专利名称：具有叠层结构的晶体太阳能电池和制造该晶体太阳能电池的方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池，更具体地，涉及具有叠层结构的晶体太阳能电池，这种太 阳能电池具有高的光吸收效率。
背景技术：
通常，众所周知的是，具有叠层结构的太阳能电池可以吸收很宽波长范围的光并 具有高的光吸收效率。为此，在太阳能电池的叠层结构中，具有宽带隙的光吸收层设置在光 入射于其上的前表面上，而具有窄带隙的光吸收层设置在光随后入射与其上的后表面上。图1图示了具有常规叠层结构的太阳能电池。图1中所示的具有常规叠层结构的太阳能电池100包括第一光吸收层IlOa和第 二光吸收层110b，其中，第一光吸收层IlOa具有宽带隙A并设置于入射光的方向101上的 前表面，第二光吸收层IlOb具有窄带隙B并设置于入射光的方向101上的后表面。为了电 连接具有不同带隙的光吸收层IlOa和110b，通常，在光吸收层IlOa与光吸收层IlOb之间 设置有透明且导电的透明导电氧化物(TCO)层120。入射到太阳能电池100上的光先由第一光吸收层IlOa吸收，而第一光吸收层IlOa 无法吸收的光由具有窄带隙B的第二光吸收层IlOa吸收。图2图示了图1中所示的太阳能电池100的能带的一个示例。由入射光分别在第一光吸收层IlOa和第二光吸收层IlOb中产生的电子e和空穴 h被电位(potential)分离，在TCO层120发生分别在第一光吸收层IlOa和第二光吸收层 IlOb中产生的电子e和空穴h的复合201。另外，由于彼此分离至两端的电子e和空穴h， 两端的准费米能级彼此不同，从而产生了电压。因此，与具有单一光吸收层的太阳能电池相比，在图1所示的具有叠层结构的太 阳能电池100中发生光吸收的区域更宽，因而太阳能电池100具有高光吸收效率的优点。为了制造图1所示的具有叠层结构的太阳能电池，需要具有不同带隙和不同晶格 参数的层叠的光吸收层。然而，在具有不同晶格参数的材料进行晶体生长以层叠光吸收层的情况下，由于 用于分别形成两个光吸收层的两种材料在光吸收层之间界面处晶格参数之间的差异，产生 了晶格缺陷，而且，所产生的晶格缺陷可能成为电子-空穴之间的复合中心。这样导致复合 率提高以及发电效率降低。因此，为了构建具有高效率的太阳能电池，需要用于消除在具有 不同晶格参数的光吸收层之间所产生的晶格缺陷的晶格缓冲层。为此，在形成晶格缓冲层的常规方法中，例如，当要构建包括由具有约1. IeV的带 隙A的硅(Si)制成的光吸收层和由具有约0. 7eV的带隙B的锗(Ge)制成的光吸收层的具 有叠层结构的太阳能电池时，在Si层与Ge层之间形成晶格参数根据Ge的比率而改变的 SihGex(这里，0 < χ < 1)层。具体地，通过在从0到1的范围内改变数值χ来控制晶格， 其中数值χ是用作Si层与Ge层之间晶格缓冲层的SihGex层中Ge的比率，。然而，上述方法的过程复杂且具有无法消除晶格应变(strain)的缺点。在可替换方法中，如图1所示，将使用非晶半导体的光吸收层IlOa和IlOb层叠， 并将TCO层120用作中间晶格缓冲层。然而，由于TCO层120是由氧化物和掺入的杂质形成的，在TCO层120用于具有叠 层结构的晶体太阳能电池的情况下，掺入的杂质可能会在高温下进行的晶体生长过程中污 染晶体光吸收层。因此，存在TCO层120无法用于晶体太阳能电池的问题。所以，尽管使用 TCO层120的这一方法可用于非晶太阳能电池，但是该方法并不能用于晶体太阳能电池。
发明内容
