zhuǎn)換效率較高的多晶體與非晶光伏 電池。
背景技術：
當前單晶硅、多晶硅與非晶硅光伏電池的基本結構，都是采用ρ型半導體、η型半 導體所組成具有Pn結特征，以及非晶p-i-n特征的光伏電池，參看附圖1所示。單晶或多晶硅光伏電池是由表面電極1. 1、pn結1. 2、背面電極1. 3、ρ型半導體 1.4、η型半導體1.5所組成。非晶硅光伏電池是由透明導電膜1. 1-1、背面電極1.2-l、p-i-n結構層1.3-1、透 明玻璃1.4-1所組成。圖中Enp是單晶或多晶硅光伏電池內(nèi)pn結與非晶硅光伏電池p-i-n結構自建電 場，Ip是光伏電池輸出電流，Id是單晶或多晶硅光伏電池pn結正向電流。η型半導體是在本征半導體材料中，摻入雜質(zhì)使自由電子濃度大大增加，稱為η型 (電子型)半導體。P型半導體在本征半導體中，摻入雜質(zhì)使空穴濃度大大增加，稱為P型 (空穴型)半導體。單晶或多晶硅光伏電池的η型半導體與ρ型半導體直接接觸或通過導體接觸，并 在接觸面形成Pn結，并在耗盡區(qū)載流子擴散形成自建電場Enp。非晶光伏電池的ρ型半導 體膜層與η型半導體膜層之間加有i本征半導體，形成p-i-n結構，并在p-n膜層之間內(nèi)自 建電場Enp，Enp電場方向從η區(qū)指向ρ區(qū)。當入射光子進入單晶或多晶硅光伏電池pn結耗盡區(qū)或非晶光伏電池的i本征半 導體區(qū)，并光子能量大于Pn結耗盡區(qū)或i本征半導體區(qū)能隙時，光子能量會被吸收，產(chǎn)生高 勢能的電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到自建電場Enp的影響而產(chǎn)生光電流I。光伏電池的基本結構中，pn結區(qū)載流子擴散自建電場與p-i-n結構自建電場Enp 的大小與穩(wěn)定，是光伏電池發(fā)電效率的重要參數(shù)。單晶或多晶硅光伏電池內(nèi)pn結區(qū)自建電場Enp大小，首先是由本征半導體材料的 純度決定的。如單晶硅光伏電池比多晶硅光伏電池內(nèi)Pn結區(qū)自建電場Enp強度要大，并 且場強較為穩(wěn)定，所以轉(zhuǎn)換效率高。但單晶硅的制造成本是多晶硅制造成本的幾十倍，而多 晶硅價格又是冶煉級硅的幾十倍。若能以冶煉級硅來制備光伏電池，就能大大降低成本。 可是，冶煉級硅的雜質(zhì)含量太高，直接影響光伏電池內(nèi)Pn結區(qū)自建電場Enp的建立與提高， 造成光伏電池的轉(zhuǎn)換效率較低。若能設法將冶煉級硅用簡單的化學或物理方法，提高光伏 電池內(nèi)pn結區(qū)自建電場Enp，并能滿足光伏電池的要求，這種硅就叫太陽能電池級娃，又叫 SOG-Si。多晶材料的光伏電池內(nèi)自建電場Enp，是電池本身半導體材料及電池結構的特征參數(shù)。所以，影響多晶材料光伏電池自建電場Enp，主要有以下三個主要方面影響1、晶粒間界處存在勢壘，阻斷載流子的通過。2、晶粒間界作為一種晶體缺陷，起著有效復合正負載流子對中心作用。
3、在形成pn結的工藝過程中，摻雜的原子會沿著晶粒間界向下?lián)駜?yōu)擴散，形成導 電分流路徑，增大漏電流。而(a-Si:H)非晶光伏電池是p-i-n結構，而不是單晶硅太陽能電池的pn結構。 非晶太陽能電池內(nèi)光生載流子主要產(chǎn)生于未摻雜的i本征吸收層，與晶態(tài)硅太陽能電池中 載流子主要由pn結擴散區(qū)移動不同，在非晶太陽能電池中，光生載流子主要依靠電池內(nèi)η 層-P層之間電場Enp作用做漂移運動，使光生載流子產(chǎn)生后立即被吸引到η側和ρ側。