專利名稱：太陽能電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池，尤其涉及具有聞的光電轉(zhuǎn)化效率的串置型(tandem)太陽能電池及其制作方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池通常以為固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)為特征，所述固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)在它們的價電子帶和它們的傳導(dǎo)電子帶之間具有能帶隙。當(dāng)光為材料所吸收時，占據(jù)低能態(tài)的電子受激發(fā)而穿過能帶隙至較高能態(tài)。例如，當(dāng)半導(dǎo)體價帶中的電子從太陽輻射的光子吸收足夠的能量時，它們可躍過能帶隙至更高能量的導(dǎo)帶。激發(fā)至較高能態(tài)的電子留下未占據(jù)的低能量位置或者空穴。和導(dǎo)帶中的自由電子一樣，這種空穴可在晶格中在原子間移動并由此作為電荷載流子，并有助于晶體的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體中吸收的大多數(shù)光子產(chǎn)生這種電子空穴對，這種電子空穴對產(chǎn)生光電流并進而產(chǎn)生由太陽能電池顯示出的光電壓。半導(dǎo)體摻雜有不同的材料以產(chǎn)生使用作電荷載流子的空穴和電子分離的空間電荷層(space charge layer)。一旦分離，這些收集的空穴和電子電荷載流子產(chǎn)生空間電荷，該空間電荷引起作為光電壓的橫跨結(jié)區(qū)的電壓。如果這些空穴和電荷載流子允許流過外部負載，那么它們構(gòu)成光電流。在半導(dǎo)體中跨越能帶隙存在固定量的勢能差。對于待激發(fā)躍過能帶隙至高能導(dǎo)帶的出于低能價帶中的電子，其必須通常從吸收的光子中吸收足夠量的能量，該能量值至少等于跨越能帶隙的勢能差。半導(dǎo)體對光子能量小于能帶隙的輻射是透明的。如果電子例如從較高能量的光子吸收超過能量的閾值量，那么其可躍過能帶隙。吸收的能量超過電子躍過能帶隙所需要的的閾值量，則產(chǎn)生了能量高于導(dǎo)帶中大部分其它電子的電子。多余能量最后以熱的形式散失。最終結(jié)果是單個能帶隙半導(dǎo)體的有效光電壓受限于能帶隙。因此，在單個半導(dǎo)體太陽能電池中，為了從太陽輻射光譜俘獲盡可能多的光子，半導(dǎo)體必須具有小的能帶隙，使得即使具有較低能量的光子也可激發(fā)電子躍過能帶隙。因為小的能帶隙材料的使用導(dǎo)致裝置的光電壓和功率輸出降低，所以存在限制。另外，來自較高能量輻射的光子產(chǎn)生作為熱而散失的多余能量。然而，如果半導(dǎo)體設(shè)計為具有較大的能帶隙以提高光電壓并減小由熱載流子的熱化所導(dǎo)致的能量損失，則具有較低能量的光子不能被吸收。因此，在設(shè)計單結(jié)太陽能電池時，有必要平衡這些考慮因素和優(yōu)化能帶隙，并盡量設(shè)計具有最優(yōu)能帶隙的半導(dǎo)體。近年來已經(jīng)進行了許多工作，通過制造串疊型或者多結(jié)(級聯(lián))太陽能電池結(jié)構(gòu)來解決該問題，在這些太陽能電池中，頂部電池具有較大的能帶隙并吸收較高能量的光子，而較低能量光子通過頂部電她進入具有較小能帶隙的下部或者底部電池以吸收較低的能量輻射。這些能帶隙從高至低、從上到下來排序，以實現(xiàn)光學(xué)級聯(lián)效應(yīng)(cascading effect)。原則上,可以以如此方式堆疊任意數(shù)量的子電池；然而，實際極限通常認為是兩個或三個。由于每個子電池在能夠有效轉(zhuǎn)換能量的小的光子波長帶上將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，所以多結(jié)太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。制造這種串疊型電池的技術(shù)記載于美國專利5，019，177，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。
