一种新型的异质结太阳电池的制作方法

本实用新型涉及太阳电池的研究领域，具体是异质结薄膜太阳电池。

背景技术：

太阳电池又称光伏电池，是一种把太阳能直接转化电能的半导体器件，其工作原理是：当半导体晶片受光照时，如果光子能量大于半导体的禁带宽度，价带电子就可以吸收光子的能量，通过禁带跃入导带，由于内建电场的作用，在PN结的两端出现一个因光照而产生的电动势，这样就形成了电源，即可向外电路供电。

从1954年美国的贝尔实验室制备出第一个太阳电池以来，太阳电池开始了其迅猛发展的脚步，从太阳电池产生技术的成熟度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段：第一代的晶体硅太阳电池、第二代各种薄膜太阳电池，第三代太阳电池：各种超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。

现阶段以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。薄膜太阳电池典型的结构如图1、图2所示。使用不同的材料与制备技术，太阳电池结构会有所不同，但基本的太阳电池结构可分为：背电极层、P层、N层(窗口层)、透明导电氧化层以及指形上电极五个主要部分，NIP型的太阳电池还包含I层。

背电极层(或称下电极或底电极)的作用是将移动至下表面的电子或空穴取出，以形成外部电流提供给外部负载。

P层和N层接触构成PN结，在热平衡状态下，P层和N层之间形成内电场。对于NIP结构，光生载流子主要形成在本征层，在内电场的作用下，光生电子流向N层，而光生空穴流向P层。开路条件下，光生电子在N层积累，而光生空穴在P层积累。这时光生电荷在P层和N层中产生电场，使N层中积累的光生电子和P层中的光生空穴具有向相反的方向扩散的趋向，以抵消光生载流子的收集电流。当扩散电流与内建场作用下的收集电流之间达到动态平衡时，那么本征层中将没有静电流。

透明导电氧化层的作用是减少入射的可见光在器件的表面反射。

指形上电极的作用是将移至表面的电子或空穴取出，以形成外部电流提供给外部负载。在上表面，光照面的电极多由数条主栅呈指形组成。

由于制备成本高、占地面积大等因素限制了晶体硅太阳电池的发展，相比于晶硅太阳电池，硅基薄膜太阳电池最大的特点就是成本低、制备工艺简单。薄膜太阳电池可以沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底或薄膜上，且薄膜太阳电池的半导体层很薄(几微米或几十微米厚)，可薄膜化的活性层必须用基板来加强其机械性能，在基板上形成的半导体薄膜可以是多晶的，也可以是非晶的，不一定用单晶材料。因此，研究开发出不同材料的薄膜太阳电池是降低成本的有效途径，以大大节省太阳电池材料，降低生产成本。

目前国内大多数硅基太阳电池用同质结制成PN结，效率较低。异质结太阳电池在不同禁带宽度的两种半导体材料相接触的界面上构成一个异质P-N结。异质结具有如下优点：(1)通过禁带宽度不同的材料构成异质结太阳能电池，可展宽对太阳光的吸收谱，有利于宽谱带吸收，从而提高效率；(2)增加内建电场，提高注入效率，与同质结相比，异质结具有更大的内建电场，使注入结两侧的非平衡少子电流增加，从而增加开路电压和短路电流；(3)减小原料硅消耗，降低成本，异质结的发展使薄膜技术应运而生，从而能够将电池生长在低成本的玻璃、陶瓷甚至柔性衬底上。

技术实现要素：

为解决现有技术所存在的技术问题，本实用新型提供一种将透明导电氧化层与N型窗口层合二为一的NIP型异质结太阳电池，通过在单晶硅上用不同带隙的材料制备而成异质结，提高了太阳电池的效率，增加了太阳能的利用率。

本实用新型采用以下技术方案来实现：一种新型的异质结太阳电池，包括背电极层、位于背电极层之上的P层、位于P层之上的窗口层，所述窗口层为掺杂了Al的ZnO薄膜；掺杂了Al的ZnO薄膜与P层形成PN结。

优选地，所述掺杂了Al的ZnO薄膜的厚度范围为：20nm～600nm。

优选地，所述P层为P-Si衬底。所述异质结太阳电池还包括I层；所述I层为设置在P-Si衬底与ZnO薄膜之间的一层半导体材料，所述半导体材料的晶格常数和禁带宽度均介于P-Si衬底、ZnO薄膜的晶格常数和禁带宽度之间。

