专利名称：一种光电热电转换复合的高效太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子学及新能源技术领域，涉及一种光电热电转换复合的高效太阳
能电池。
背景技术：
太阳能作为各种可再生能源中最重要的基本能源，广义地说，它包含生物能、风 能、海洋能、水能等各种可再生能源。如今人类对能源的消耗和需求日益增长，太阳能作为 最基本的可再生能源，可直接转化和利用。科技界与工业界利用半导体器件的光伏效应原 理进行光电转换，被称为太阳能光伏发电技术，也就是通过转换装置把太阳辐射能转换成 电能；还可通过光热转换装置把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电，被称为太阳 能热发电技术。 二十世纪五十年代，在太阳能开发领域获得了两项重大研究成果其一，1954年， 美国贝尔实验室的Ch即in等人利用光伏效应，首先研制出转换效率达6X的单晶硅光电 池；其二， 1955年，以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论，并成功研制出选择性太 阳光谱吸收涂层。这两项科技成果为太阳能的有效利用，进入现代快速发展时期奠定了基 础。 自1975年发展至今的30多年里，世界各国的科学家不断探索，对太阳能电池的研 究结果日新月异，光电转换效率不断提高。归纳起来，大约有四个方面(l)薄膜电池技术 a-Si/a-Ge (Stabilized)电池的转换效率达12 % ， CdTe电池的转换效率达16% ， Cu (In， Ga) Se2材料制备的电池转换效率达到了近20X ;(2)晶体硅电池多晶硅电池的转换效率达到 约18%，而单晶硅电池的最高转换效率高达24. 7%，这是由澳大利亚新南威尔士大学研究 人员获得的目前全球的最好结果；(3)多结太阳能电池技术目前单片双结电池的效率已 达30% ，单片三结电池的实验室最高效率已达约37%; (4)另夕卜，1986年以后出现了一些新 兴的光伏技术有机电池的转换效率已达8%，其中染料电池的转换效率达到了 12%。
以上的研究成果令人振奋，但大多因成本较高而难以取代石油、煤炭等常规能源。 而人类对能源需求的不断增加，以及因生态环境的恶化导致的环保压力，都要求科技界与 工业界尽早研发出高效低成本地利用可再生能源的新技术、新材料、新器件。本发明就是在 此背景下产生的。
发明内容
本发明旨在提出一种光电、热电转换复合的高效太阳能电池。 本发明提出的光电、热电转换复合的太阳能电池，包括光电转换的光伏电池和热 电转换太阳能电池上下两部分，并且上下两部分通过共用正极耦合在一起，制成高效利用 太阳全谱能量的电池。其中， (1)电池的上部功能区(上单元)是基于光电转换光伏技术，主要实现对太阳光谱 高频区能量的光电转换功能。例如，若采用晶体硅太阳能电池，可实现对400 1100nm波段太阳能光谱的有效光电转换。 (2)高效电池的下部功能区(下单元)是基于热电转换机制，主要实现对太阳光谱 低频区能量的热电转换功能。太阳光谱低频区能量可辐射到电池的下部功能区，并在分置 在结区两侧的电极间产生温差，而实现热电转换。 本发明具有以下优点①由于采用了光电转换与热电转换耦合技术，有效利用了 太阳全谱段能量，与现有太阳能光伏技术相比，大大提高了太阳能转换效率；②提高了电池 制备的灵活性，对两种转换机制可自由选择功能单元进行耦合，已获得更优化的组合，达到 进一步提高电池效率的目的。
图1是本发明光电、热电转换复合太阳能电池的结构原理图。 图2是本发明光电、热电转换复合太阳能电池的实例示意图。 图中标号1为上单元的p区，2为上单元的n区，3为上单元pn结区，4为电池的
顶电极与高通窗口 ， 5为上下单元的共用耦合电极，6为下单元p区，7为下单元n区，8为下
单元pn结区，9为电池底电极与保护层，A为上部分功能区，B为下部分功能区。
具体实施例方式
如图l所示，是本发明的光电、热电转换复合太阳能电池的结构原理示意图。此太 阳能电池分上、下两部分，即A、 B，分别实现对太阳能高频区能量的光电转换及对太阳能低 频区能量的热电转换功能，以最大限度地利用全谱太阳能，获得最高的太阳能转换效率。