但 是非晶硅P區(qū)與η區(qū)膜材料中，還包含有大量的懸掛鍵、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷 態(tài)密度，它們提供了電子和空穴復合的場所。另外由于非晶硅電池在經(jīng)過長時間光照后，其 光電導和暗電導都顯著減小，這一現(xiàn)象被稱為Staebler-Wronski效應，簡稱S-W效應。由于 S-W效應使非晶硅膜中缺陷態(tài)密度增加，導致電池內(nèi)的光生電子和空穴復合幾率增加，電池 的轉(zhuǎn)換效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明提供一種電場型光伏電池結構，尤其是通過 外部電源接入電場型光伏電池的電場極，形成一個增強與穩(wěn)定電池內(nèi)自建電場Enp電場，提 高光伏電池的開路電壓與最大輸出功率Pmax，形成轉(zhuǎn)換效率較高的電場型光伏電池結構。實現(xiàn)本發(fā)明目的技術方案是一種外加電場型光伏電池，所述的光伏電池是指由ρ型半導體、η型半導體及兩 者之間的Pn結組成的單晶硅光伏電池，或由ρ型半導體、η型半導體及兩者之間的pn結 組成的多晶硅光伏電池；或由P非晶層、i本征非晶層及η非晶層組成的非晶硅光伏電池， 所述光伏電池的光輻射面(或稱為表面)與背面分別設有表面電極和背面電極，其特征在 于，在所述光伏電池的光輻射面的上面設有透明導電膜，該透明導電膜通過絕緣層與所述 光伏電池的光輻射面電隔離(或稱為“絕緣”，同時，該透明導電膜與表面電極之間也是電 隔離)；所述光伏電池的背面電極的下面設有復合導電膜，該復合導電膜通過絕緣層與背 面電極電隔離(絕緣)，同時，在該透明導電膜與復合導電膜之間設有外加電壓。本發(fā)明通過外部電源接入外加電場型光伏電池，在單結光伏電池外加電源電壓范 圍是0. 6V 3V(0. 6V彡Vl彡3V)。其中電源電壓Vl的大小與電場極板之間光伏電池有效 厚度有關，厚度越大，電壓越高，一般單晶硅或多晶硅光伏電池有效η區(qū)與ρ區(qū)的硅片厚度 要求在300微米以下，而非晶硅薄膜疊層光伏電池有效多層p-i-n薄膜加復合導電膜絕緣 層總厚度要求在10微米以下。所述ρ型半導體襯底的背面電極或復合導電膜構成為外加電場的正電極；所述透 明導電膜構成為外加電場的負電極。而η型半導體襯底的背面電極或復合導電膜構成為外 加電場的負電極；所述透明導電膜構成為外加電場的正電極。更具體地說，本發(fā)明的外加電場型光伏電池的結構和工作原理是在所述光伏電池的光輻射面設有透明導電膜，該透明導電膜與所述的光輻射面η+ 表面電隔離。光輻射能是通過透明導電膜、減反絕緣膜進入η+擴散區(qū)PN結，ρ型半導體為襯底，P型半導體襯底整個下表面涂金屬并燒結成背面電極。其中透明導電膜通過減反絕 緣膜與η+擴散區(qū)的柵結構表面電極也是電隔離。電場型光伏電池中透明導電膜與背面電極 分別連接電場電源的正極與負極，透明導電膜與背面電極之間形成電場Ε1，電場El方向從 透明導電膜指向背面電極。其中，透明導電膜與背面電極之間也可采用P—型半導體與η型 半導體為襯底，η型半導體襯底整個下表面涂金屬并燒結成背面電極，電場El方向相反。其電場型非晶硅光伏電池特征是，背面電極底面復合一層絕緣層，并在絕緣層中 間夾有復合導電膜，導電膜通過絕緣層與背面電極電隔離，該導電膜稱為電場正電極。電場 型非晶硅光伏電池中透明導電膜與電場正電極分別連接直流電源Vl的負極與正極，電場 正電極與透明導電膜之間p-i-n結構形成電場Ε1，電場El方向與自建電場Enp相同，從電 場正電極指向透明導電膜。在電場型多晶硅光伏電池結構中，光輻射面η+表面復合一層透明的減反絕緣膜 (如Si02)，并在減反絕緣膜另一面復合一層透明導電膜，透明導電膜通過減反絕緣膜與光 輻射面n+表面電隔離。