技术问题本发明提供一种具有叠层结构的晶体太阳能电池，这种太阳能电池包括非导电晶 格缓冲层，所述非导电晶格缓冲层可以消除在带隙和晶格参数彼此不同的光吸收层之间界 面处可能产生的晶格缺陷，并可以将光吸收层彼此电连接，从而提高了光吸收效率。本发明还提供一种制造具有叠层结构的晶体太阳能电池的方法，这种方法能够形 成非导电晶格缓冲层以提高光吸收效率并防止半导体中的劣化，这种方法还能够通过将非 导电晶格缓冲层用作种子层以在非导电晶格缓冲层的上部上进行光吸收层的晶体生长，以 通过种子层来阻止因晶体生长过程中的高温而引起的杂质流入光吸收层和防止光吸收层 中的劣化。技术方案根据本发明的一方面，提供了一种具有叠层结构的晶体太阳能电池，所述晶体太 阳能电池包括非导电晶格缓冲层，所述非导电晶格缓冲层由非导电材料制成并形成于晶体 光吸收层之间，其中，非导电晶格缓冲层通过隧道效应将光吸收层彼此电连接。根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有叠层结构的晶体太阳能电池的方 法，该方法包括以下步骤形成晶体第一光吸收层；使用非导电材料在第一光吸收层上形 成非导电晶格缓冲层；以及，在非导电晶格缓冲层上形成晶体第二光吸收层。
图1图示了具有常规叠层结构的太阳能电池。图2图示了图1中所示的太阳能电池的能带。图3图示了根据本发明的实施方式的具有叠层结构的晶体太阳能电池。图4图示了图3中所示的太阳能电池的能带。图5图示了根据本发明的实施方式的制造具有叠层结构的晶体太阳能电池的方法。本发明的最佳实施方式以下，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。图3图示了根据本发明的实施方式的具有叠层结构的晶体太阳能电池。图3中所示的具有叠层结构的晶体太阳能电池300包括第一光吸收层310a、第二 光吸收层310b和非导电晶格缓冲层320。晶体第一光吸收层310a形成于入射光的方向301上的前表面，而晶体第二光吸收层310b形成于入射光的方向301上的后表面。非导电晶格缓冲层320由非导电材料制成 并形成于第一光吸收层310a与第二光吸收层310b之间。第一光吸收层310a先吸收入射光并可具有相对较宽带隙A的宽能带，第二光吸收 层310b吸收穿过第一光吸收层310a的光并可具有相对第一光吸收层310a较窄的带隙B 的窄能带。例如，第一光吸收层310a可由具有约1. IeV的带隙A的硅(Si)制成，而第二光吸 收层310b可由具有约从0.7eV至l.leV的带隙B的硅-锗(Si-Ge)制成。当第二光吸收 层310b包括Ge的部分变大时，带隙减小，而当第二光吸收层310b包括Ge的部分变小时， 带隙增大。Ge的比率根据制造目的确定。非导电晶格缓冲层320将第一光吸收层310a和第二光吸收层310b彼此电连接。 当非导电晶格缓冲层320形成为具有大约从Inm至20nm的小厚度时，由于隧道效应，第一 光吸收层310a和第二光吸收层310b可以彼此电连接。由非导电材料制成的非导电晶格缓冲层320可以是氧化物或氮化物层。氧化物层 的示例包括二氧化铈(CeO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO)、钛酸锶(SrTiO)、 硅酸锆(&Si04)、氧化钽(Ta2O3)、钛酸钡(BaTiO3)、二氧化锆(&02)、二氧化铪(HfO2)和二 氧化硅(SiO2),氮化物层的示例包括氮化硅(SiN)、氮化镓(GaN)、氮化钛(TiN)和氮化铝 (AlN)。非导电晶格缓冲层320具有晶体结构。图4图示了图3中所示的太阳能电池300的能带，其中，Si层用作第一光吸收层 310a, Si-Ge层用作第二光吸收层310b，SiN层用作非导电晶格缓冲层320。参照图4，在第一光吸收层310a处产生的电子-空穴对被电位彼此分离，在这种 情况下，电子e移动到非导电晶格缓冲层320，而空穴h移动到第一光吸收层310a的表面。 另外，在第二光吸收层310b处产生的电子-空穴对中的空穴h移动到非导电晶格缓冲层 320，而电子移动到第二光吸收层310b的表面。