本实用新型N-ZnO/i层/P-Si异质结太阳电池与用同质结制成PN结的硅基太阳电池相比，具有如下优点：

1、将透明导电氧化层与N型窗口层合二为一形成NIP型异质结，不仅可以使制备工艺简单，还可以减少透明导电层的制作从而降低成本。

2、通过禁带宽度不同的材料构成异质结，可展宽对太阳光的吸收谱，有利于宽谱带吸收，从而提高太阳电池的效率。

3、与同质结相比，异质结具有更大的内建电场，使注入结两侧的非平衡少子电流增加，从而增加开路电压和短路电流。

4、可以减小原料硅消耗，降低成本，异质结的发展使薄膜技术应运而生，从而能够将电池生长在低成本的玻璃、陶瓷甚至柔性衬底上。本实用新型的N-ZnO/i层/P-Si异质结太阳电池具有用材少、能耗低、成本低及工艺简单的特点。

附图说明

图1是现有PN型太阳电池结构图；

图2是现有NIP型太阳电池结构图；

图3是本实用新型太阳能电池结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

太阳电池的窗口层材料不仅要求带隙宽，还要求有较高的电导，以提供高内建电场及良好电荷收集通道，降低串联电阻。透明导电氧化物(TCO)薄膜也属于光学材料，它具有较高的电导率，禁带宽度大，在可见光区域有较高的透射率，近、中红外区有高的反射率，具有紫外截止特性，对微波有较强的衰减性及具有半导体特性等优点。

ZnO是一种II-VI族宽禁带半导体材料，在常压下为六方纤锌矿结构，属六方晶系。在室温下，其禁带宽度为3.3eV。由于ZnO的光学禁带宽度在3.1eV以上，比可见光的能量要大，所以在可见光范围内具有很高的透过率，其透过率在85％以上。

未经掺杂的ZnO薄膜由于本征缺陷表现出较弱的n型特性，掺杂Al之后，其导电性能和n型特性均得到明显的提高。将适量的A1元素掺入ZnO薄膜中后，ZnO薄膜的晶体结构并没有发生改变。掺入的A1元素取代了部分Zn原子的位置，由于A1原子最外层有三个电子，Zn原子最外层有两个电子，A1³⁺取代Zn²⁺后，A1原子中的两个价电子与O原子发生结合，剩余的一个价电子从杂质原子上分离，这个价电子很容易获得能量，从施主能级跃迁到导带成为自由电子，从而在外电场的作用下参与导电。因此适量的掺入A1原子会增加净电子的含量，从而提高了薄膜的电导率。

Al³⁺的掺杂并没有改变ZnO的晶体结构，而是Al³⁺取代了晶体结构中部分Zn²⁺的位置。一方面，Al掺杂能够影响薄膜的表面形貌、载流子数目等，进而影响AZO薄膜的光电性能；另一方面，若Al掺杂浓度过大，薄膜对电子和光的散射能力会增强，从而导致薄膜的光电性能降低。因此，本实用新型所取的Al掺杂比例范围为：0.5％～8％，掺杂后AZO薄膜的厚度范围为：20nm～600nm。

沉积在P-Si衬底上的Al掺杂ZnO后，形成AZO薄膜，AZO薄膜可以与P-Si形成PN结。由于AZO薄膜的禁带宽度较大，可见光部分的低能光子能透过AZO薄膜层并被P-Si一侧的空间电荷区收集，且AZO薄膜接触层具有类金属的特性，可以提高异质结的光响应。因此沉积在P-Si衬底上的AZO薄膜既可以作为光窗口层，也可以作为半导体层。

由于表面态的存在且AZO薄膜与Si衬底之间晶格失配、热膨胀系数差异造成的界面缺陷等因素改变了空间电荷区的结构特性，使得AZO/P-Si异质结表现出非理想的电学特性。

如果在P-Si与ZnO之间增加一层晶格常数和禁带宽度都介于两者之间的半导体材料(I层)，即半导体材料的晶格常数介于P-Si的晶格常数与ZnO的晶格常数之间，禁带宽度也介于P-Si的禁带宽度与ZnO的禁带宽度之间。一方面利用这种带宽渐变的多能带结构可以提高太阳光的利用率；此外，还能实现在各个区域产生的光谱响应的方向相同，提高太阳能电池的转换效率。另一方面可以缓解两者的晶格失配，提高ZnO薄膜的晶体质量，提高载流子的迁移率，并且抑制异质结的衰减。

所增加的半导体材料I层可以是缓冲层或吸收层。若I层作为吸收层，其中一个特征就是具有较高的光吸收系数，主要的光在I层被吸收，该层中的光生载流子能够被有效收集。可以作为吸收层的制备材料有碲化镉、砷化镓、硫化镉等。另外，为了减少界面态的影响，可以通过各种钝化的工艺，在两种材料的界面之间加入一层缓冲层，即I层作为缓冲层，来减少异质结界面上的悬挂键，从而降低界面态密度。

在AZO/P-Si异质结中插入I层不仅可以降低界面态密度，降低太阳电池界面的复合电流，从而大幅提高太阳电池的开路电压，还可以增强光生载流子的运输与收集，降低其复合速率，从而提高异质结太阳能电池的性能。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。