光輻射能是通過透明導電膜、減反絕緣膜進入n+擴散區(qū)pn結，P型 半導體為襯底，P型半導體襯底整個下表面涂金屬并燒結成背面電極。其中透明導電膜通 過減反絕緣膜與n+擴散區(qū)的柵結構表面電極也是電隔離。電場型光伏電池中透明導電膜 與背面電極分別連接直流電源Vl的正極與負極，透明導電膜與背面電極之間形成電場E1， 電場E1方向從透明導電膜指向背面電極。由于電場E1方向與光伏電池的pn結區(qū)電場Enp 方向一致，Enp加強與穩(wěn)定，增強正負載流子的分離度，減少了正負載流子的復合作用。電場 El+Enp同時也降低了 pn結正向電流ID，也就是降低了 pn結反向飽和電流I。，能夠提高電池 的開路電壓\c。光伏電池負載電流Ip與照度關系<formula>formula see original document page 6</formula>
I為光生電流，I0為PN結反向飽和電流，K波爾茨曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子 電荷，η為PN結特性參數(shù)。當V = 0時，可得光伏電池短路電流Isc = Ip = I光伏電池的開路電壓
<formula>formula see original document page 6</formula>另外，電場El對ρ區(qū)少子_電子有阻擋和反射作用，既減少了背表面之復合作用， 同時電場El能調(diào)整多晶體晶粒間界勢壘方向，提高載流子遷移，降低晶粒間界復合正負載 流子，又提高了 Pn結對光生少子的收集幾率。所以也就能提高光伏電池的短路電流與開路 電壓，提高光伏電池最大輸出功率Pmax。Pfflax = FFXVocIscFF為光伏電池的填充因子。電場型光伏電池結構，參看附圖2所示。在電場型非晶硅光伏電池結構中，背面電極底面復合一層絕緣層，并在絕緣層中 間夾有復合導電膜，導電膜通過絕緣層與背面電極電隔離，該導電膜稱為電場正電極。電場 型非晶硅光伏電池中透明導電膜與電場正電極分別連接直流電源Vl的負極與正極，電場 正電極與透明導電膜在p-i-n結構之間形成電場E1，電場El方向與自建電場Enp相同，從 電場正電極指向透明導電膜。參看附圖3所示。
本發(fā)明的優(yōu)化方案有所述外加電場的電源裝置的結構是參照圖5，采用小功率的光伏電池1與光伏電 池2串聯(lián)形成電場電源，電場電源正負電極分別連接電場型光伏電池3的透明導電膜與背 面電極。多個外加電場型光伏電池串聯(lián)連接，形成輸出較高電池電壓；或者多個串聯(lián)電場 型光伏電池進行并聯(lián)連接。在所述的太陽輻射面是采用非玻璃的透明聚合物，形成電場型薄膜有機半導體光 伏電池。本發(fā)明通過外部電源接入外加電場型光伏電池的電場極，形成一個增強與穩(wěn)定電 池內(nèi)自建電場Enp電場，提高光伏電池的開路電壓與最大輸出功率Pmax，形成轉(zhuǎn)換效率較高 的外加電場型光伏電池結構。其中的非晶硅光伏電池結構是通過外加調(diào)控電場E1，減少非 晶硅P區(qū)與η區(qū)膜(應為有大量的懸掛鍵、空位等缺陷)中電子和空穴復合，降低S-W效應。 電場Ε1+Εηρ有利提高電池的開路電壓，增加電池轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明通過外部電源接入外加電場型光伏電池，而外部電源所形成的外部電場在 El = 2Εηρ時，外加電場型光伏電池電壓-電流曲線及轉(zhuǎn)化功率Pmax，參看附圖7所示。