現(xiàn)有的串疊型或者多結(jié)太陽能電池大部分是由不同的硅基子電池堆疊形成，比如常見的由非晶硅子電池與微晶硅子電池堆疊形成的串疊型太陽能電池，這類電池制作成本較低，但對光的轉(zhuǎn)換效率仍較低。市場上也有高效率的串疊型太陽能電池出現(xiàn)，例如美國專利5，019，177公布的由磷化銦(InP)子電池與磷砷化銦鎵(GaInAsP)子電池形成的串疊型太陽能電池，但其材料和制造成本過高，很難在民用的市場大規(guī)模推廣。因此，期望提供光電轉(zhuǎn)換效率高且制作成本較低的太陽能電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光電轉(zhuǎn)換效率高且制作成本較低的太陽能電池。本發(fā)明的目的還在于提供一種上述太陽能電池的制作方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種太陽能電池，其包括疊層設(shè)置的硅基子電池與II1-V族化合物子電池，所述II1-V族化合物子電池比所述硅基子電池更靠近光入射方向。可選的，所述硅基子電池、所述II1-V族化合物子電池為P-n型或p-1-n型接合結(jié)構(gòu)?？蛇x的，所述硅基子電池包括由非晶硅、微晶硅或多晶硅材料制成的光電轉(zhuǎn)換層。可選的，所述非晶硅包括氫化非晶硅(a-S1:H)、氫化非晶硅碳(a-SiC:H)、氫化非晶硅鍺(a-SiGe:H)或氫化非晶硅碳鍺(a-SiGeC = H)。 可選的，所述II1-V族化合物子電池包括由AlgGaxN材料制成的光電轉(zhuǎn)換層，其中，0 ≤X ≤1可選的，所述硅基子電池與所述II1-V族化合物子電池之間設(shè)置有導(dǎo)電連接層?？蛇x的，所述導(dǎo)電連接層包括層疊設(shè)置的N型重摻雜層與P型重摻雜層?？蛇x的，所述N型重摻雜層、P型重摻雜層的材料均為摻雜硅?？蛇x的，所述導(dǎo)電連接層包括同層設(shè)置、并相鄰的N型重摻雜區(qū)與P型重摻雜區(qū)。可選的，所述N型重摻雜區(qū)與所述P型重摻雜區(qū)的材料均為摻雜硅，所述N型重摻雜區(qū)、P型重摻雜區(qū)位于所述硅基子電池的表面。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種太陽能電池的制作方法，其包括:提供基底；形成硅基子電池；在所述硅基子電池上形成II1-V族化合物子電池；在所述II1-V族化合物子電池上形成TCO玻璃?？蛇x的，所述硅基子電池為p-n型或p-1-n型接合結(jié)構(gòu)?？蛇x的，所述II1-V族化合物子電池包括由AlgGaxN材料制成的光電轉(zhuǎn)換層，其中，0 ≤X ≤ 1可選的，形成II1-V族化合物子電池前，在所述硅基子電池上依次形成P型重摻雜的娃層與N型重摻雜的娃層?？蛇x的，形成II1-V族化合物子電池前，對所述硅基子電池的表層進行摻雜，形成相鄰的N型重摻雜區(qū)與P型重摻雜區(qū)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明的太陽能電池由位于頂部的II1-V族化合物子電池與位于底部的硅基子電池組成，其中寬禁帶的II1-V族化合物材料置于頂層，位于入射光的初始位置，吸收波長短的藍光和綠光，但并不吸收波長更長的紅光與紅外光。這樣位于底部具有較窄禁帶的硅材料則能更好地吸收紅光與紅外光。采用寬禁帶材料作為頂部吸收層的好處在于可以充分利用藍光和綠光光子的能量，同時也使底部電池能夠吸收更多的紅光與紅外光。如果禁帶寬度太窄，比如硅 1.12eV,3eV的藍光光子雖然可以被吸收，但是其中2eV的能量則會變成熱能損耗，不能有效地轉(zhuǎn)化成電能。和以往的做法不同，本發(fā)明采用硅的N型重摻雜層(或區(qū))與P型重摻雜層(或區(qū))組成的界面取代由II1-V族化合物與硅材料構(gòu)成的隧道結(jié)界面，從而降低電子傳輸中的損耗。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。圖1是本發(fā)明太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是Al1JaxN子電池與Si子電池堆疊形成的雙結(jié)太陽能電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明第一實施方式太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明第二實施方式太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如背景技術(shù)所述，現(xiàn)有的單結(jié)、雙結(jié)或多結(jié)太陽能電池，要么光電轉(zhuǎn)換效率不高，要么制造成本太高、難以在市場上大規(guī)模應(yīng)用。