当非导电晶格缓冲层320具有大约从Inm 至20nm的厚度时，在光吸收层310a和310b处产生的电子e和空穴h中的、移动到非导电 晶格缓冲层320的电子e和空穴h通过穿过非导电晶格缓冲层320的隧道效应而复合(由 410指出)。因此，可以实现与使用常规TCO层(由图1中120指出)的情况一样的效果。图5图示了根据本发明的实施方式的制造具有叠层结构的晶体太阳能电池的方 法。图5中所示的制造具有叠层结构的晶体太阳能电池的方法500包括形成第一光吸 收层的步骤S510、形成非导电晶格缓冲层的步骤S520、和形成第二光吸收层的步骤S530。 以下，为方便描述，使用用于描述图3中元件的标号。在形成第一光吸收层的步骤S510中，形成晶体第一光吸收层310a。在形成非导电晶格缓冲层的步骤S520中，在第一光吸收层310a上通过使用非 导电材料形成非导电晶格缓冲层320，所述非导电材料例如为氧化物层如(；02、Υ203、Α1203、 TiO、SrTiO, ZrSiO4, Ta2O3, BaTiO3, ZrO2, HfO2, SiO2 和类似物或氮化物层如 SiN, GaN, TiN, AlN和类似物。这里，在形成非导电晶格缓冲层的步骤S520中，非导电晶格缓冲层320形成 为具有大约从Inm至20nm的厚度从而比第一光吸收层310a和第二光吸收层310b薄，使得 第一吸收层310a和第二光吸收层310b通过隧道效应彼此电连接。在形成第二光吸收层的步骤S530中，在非导电晶格缓冲层320上形成晶体第二光吸收层310b。在形成第一光吸收层的步骤S510中形成的第一光吸收层310a和在形成第二光吸 收层的步骤S530中形成的第二光吸收层310b形成为使得设置于入射光的方向301上的前 表面的第一光吸收层310a可具有比设置于入射光的方向301上的后表面的第二光吸收层 310b宽的能带。第一光吸收层310a和第二光吸收层310b具有晶体结构，而形成于第一光吸收层 310a与第二光吸收层310b之间的非导电晶格缓冲层320必须缓冲第一光吸收层310a与第 二光吸收层310b之间的晶格差异。因此，在形成非导电晶格缓冲层的步骤S520中用于形 成非导电晶格缓冲层320的材料的原子间距可具有介于第一光吸收层310a和第二光吸收 层310b的原子间距之间的中间值。另外，在形成非导电晶格缓冲层的步骤S520中，可以进 行非导电材料的晶体生长以形成非导电晶格缓冲层320。例如，当Si和Ge分别用于第一光吸收层310a和第二光吸收层310b时，在形成非 导电晶格缓冲层的步骤S520中，SrTiO可用于非导电晶格缓冲层320。由于SrTiO的原子 间距具有介于Si和Ge之间的中间值，因此可以在用作第一光吸收层310a的晶体生长的 Si上进行SrTiO的外延生长，并且可以在非导电晶格缓冲层320上进行用作第二光吸收层 310b的Ge层的晶体生长。在该过程中，用作非导电晶格缓冲层320的SrTiO层起到用于在 晶化Ge的过程中诱导Ge的晶体生长的种子层的作用。另外，由于氧化物层在高温下热稳 定，因此当在高温下进行Si的晶体生长时氧化物层防止光吸收层和杂质扩散，从而可以防 止半导体中的劣化。上述叠层结构可用于使用相同结构的多层结构。具体地，可以在第二光吸收层 IlOb上形成另一非导电晶格缓冲层，并且在该另一非导电晶格缓冲层上可以形成另一第三 光吸收层，以形成多层结构。尽管已经参照本发明的示例性实施方式具体地示出和描述了本发明，但是本领域 技术人员会理解，在不脱离由所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下可以进 行形式和细节上的各种改变。工业实用性如上所述，具有叠层结构的晶体太阳能电池使用具有宽带的非导电晶格缓冲层以 解决因能带和晶格参数彼此不同的光吸收层的晶格参数之间的差异所产生的缺陷，从而存 在以下优点可以减少可能出现在光吸收层之间界面处的晶格缺陷，可以减少电子-空穴 之间复合的数量，以及可以提高光吸收效率。另外，具有叠层结构的晶体太阳能电池不使用具有杂质的透明导电氧化物(TCO) 层，从而可以避免可能因进行半导体晶体生长时在TCO层处出现的杂质扩散而产生的半导 体中的劣化。