圖1-Α、圖I-B分別為現(xiàn)有單晶或多晶硅與非晶硅光伏電池結構原理圖；圖2-Α、圖2-Β分別為本發(fā)明電場型單晶或多晶硅光伏電池結構原理圖；圖3為本發(fā)明電場型非晶硅光伏電池結構原理圖；圖4為本發(fā)明電場型非晶硅疊層光伏電池結構原理圖；圖5-Α、圖5-Β分別為本發(fā)明電場型光伏電池結構中光伏電場電源工作原理圖；圖6為串聯(lián)電場型光伏電池結構中外電場電源工作原理圖；圖7為電場型光伏電池與光伏電池輸出電壓_電流對比曲線圖。
具體實施例方式實施例1實施例1，參照附圖2所示，本發(fā)明一種單晶或多晶硅電場型光伏電池結構是由 柵型表面電極3. 1、ρη結區(qū)3. 2、背面電極3. 3、ρ型半導體3. 4、η型半導體3. 5、減反絕緣 膜3. 6、透明導電膜3. 7、電場電源VI、負載電阻R所組成。電場型光伏電池結構中，背面電 極3. 3與柵型表面電極3. 1，是光伏電池輸出的正電極與負電極，而透明導電膜3. 7與背面 電極3. 3，連接電場電源Vl的正極與負極，使透明導電膜3. 7與背面電極3. 3之間形成電場 El。其中透明導電膜3. 7是通過減反絕緣膜3. 6與η型半導體3. 5、柵型表面電極3. 1進行 電隔離。而電場電源Vl與光伏電池也是相互獨立的電源。參照附圖2所示，本發(fā)明實施例一種單晶或多晶硅電場型光伏電池結構的工作原 理是電場電源Vl的正極與負極分別連接透明導電膜3. 7與背面電極3. 3之間，在光伏電 池η型區(qū)與ρ型區(qū)整體靜電感應形成電場El。該電場El與η型擴散區(qū)ρη結自建電場Enp方 向一致，而強，有助減小ρη結正向?qū)娏鱅D，提高光伏電池短路電流Isc。El+Enp 增強，同時減小ρη結反向?qū)娏鱅。，提高光伏電池開路電壓VQC。該電場El同時對P型區(qū)少子-電子有阻擋和反射作用，既減少了背表面之復合作用，特別是電場El能調(diào)整多晶體晶粒間界勢壘方向，提高載流子遷移，降低晶粒間界復合正負載流子，又提高了 pn結對 光生少子的收集幾率。實施例2參照附圖3所示，本發(fā)明實施例一種電場型非晶硅光伏電池結構是由透明導電 膜3. 1-2、p-i-n結構3. 2-2、背面電極3. 3_2、絕緣層3. 4_2、電場正電極3. 5_2、透明玻璃 3. 6-2、電場電源VI、負載電阻R所組成。其中電場電源Vl的正負極連接電場正電極3. 5-2 與透明導電膜3. 1-2，并在p-i-n結構3. 2-2內(nèi)部形成電場El，電場El與自建電場Enp方向 相同。而且電場正電極3. 5-2與非晶光伏電池背面電極電氣隔離。實施例3參照附圖4所示，本發(fā)明實施例一種電場型非晶硅疊層光伏電池結構，是疊層 P-i-n結構的非晶硅光伏電池。其結構由透明導電膜3. 1_1、3層p-i-n結構3. 2_1、背面電 極3. 3-1、絕緣層3. 4-1、電場正電極3. 5-1、透明玻璃3. 6-1、電場電源Vl、負載電阻R所組 成。其中電場電源Vl的正負極連接電場正電極3. 5-1與透明導電膜3. 1-1，并在3層p-i-n 結構3. 2-1內(nèi)部形成電場El，電場El與自建電場Enp方向相同。而且電場正電極3. 5-1與 非晶硅光伏電池背面電極電氣隔離。實施例3參照附圖5所示，本發(fā)明實施例一種電場型光伏電池結構中電場電源Vl與電場型 光伏電池是相互獨立的電源。本實施例使用獨立的光伏電池作為電場電源VI。參照附圖5 中㈧，小功率的光伏電池1與光伏電池2串聯(lián)形成電場電源，電場電源正負電極分別連接 電場型光伏電池3的透明導電膜與背面電極。應為電場電源輸出電流很小，光伏電池1與 光伏電池2串聯(lián)形成電場電源電壓可以認為開路電壓，開路電壓在1.2V-1.3V。