針對此點，本發(fā)明采用了一種以II1-V族和硅基結(jié)合的雙結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以同時保證高的光電轉(zhuǎn)換效率與低的制造成本。請參照圖1所示，具有寬禁帶的II1-V族化合物子電池置于雙結(jié)的頂層，位于入射光的初始位置，吸收波長短的藍光和綠光，但并不吸收波長更長的紅光與紅外光。這樣位于底部具有較窄禁帶的硅材料則能更好地吸收紅光與紅外光。采用寬禁帶材料作為頂部吸收層的好處在于可以充分利用藍光和綠光光子的能量，同時也使底部電池能夠吸收更多的紅光與紅外光。如果禁帶寬度太窄，比如硅 1.12eV,3eV的藍光光子雖然可以被吸收，但是其中2eV的能量則會變成熱能損耗，不能有效地轉(zhuǎn)化成電能。這里的II1-V族化合物子電池與硅基子電池的光電轉(zhuǎn)換層均可以為p-n型或p-1-n型接合結(jié)構(gòu)。這里所說的p-n型接合結(jié)構(gòu)，既包括p型材料層覆蓋在n型材料層的結(jié)構(gòu)，也包括n型材料層覆蓋在p型材料層的結(jié)構(gòu)。這里所說的p-1-n型接合結(jié)構(gòu)，既包括p型材料層_i型材料層-n型材料層這樣的疊層結(jié)構(gòu)，也包括n型材料層_i型材料層_p型
材料層的疊層結(jié)構(gòu)。這里所說的II1-V族化合物子電池的光電轉(zhuǎn)換層的材質(zhì)可以是砷化鋁(AlAs)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、砷化鎵銦(InGaAs)等。較佳的，這里的II1-V族化合物子電池可以是禁帶寬度大于2eV的AlgGaxN材料(其中，X在0_1之間)。
這里所說的硅基子電池的光電轉(zhuǎn)換層的材質(zhì)可以是非晶硅、微晶硅、單晶硅或多晶硅中任意一種。較佳的，這里的硅基子電池的材質(zhì)為非晶硅，所述非晶硅包括氫化非晶硅(a-S1:H)、氫化非晶硅碳(a-SiC:H)、氫化非晶硅鍺(a-SiGe:H)、氫化非晶硅碳鍺(a -SiGeCiH)等。實際上，電池的輸出功率可表達為:Pmax = VocX IscXFF其中，Voc為電池的開路電壓，Isc為電池的短路電流，F(xiàn)F為填充因子即為Pmax時的占空比。由上述公式可知，在保持輸出電流不變的情況下，增加Voc可以有效地增加電池的最大功率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的采用寬窄禁帶的雙結(jié)結(jié)構(gòu)可以有效地增大開路電壓，因而可以達到提高光電轉(zhuǎn)換效率的作用。如本文所說明的，通過利用不同材料的串疊型子電池使得太陽能電池效率能夠顯著增加，所述不同材料在它們的價電子帶和它們的導(dǎo)帶之間具有不同能帶隙。用于形成太陽能電池的化合物和合金的晶格常數(shù)是已知的。當(dāng)在具有不同材料的子電池的裝置中組合這些材料時，不同材料的晶格應(yīng)該具有相同的晶格常數(shù)或小的晶格常數(shù)差異。這避免在晶體結(jié)構(gòu)中形成可使得裝置效率急劇降低的缺陷。在任何串疊型電池裝置中，必須使得子電池之間電連結(jié)。優(yōu)選地，這些電池間的歐姆接觸應(yīng)該具有最小的電阻，以使得電池之間的電功率損失極低。存在兩種已知的方法用于制造這種電池間歐姆接觸、金屬互連和隧道結(jié)(或隧道二極管)。金屬互連可提供低的電阻，但是它們難以制造，它們導(dǎo)致復(fù)雜的加工并可導(dǎo)致裝置效率的大大損失。因此，因為可制造具有多個子電池(在它們之間具有隧道結(jié))的單片集成器件，所以通常優(yōu)選隧道結(jié)。但是，隧道結(jié)必須滿足多個要求，例如低電阻、高峰值電流密度、低光能損失和通過頂部和底部電池之間的晶格匹配的結(jié)晶相容性。目前，串疊型太陽能電池使用隧道結(jié)以確保高效電流流過串聯(lián)連接的2-4個太陽能電池。當(dāng)在每個子電池中產(chǎn)生的電流匹配時，電池最高效地工作。為了電流流過電池以使得子電池電壓串聯(lián)疊增，在子次電池之間允許電子空穴復(fù)合的結(jié)是有用的。