本发明的具体实例如图2所示1 5构成高效太阳能电池的光电转换上单元，其 中1为上单元的p区，2为上单元的n区，3为pn结区，4为电池的顶电极与高通窗口 ， 5为 上、下两单元共用耦合电极；5 9构成高效太阳能电池的热电转换下单元，其中6为下单 元的P区，7为下单元的n区，8为pn结区，9为电池的底电极与保护层。共用电极5为电池 的正极，顶电极4与底电极9皆为负极。 在此发明中，高效太阳能电池的光电转换部分置于上单元，是因为此部分承担对
太阳光谱高频区的能量转换，此光谱区较易产生反射损失，影响电池对光谱的有效吸收。而
将热电转换部分置于下单元，此单元主要是对太阳光谱的低频区产生的热能进行热电转
换。如此配置可有效利用太阳全谱能量，最大限度地获得太阳能转换效率。 在具体实施中，可灵活选配光电转换上单元与热电转换下单元，以优化电池组
合，获取最高转换效率。例如光电转换上单元可按如下方案配置(l)选用晶体硅电池
单元(包括单晶硅电池和多晶硅电池)，通过对入射窗口的减反膜处理[如可采用膜
系Si/Ti02 (60nm) /Si3N4 (83nm) /Si02 (116 . 52nm)]，并优化顶电极结构，可实现对太阳光谱
400nm 1100nm区的高效光电转换；若再融合其它技术，如光频下转换实现对300 400nm
区的有效利用，最终可使上单元的转换效率达到20%以上。(2)还可选择薄膜电池技术，如
Cu (In， Ga) Se2， CdTe，或a-Si/a-Ge等材料制备上单元，同样做各种优化处理，也可获得高达
20%的转换效率。(3)甚至可选有机电池做上单元，虽然目前有机电池，包括染料电池的转
换效率最高只有12%左右，但仍然可用本发明的技术制备耦合电池的上单元。 作为热电转换的下单元，也有 下几类材料选配方案(l)Te化合物热电材料，如BiTe、PbTe等，温差电优值(ZT)较高(约为1)、最成熟、应用广。但强度低、易被毒化。(2) 填隙方钴矿(Skutterudite)热电材料，有较好的热电性能，ZT = 1. 0 1. 3，但制备技术 难、成本较高，热导率较大。(3)硅化物热电材料，抗氧化性高，适应于中高温区，且材料来源 丰富、价格低廉，制备容易，但ZT = 0. 2 0. 4较低。(4)氧化物热电材料，3d过渡金属氧 化物，以钴基氧化物为代表的热电材料，大多无毒、无污染、制备简单、不需真空，适于中高 温工作，稳定性好。细分为Na,Co(VCa-Co-0系、及其它钴基氧化物。以上四类材料皆可用 不同组分的n型和p型热电体可制备出半导体热电池，作为热电转换下单元。
上下两单元的转换效率之和为新型复合电池的总效率，显然，远大于单一转换模 式的太阳能转换效率。在不改变现有技术的基础上，最终获得满足工业界期望的太阳能转 换效率不低于40%要求。随着新技术新材料的研发，必定可获得更高的转换效率。
权利要求
一种光电热电转换复合的太阳能电池，其特征在于该电池由光电转换的光伏电池和热电转换的太阳能电池上下两部分组合构成，并且上下两部分通过共用正极耦合在一起；其中，上部分实现对太阳能光谱高频区能量的光电转换，下部分实现对太阳能光谱低频区能量的热电转换。
2. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于上部分的光电转换的光伏电池从 上至下依次为顶电极、光伏n区、pn结区、p区，下部分的热电转换的太阳能电池从下至上依 次为底电极、光伏n区、pn结区、p区，上下两部分之间为共用的正电极。
3. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述的上部分光伏电池采用晶体硅 电池、薄膜电池或有机电池；下部分的热电转换电池采用Te化合物热电材料、填隙方钴矿 热电材料、硅化物热电材料或氧化物热电材料制备出p型和n型热电材料，进而制备出热电 池。
全文摘要
本发明属于光电子学及新能源应用技术领域，具体涉及一种光电热电转换复合的太阳能电池。该电池将高效光电转换光伏电池技术和热电转换太阳能电池技术有效结合，具体是把基于两种转换模式制备的太阳能电池，分上下两单元有效耦合在一起，制成高效利用太阳全谱能量的电池。与单一模式的太阳电池相比，大幅提高了太阳能转换效率，具有很高经济实用价值。
文档编号H01L25/00GK101783338SQ20101002250
公开日2010年7月21日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者李晶 申请人:复旦大学