圖中(B)是 P—擴散區(qū)pn結，η型半導體為襯底，η型半導體襯底整個下表面涂金屬并燒結成背面電極的 電場型光伏電池結構，而小功率的光伏電池作為電場電源與電場型光伏電池連接示意圖。參照附圖6所示，，本發(fā)明實施例一種電場型光伏電池結構，可以進行多個電場型 光伏電池串聯(lián)連接，形成輸出較高電池電壓。多個串聯(lián)電場型光伏電池也可以進行并聯(lián)連 接。附圖6中是4個電場型光伏電池串聯(lián)與外電場電源連接工作原理圖。串聯(lián)電場型光伏 電池中電池1-電池4中，電池1表面電極與電池2的背面電極b2連接，電池2表面電極與 電池3的背面電極b3連接，電池3表面電極與電池4的背面電極b4連接。電池4表面電 極與電池1背面電極是串聯(lián)電池輸出的負電極與正電極。電場電源Vl的正負極之間連接 串聯(lián)電容C1-C4，電場電源正極el連接電池1透明導電膜al，電池2的透明導電膜a2與電 池1背面電極bl、串聯(lián)電容4_3電壓e2連接，電池3的透明導電膜a3與電池2背面電極b2、 串聯(lián)電容3_2電壓e3連接，電池4的透明導電膜a4與電池3背面電極b3、串聯(lián)電容電壓 e4連接，電場電源Vl的負極e5連接電池4的背面電極b4。
權利要求
一種外加電場型光伏電池，所述的光伏電池是指由p型半導體、n型半導體及兩者之間的pn結組成的單晶硅光伏電池，或由p型半導體、n型半導體及兩者之間的pn結組成的多晶硅光伏電池；或由p非晶層、i本征非晶層及n非晶層組成的非晶硅光伏電池，所述光伏電池的光輻射面與背面分別設有表面電極和背面電極，其特征在于，在所述光伏電池的光輻射面的上面設有透明導電膜，該透明導電膜通過絕緣層與所述光伏電池的光輻射面電隔離；所述光伏電池的背面電極的下面設有復合導電膜，該復合導電膜通過絕緣層與所述背面電極電隔離，同時，在該透明導電膜與所述復合導電膜之間設有外加電壓；該外加電壓的方向是p型半導體襯底的背面電極或復合導電膜構成為外加電場的正電極；所述透明導電膜構成為外加電場的負電極；而n型半導體襯底的背面電極或復合導電膜構成為外加電場的負電極；所述透明導電膜構成為外加電場的正電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，所述透明導電膜與所述 復合導電膜之間外加電壓的數(shù)值范圍是在單結光伏電池外加電源電壓范圍是0. 6V 3V。
3.根據(jù)權利要求2所述的外加電場型光伏電池，其特征在于， 所述單晶硅或多晶硅光伏電池有效η區(qū)與ρ區(qū)的硅片厚度要求在300微米以下；所述非晶硅薄膜疊層光伏電池有效多層p-i-n薄膜加復合導電膜絕緣層總厚度要求 在10微米以下。
4.根據(jù)權利要求1所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，所述復合導電膜的結構 是所述背面電極底面復合一層絕緣層，并在絕緣層中間夾有復合導電膜。
5.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，所述的光伏 電池光輻射表面上復合有一層透明的減反絕緣膜，并在減反絕緣膜另一面復合一層透明導 電膜，透明導電膜通過減反絕緣膜與光伏電池光輻射表面電隔離。