與以往的做法不同，本發(fā)明不直接利用II1-V族化合物子電池與硅基子電池之間形成的隧道結(jié)界面作為兩者的導(dǎo)電連接結(jié)構(gòu)，而是采用硅的N型重摻雜(N+)與P型重摻雜(P+)界面來形成隧道結(jié)，從而降低電子傳輸中的損耗。以AlgGaxN子電池與Si子電池堆疊形成的雙結(jié)太陽能電池為例，其能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。II1-V族化合物子電池中，P型摻雜的Al1JaxN層(以下簡稱P-AlGaN)、I型AlgGaxN層(以下簡稱1-AlGaN)與N型摻雜的AlgGaxN層(以下簡稱N-AlGaN)構(gòu)成結(jié)Jl ;硅基子電池中，P型摻雜的Si層(即，P-Si)、1型Si層(即，1-Si)與N型摻雜的Si層(BP,N-Si)構(gòu)成結(jié)J2。光子在結(jié)Jl與結(jié)J2中被吸收后形成電子空穴對，在內(nèi)建場的作用下，空穴會向P型區(qū)漂移，而電子會向N型區(qū)漂移。結(jié)Jl中的電子和結(jié)J2中的空穴會在由N+-Si與P+-Si構(gòu)成的隧道結(jié)的界面復(fù)合?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)結(jié)Jl和結(jié)J2區(qū)的參數(shù)使結(jié)Jl和結(jié)J2區(qū)域中的產(chǎn)生電流相匹配，則復(fù)合效率為100%，也就是不會有電子和空穴在界面的積累從而形成勢壘。積累的電荷會影響內(nèi)建場的分布，使電池的效率降低。對于不同的材料，由于禁帶寬度和電子親和能的不同，導(dǎo)帶與價帶的能帶差可能會形成天然的勢壘，從而影響電子及空隙的傳輸效率。而選擇合適的材料來減少這種天然的勢壘會大大增加了工藝的難度和成本，而且不一定能達到預(yù)期的效果和形成高效的太陽能電池。而硅基的隧道結(jié)是一種成熟的工藝，對于形成隧道結(jié)所需要的重摻雜，硅的工藝成熟且性能穩(wěn)定。而II1-V族的材料如果進行重摻雜可能會帶來材料晶格的缺陷。由于AlgGaxN需要通過外延來生長，在材料生長的初始階段進行重摻雜的工藝會帶來許多缺陷，從而大大降低電池的效率。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。第一實施方式本發(fā)明第一實施方式提供的太陽能電池如圖3所示，其自上而下依次包括位于頂層的TCO(transparent conducting oxide,透明導(dǎo)電氧化物鍍膜)玻璃50、P-AlGaN層46、1-AlGaN層44、N-AlGaN層42、N+-Si層(N型重摻雜硅層)35、P+-Si層(P型重摻雜硅層)33、P-Si 層 26、1-Si 層 24、N-Si 層 22 及導(dǎo)電層 10。其中，P-AlGaN 層 46、1-AlGaN 層44、N-AlGaN層42組成了 II1-V族化合物子電池的光電轉(zhuǎn)換層40，P-Si層26、1-Si層24、N-Si層22組成了硅基子電池的光電轉(zhuǎn)換層20，N+-Si層35與P+-Si層33組成了電性連接兩子電池的隧道結(jié)。在本實施例中，N+-Si層35和P+-Si層33中，硅的摻雜濃度都大于IO19/cm3。上述太陽能電池的制作過程如下:提供硅基底(未圖示)；形成導(dǎo)電層10;形成N-Si 層 22、1-Si 層 24、P-Si 層 26 ；形成作為隧道結(jié)的P+-Si層33、N+-Si層35 ；形成N-AlGaN 層 42、1-AlGaN 層 44、P-AlGaN 層 46 ；形成TCO玻璃。其中，P+-Si層33、N+-Si層35可以通過離子注入、擴散或外延方式形成。說明一點，本實施例中采用的是自太陽能電池底層向頂層生長的方式形成太陽能電池，在其它實施例中也可以自相反的方向形成。第二實施方式與第一實施方式相比，本實施方式的主要不同點僅在于隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)，其它結(jié)構(gòu)基本相同，因而采用了相同的標(biāo)號。下面重點介紹第二實施方式的隧道結(jié)。第二實施方式采用的隧道結(jié)形成在同一平面。如圖4所示，N+-Si區(qū)32、P+-Si區(qū)34、N+-Si層36組成了連通兩子電池的隧道結(jié)，其整體位于P-Si層26的表面，其摻雜可以通過離子注入、擴散或外延方式形成。