一种晶体硅量子点叠层太阳能电池的制作方法

本实用新型涉及一种晶体硅量子点叠层太阳能电池。

背景技术：

量子点太阳电池，被称为第三代太阳能光伏电池，也是目前光伏电池研发领域最新、最前沿的太阳电池之一。量子点太阳电池一般是将量子点镶嵌在太阳能电池片的半导体薄膜中，利用量子点的光电特性能够大幅提高光伏电池的光电转换效率。

现有技术公开了一种多结量子点太阳电池，包括依次层叠的金属层、Si衬底、第一子电池、隧道结、第二子电池、隧道结、第三子电池、窗口、减反射层、电极。该多结叠层电池结构相对比较复杂，制备工序较多而不易操作，且其公开的量子点结构相对比较单一，发挥量子点材料发电的优势和作用相对有限，不能有效吸收各个波段不同能量的光子。

因此，亟需开发一种新的量子点叠层太阳电池，以提高量子点太阳电池的光电转换性能。

技术实现要素：

为解决现有技术提供的多结量子点太阳电池光电转效率性能较低的缺陷的技术问题，本实用新型提供了一种可充分吸收紫外区和可见光区不同能量的光子，增强电池光生电流，有效提高电池的开路电压和光电转换性能好的晶体硅量子点叠层太阳能电池。

基于上述目的，本实用新型提供的一种晶体硅量子点叠层太阳能电池，其中，包括依次层叠的铝背电场、晶体硅衬底、发射结、硅化物层、透明膜层和金属电极，其中，所述硅化物层包括隧道结和子电池，所述子电池中含有硅量子点，所述隧道结和子电池交替堆叠形成多层结构，从发射结至透明膜层所述多层结构中隧道结的层厚度渐变，从发射结至透明膜层所述多层结构中子电池的层厚度渐变。

优选的，每层子电池中硅量子点的粒径随着子电池厚度的变化而变化。

优选的，每个子电池中的硅量子点的粒径大小大致相同。

优选的，每层子电池包括依次层叠的p层、i层和n层，所述p层、i层和n层中分别含有硅量子点。

优选的，子电池中多个所述硅量子点有序排列，所述p层、i层和n层中相邻所述硅量子点的间距为1-8 nm。优选的，相邻p层、i层和n层中，p层中的硅量子点在i层上的投影是在相邻的硅量子点之间的空隙上；i层中的硅量子点在n层上的投影是在相邻的硅量子点之间的空隙上。

优选的，从发射结至透明膜层所述多层结构中隧道结的层厚度逐渐减薄，多层结构中子电池的层厚度逐渐减薄。

优选的，隧道结的层厚度最厚为6-8nm，最薄为1-3 nm；所述子电池的层厚度最厚为8-10 nm，最薄为1-3nm。

优选的，从发射结至透明膜层所述子电池中硅量子点的粒径逐渐减小；所述硅量子点的粒径最大为6-8 nm，最小为1-3 nm。

优选的，交替堆叠的隧道结和子电池中第一层所述隧道结与发射结接触。

优选的，发射结的层厚度为50-500 nm；所述硅化物层的层厚度为20-200 nm；所述透明膜层的层厚度为20-100nm。

本实用新型的发明人在研究过程中发现，在晶体硅量子点太阳电池中将隧道结和含硅量子点的子电池交替堆叠形成多层结构，且由发射结至透明膜层，隧道结和子电池的层厚度渐变，即将硅化物层内部设计成渐变厚度的多层结构，可充分吸收紫外区和可见光区不同能量的光子，从而增强电池光生电流；在优选情况下，含硅量子点的硅化物层中硅量子点的颗粒密度由发射结至透明膜层依次增大可以有效提高电池的开路电压。

本实用新型提供的晶体硅量子点叠层太阳电池能有效提高光生电流和开路电压且制备工艺简单易行，适合大规模工业化生产。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例1中晶体硅量子点叠层太阳能电池结构示意图。

图2为本实用新型实施例1中硅化物层的结构示意图。

图1-图2中：

1、铝背电场，2、晶体硅衬底，3、发射结，4、硅化物层，5、透明膜层，6、金属电极，7、硅量子点，41、隧道结，42、子电池，421、p层，422、i层，423、n层。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步描述。