6.根據(jù)權利要求5所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，所述外加電場型光伏電 池的具體結構如下外加電場型單晶或多晶硅電場型光伏電池裝置是由柵型表面電極(3. 1)、ρη結區(qū) (3. 2)、背面電極(3. 3)、ρ型半導體(3.4)、nS半導體(3. 5)、減反絕緣膜(3. 6)、透明導電 膜(3. 7)、電場電源(VI)、負載電阻(R)所組成；單晶或多晶硅電場型光伏電池結構中，背 面電極(3. 3)與柵型表面電極(3. 1)，是光伏電池輸出的正電極與負電極，而透明導電膜 (3. 7)與背面電極(3. 3)，連接電場電源(Vl)的正極與負極，使透明導電膜(3. 7)與背面電 極(3.3)之間形成電場(El)；其中透明導電膜(3.7)是通過減反絕緣膜(3.6)與η型半導 體(3. 5)、柵型表面電極(3. 1)進行電隔離；而電場電源(Vl)與光伏電池也是相互獨立的 電源；外加電場型非晶硅光伏電池結構裝置是由透明導電膜(3. 1-2) ,p-i-n結構(3. 2-2)、 背面電極(3. 3-2)、絕緣層(3.4-2)、電場正電極(3. 5_2)、透明玻璃(3.6-2)、電場電源 (VI)、負載電阻(R)所組成；其中電場電源(Vl)的正負極連接電場正電極(3.5-2)與透明 導電膜(3. 1-2)，并在p-i-n結構(3.2-2)內(nèi)部形成電場(El)，電場(El)與自建電場(Enp) 方向相同；而且電場正電極(3. 5-2)與非晶光伏電池背面電極電氣隔離；外加電場型非晶硅疊層光伏電池結構裝置是由透明導電膜(3. 1-1)、3層p-i-n結構 (3. 2-1)、背面電極(3. 3-1)、絕緣層(3. 4-1)、電場正電極(3. 5-1)、透明玻璃(3. 6-1)、電場電源(VI)、負載電阻(R)所組成；其中電場電源(Vl)的正負極連接電場正電極(3.5-1)與 透明導電膜(3. 1-1)，并在3層p-i-n結構(3.2-1)內(nèi)部形成電場(El)，電場(El)與自建 電場(Enp)方向相同；而且電場正電極(3. 5-1)與非晶光伏電池背面電極電氣隔離。
7.根據(jù)權利要求6所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，所述外加電場的電源裝 置的結構是采用小功率的光伏電池⑴與光伏電池⑵串聯(lián)形成電場電源，電場電源正負 電極分別連接電場型光伏電池(3)的透明導電膜與背面電極。
8.根據(jù)權利要求6所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，多個外加電場型光伏電 池串聯(lián)連接，形成輸出較高電池電壓；或者多個串聯(lián)電場型光伏電池進行并聯(lián)連接。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的外加電場型光伏電池，其特征在于，在所述的太陽輻射面 是采用非玻璃的透明聚合物，形成電場型薄膜有機半導體光伏電池。
全文摘要
外加電場型光伏電池，是指單晶硅光伏電池或多晶硅光伏電池或非晶硅光伏電池，光伏電池的光輻射面與背面分別設有表面電極和背面電極，特征是光伏電池光輻射面上面設有透明導電膜，透明導電膜通過絕緣層與光伏電池的光輻射面電隔離；光伏電池的背面電極下面設有復合導電膜，復合導電膜通過絕緣層與背面電極電隔離，在透明導電膜與復合導電膜之間設有外加電壓；方向是襯底的背面電極或復合導電膜構成為外加電場的正電極；透明導電膜構成為外加電場的負電極。n型半導體襯底的背面電極或復合導電膜構成為外加電場的負電極；透明導電膜構成為外加電場的正電極。本發(fā)明形成提高電池內(nèi)自建電場Enp電場，提高光伏電池的開路電壓與最大輸出功率及轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/06GK101826566SQ200910223109
公開日2010年9月8日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權日2009年11月6日
發(fā)明者毛星原, 郭建國 申請人:郭建國;毛星原