权利要求
一种具有叠层结构的晶体太阳能电池，包括由非导电材料制成并形成于晶体光吸收层之间的非导电晶格缓冲层，其中，所述非导电晶格缓冲层通过隧道效应将所述光吸收层彼此电连接。
2.如权利要求1所述的晶体太阳能电池，其中，所述非导电晶格缓冲层形成为具有Inm 至20nm的厚度。
3.如权利要求1所述的晶体太阳能电池，其中，所述非导电晶格缓冲层由氧化物层或 氮化物层形成。
4.如权利要求1所述的晶体太阳能电池，其中，所述非导电晶格缓冲层由选自二氧化 硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、二氧化铈(CeO2)、氧化 乙(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO)、钛 酸锶(SrTiO)、硅酸锆(&Si04)、氧化钽(Ta2O3)、钛酸钡(BaTiO3)、二氧化锆(ZrO2)、氮化镓 (GaN)、氮化钛(TiN)、氮化铝(AlN)和二氧化铪(HfO2)中的之一形成。
5.如权利要求1所述的晶体太阳能电池，其中，所述非导电晶格缓冲层具有晶体结构。
6.一种制造具有叠层结构的晶体太阳能电池的方法，包括以下步骤形成晶体第一光吸收层；在所述第一光吸收层上使用非导电材料形成非导电晶格缓冲层；以及在所述非导电晶格缓冲层上形成晶体第二光吸收层。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述非导电晶格缓冲层形成得比所述第一光吸收 层和第二光吸收层薄，以使所述第一光吸收层和第二光吸收层通过隧道效应彼此电连接。
8.如权利要求6所述的方法，其中，在形成所述非导电晶格缓冲层的步骤中，所述非导 电晶格缓冲层形成为具有Inm至20nm的厚度。
9.如权利要求6所述的方法，其中，在形成所述非导电晶格缓冲层的步骤中，所述非导 电晶格缓冲层由氧化物层或氮化物层形成。
10.如权利要求6所述的方法，其中，在形成所述非导电晶格缓冲层的步骤中，进行所 述非导电材料的晶体生长以形成所述非导电晶格缓冲层。
11.如权利要求6所述的方法，其中，在形成所述非导电晶格缓冲层的步骤中，从(；02、 Y2O3> A1203、TiO、SrTiO, ZrSiO4, Ta2O3> BaTiO3> ZrO2, GaN、TiN、AlN 和 HfO2 中选择其中之一 用于在所述第一光吸收层上形成所述非导电晶格缓冲层。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所选择的其中之一用作种子层以用于所述第二 光吸收层的晶体生长。
全文摘要
提供了一种能够提高光吸收效率和防止半导体中的劣化的具有叠层结构的晶体太阳能电池以及一种制造这种晶体太阳能电池的方法。具有叠层结构的晶体太阳能电池包括非导电晶格缓冲层，非导电晶格缓冲层由非导电材料制成并形成于晶体太阳能电池层之间，其中，非导电晶格缓冲层通过隧道效应将太阳能电池层彼此电连接。制造晶体太阳能电池的方法包括以下步骤形成晶体第一太阳能电池层、在第一太阳能电池层上使用非导电材料形成非导电晶格缓冲层、以及在非导电晶格缓冲层上形成晶体第二太阳能电池层。
文档编号H01L31/042GK101986795SQ200880011154
公开日2011年3月16日 申请日期2008年4月4日 优先权日2007年4月5日
发明者李炳洙 申请人:(株)赛丽康