本实用新型提供了一种晶体硅量子点叠层太阳能电池，包括依次层叠的铝背电场1、晶体硅衬底2、发射结3、硅化物层4、透明膜层5和金属电极6，硅化物层4一般含有硅量子点，采用硅量子点的光电特性能够大幅提高光伏电池的光电转换效率。

实施例1

如图1所示，从下至上的顺序依次是铝背电场1、晶体硅衬底2、发射结3、硅化物层4、透明膜层5和金属电极6，如图1至图2所示，硅化物层4包括隧道结41和子电池42，子电池42含有硅量子点7。其中，隧道结41和子电池42交替堆叠形成多层结构，如图2所示本实施例含有4层结构具体可以是，第一层隧道结41/第一层子电池42/第二层隧道结41/第二层子电池42；从下至上的顺序依次是将第一层隧道结41的背光面与发射结3接触，并覆盖发射结3的向光面；将第一层子电池42的背光面与第一层隧道结41接触，并覆盖第一层隧道结41的向光面；将第二层隧道结41的背光面与第一层子电池42接触，并覆盖第一层子电池42的向光面；将第二层子电池42的背光面与第二层隧道结41接触，并覆盖第二层隧道结412的向光面；依次将隧道结41和子电池42交替堆叠1-20次，本实施例中具体交替堆叠2次。具体的，透明膜层5可以与子电池42接触，透明膜层5也可以与隧道结41接触；本实施例中第二层子电池42相较于第二层隧道结41更接近透明膜层5，优选第二层子电池42的受光面与透明膜层5的背光面接触。

将隧道结41和含硅量子点的子电池42交替堆叠形成渐变层厚度的多层结构，这种结构具有量子点带隙可调的功能，起到有效吸收太阳光谱中紫外区的高能量光子的效果。所述层厚度是指每一层本身的厚度，例如，子电池42的层厚度为子电池42中最接近发射结层的边缘至最接近透明薄膜层边缘的距离；例如，硅化物层4的层厚度为硅化物层4中最接近发射结层的边缘至最接近透明薄膜层边缘的距离。

所述隧道结为采用重掺杂的纳米晶硅薄膜。一个半导体器件，在与金属接触（或形成PN结）时，重掺杂的情况下，金属与半导体之间的电阻非常小，也不再出现整流效应，因为电子可以依据隧道效应穿透金半接触时的势垒层，这个叫欧姆接触，形成的结也叫隧道结。所述子电池是相对于硅衬底作为主电池而言的。

本实施例中晶体硅衬底2可以为n型也可以为P型，优选情况下有两种1、当晶体硅衬底2为P型时，发射结3为n型， 隧道结41具有发射结3与p层421形成的p-n结；2、当晶体硅衬底2为n型时，发射结3为P型；隧道结41具有发射结3与n层423形成的p-n结，本实施例优选第1种。

如图2所示，子电池42包括依次层叠的p层421、i层422和n层423，且p层421中含有硅量子点7、i层422中含有硅量子点7和n层423中含有硅量子点7，充分发挥量子点材料发电的优势和作用的同时，共同形成具有p-i-n结的量子点子电池，优选第二层子电池42中的n层423受光面与透明膜层5的背光面接触。

本实施例所述的电池结构是在晶体硅衬底2与发射结3接触形成p-n结；每个子电池42的p层、i层和n层依次层叠形成p-i-n结与隧道结42交替堆叠形成4层结构。本实施例中制备多个具有p-i-n结的量子点子电池，每个子电池42中的p层、i层和n层均为硅化物量子点薄膜构建，随着p层、i层和n层从发射结3至透明膜层5其硅量子点7的直径逐渐减小，以充分吸收各个波段上不同能量的光子，从而提高电池的光生电流带隙宽度逐渐增大。子电池42与发射结3之间采用隧道结42作为缓冲层，多个子电池串联与其他结构共同形成了晶体硅量子点叠层太阳电池结构。