這樣做的好處有兩點:一是工藝簡單，成本低，而且成品率高；二是避免了大面積的重摻雜而造成后續(xù)AlGaN外延的缺陷。如前所述，晶格的缺陷會導(dǎo)致電池的效率降低。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池，其特征在于，包括疊層設(shè)置的硅基子電池與II1-V族化合物子電池，所述II1-V族化合物子電池比所述硅基子電池更靠近光入射方向。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述硅基子電池、所述II1-V族化合物子電池為p-n型或p-1-n型接合結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述硅基子電池包括由非晶硅、微晶硅、單晶硅或多晶硅材料制成的光電轉(zhuǎn)換層。
4.如權(quán)利要求3所述的太陽能電池，其特征在于，所述非晶硅包括氫化非晶硅、氫化非晶硅碳、氫化非晶硅鍺或氫化非晶硅碳鍺。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述II1-V族化合物子電池包括由AlgGaxNM料制成的光電轉(zhuǎn)換層，其中，O ^ 10
6.如權(quán)利要求1至5任一項所述的太陽能電池，其特征在于，所述硅基子電池與所述II1-V族化合物子電池之間設(shè)置有導(dǎo)電連接層。
7.如權(quán)利要求6所述的太陽能電池，其特征在于，所述導(dǎo)電連接層包括層疊設(shè)置的N型重摻雜層與P型重摻雜層。
8.如權(quán)利要求7所述的太陽能電池，其特征在于，所述N型重摻雜層、P型重摻雜層的材料均為摻雜硅。
9.如權(quán)利要求6所述的太陽能電池，其特征在于，所述導(dǎo)電連接層包括同層設(shè)置、并相鄰的N型重摻雜區(qū)與P型重摻雜區(qū)。
10.如權(quán)利要求9所述的太陽能電池，其特征在于，所述N型重摻雜區(qū)與所述P型重摻雜區(qū)的材料均為摻雜硅，所述N型重摻雜區(qū)、P型重摻雜區(qū)位于所述硅基子電池的表面。
11.一種太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括: 提供基底； 形成娃基子電池； 在所述硅基子電池上形成II1-V族化合物子電池； 在所述II1-V族化合物子電池上形成TCO玻璃。
12.如權(quán)利要求11所述的太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述硅基子電池為p-n型或p-1-n型接合結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求12所述的太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述II1-V族化合物子電池包括由AlgGaxNM料制成的光電轉(zhuǎn)換層，其中，0 ≤ X ≤ 1。
14.如權(quán)利要求11至13任一項所述的太陽能電池的制作方法，其特征在于，形成II1-V族化合物子電池前，在所述硅基子電池上依次形成P型重摻雜的硅層與N型重摻雜的娃層。
15.如權(quán)利要求11至13任一項所述的太陽能電池的制作方法，其特征在于，形成II1-V族化合物子電池前，對所述硅基子電池的表層進行摻雜，形成相鄰的N型重摻雜區(qū)與P型重摻雜區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種太陽能電池，該太陽能電池包括疊層設(shè)置的硅基子電池與III-V族化合物子電池，其中，III-V族化合物子電池比硅基子電池更靠近光入射方向。較佳的電池應(yīng)該為，其中III-V族化合物子電池可以是禁帶寬度大于2eV的Al1-XGaXN材料(其中，X在0-1之間)。本發(fā)明還提供了一種該太陽能電池的制作方法。由于寬禁帶的III-V族化合物材料置于頂層，位于入射光的初始位置，吸收波長短的藍光和綠光，但并不吸收波長更長的紅光與紅外光；這樣位于底部具有較窄禁帶的硅材料則能更好地吸收紅光與紅外光。
文檔編號H01L31/0352GK103187458SQ20111045426
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者朱虹, 徐根保 申請人:朱虹, 徐根保