如图2所示，从发射结3至透明膜层5，多层结构中隧道结41的层厚度逐渐减薄，其中，子电池42中硅量子点7的粒径随着子电池42层厚度的变化而变化，同时多层结构中子电池42的层厚度也逐渐减薄。本实施例的4层结构中具体可以是，第一层即最下一层中的第一层隧道结41的层厚度为7nm；第二层中的第一层子电池42的层厚度为9 nm，该层中的p层、i层和n层中的硅量子点7的平均粒径大小大致相同为7 nm，相邻硅量子点7之间的间距为7nm；第三层中的第二层隧道结41的层厚度为2nm；第四层中第二层子电池42的层厚度为3 nm，该层中的p层、i层和n层中的硅量子点7的平均粒径大小大致相同为3nm，相邻硅量子点7之间的间距为3nm。优选，随着子电池42中硅量子点7的粒径逐渐减小，子电池42中的硅量子点7的颗粒密度由发射结3至透明膜层5逐渐增大。

本实施例中硅化物层4中的硅化物材质选自氮化硅（Si₃N₄）、氧化硅（SiO₂）和碳化硅（SiC）中的一种或几种，其中，子电池42中的p层、i层和n层还含有高纯硅（7N）和掺磷硅，即，子电池42为富锂硅层。经过高温退火后在p层、i层和n层中分别形成硅量子点7。

本实施例中，发射结3的层厚度为50-200 nm；硅化物层4的层厚度为20-200 nm；透明膜层5的层厚度为20-100 nm。其中，硅量子点7的平均粒径为1-8nm；子电池42的层厚度为1-10nm；隧道结41的层厚度为1-8 nm。

本实施例中，每个子电池42中的多个硅量子点7平行于第一硅化物层41延伸的方向有序排列。相邻所述p层、i层和n层中，p层中的硅量子点在i层上的投影是在相邻的硅量子点之间的空隙上；i层中的硅量子点在n层上的投影是在相邻的硅量子点之间的空隙上。

根据本实用新型所述的太阳能电池，优选地，所述透明导电薄膜选自掺铝氧化锌（AZO）、掺钛氧化锌（TZO）、掺氟氧化铟（IFO）和掺锡氧化铟（ITO）等透明导电薄膜中的至少一种，进一步优选为掺锡氧化铟（ITO）透明导电薄膜。采用该种优选实施方式，利用ITO透明导电薄膜作为太阳能电池的正面电极，有利于发射结区电子的收集，在有助于吸收紫外光的同时，又能起到减反射的作用，并且ITO透明导电薄膜的制备简单易行。

本实用新型对所述金属电极6的种类没有特别的限定，可以为本领域常用的各种金属电极6，但是为了进一步提高太阳电池的光电转换效率，优选所述金属电极6选自Ag、Al、Ni、Cu、Sn等金属电极中的至少一种；进一步的，所述各种金属电极6为Cu/Sn复合电极。采用该种优选实施方式可以有效地收集电池表面区域的载流子（电子和空穴），相较于常规电池所使用的Ag电极材料又能够大大降低电池生产成本。

在本实用新型中，优选地，所述Cu/Sn复合电极中Cu位于复合电极的下部，Sn位于复合电极的上部，该种方式更有利于焊接的进行。

根据本实用新型所述的太阳能电池，优选地，该太阳能电池的晶体硅衬底的正反面为绒面。采用晶体硅衬底能够有效产生并传输电子和空穴，同时正反面采用绒面结构能够对表面入射光形成多次反射和吸收，进而达到提高电池光电转换性能的目的。

在本实用新型中，优选所述绒面呈凹凸结构。

需要说明的是，在本实用新型中所述绒面呈现出的凹凸结构可以不是完全相同的，由于所述绒面的制备工艺，所述凹凸结构会出现略微的差异。

在本实用新型中，优选所述正反面的各自凹凸结构的最高点与最低点的垂直平均高度为3-8μm。

本实用新型通过将隧道结和子电池交替堆叠形成多层结构，同时由发射结至透明膜层，多层结构中隧道结和子电池的层厚度渐变，即将硅化物层内部设计成渐变层厚度的多层结构，可充分吸收紫外区和可见光区不同能量的光子，从而增强电池光生电流，提高电池光电转效率。在优选情况下，硅量子点7的颗粒密度由发射结3至透明膜层5逐渐增大的同时，含硅量子点的子电池42中磷或硼的掺杂浓度由发射结至透明膜层依次增大可以进一步提高电池的开路电压。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。