专利名称：太阳能电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池，尤其涉及具有闻的光电转化效率的串置型(tandem)太阳能电池及其制作方法。
背景技术：
太阳能电池通常以为固态晶体结构为特征，所述固态晶体结构在它们的价电子带和它们的传导电子带之间具有能带隙。当光为材料所吸收时，占据低能态的电子受激发而穿过能带隙至较高能态。例如，当半导体价带中的电子从太阳辐射的光子吸收足够的能量时，它们可跃过能带隙至更高能量的导带。激发至较高能态的电子留下未占据的低能量位置或者空穴。和导带中的自由电子一样，这种空穴可在晶格中在原子间移动并由此作为电荷载流子，并有助于晶体的导电性。半导体中吸收的大多数光子产生这种电子空穴对，这种电子空穴对产生光电流并进而产生由太阳能电池显示出的光电压。半导体掺杂有不同的材料以产生使用作电荷载流子的空穴和电子分离的空间电荷层(space charge layer)。一旦分离，这些收集的空穴和电子电荷载流子产生空间电荷，该空间电荷引起作为光电压的横跨结区的电压。如果这些空穴和电荷载流子允许流过外部负载，那么它们构成光电流。在半导体中跨越能带隙存在固定量的势能差。对于待激发跃过能带隙至高能导带的出于低能价带中的电子，其必须通常从吸收的光子中吸收足够量的能量，该能量值至少等于跨越能带隙的势能差。半导体对光子能量小于能带隙的辐射是透明的。如果电子例如从较高能量的光子吸收超过能量的阈值量，那么其可跃过能带隙。吸收的能量超过电子跃过能带隙所需要的的阈值量，则产生了能量高于导带中大部分其它电子的电子。多余能量最后以热的形式散失。最终结果是单个能带隙半导体的有效光电压受限于能带隙。因此，在单个半导体太阳能电池中，为了从太阳辐射光谱俘获尽可能多的光子，半导体必须具有小的能带隙，使得即使具有较低能量的光子也可激发电子跃过能带隙。因为小的能带隙材料的使用导致装置的光电压和功率输出降低，所以存在限制。另外，来自较高能量辐射的光子产生作为热而散失的多余能量。然而，如果半导体设计为具有较大的能带隙以提高光电压并减小由热载流子的热化所导致的能量损失，则具有较低能量的光子不能被吸收。因此，在设计单结太阳能电池时，有必要平衡这些考虑因素和优化能带隙，并尽量设计具有最优能带隙的半导体。近年来已经进行了许多工作，通过制造串叠型或者多结(级联)太阳能电池结构来解决该问题，在这些太阳能电池中，顶部电池具有较大的能带隙并吸收较高能量的光子，而较低能量光子通过顶部电她进入具有较小能带隙的下部或者底部电池以吸收较低的能量辐射。这些能带隙从高至低、从上到下来排序，以实现光学级联效应(cascading effect)。原则上,可以以如此方式堆叠任意数量的子电池；然而，实际极限通常认为是两个或三个。由于每个子电池在能够有效转换能量的小的光子波长带上将太阳能转化为电能，所以多结太阳能电池能够实现较高的转换效率。制造这种串叠型电池的技术记载于美国专利5，019，177，通过引用将其全部内容并入本文。
现有的串叠型或者多结太阳能电池大部分是由不同的硅基子电池堆叠形成，比如常见的由非晶硅子电池与微晶硅子电池堆叠形成的串叠型太阳能电池，这类电池制作成本较低，但对光的转换效率仍较低。市场上也有高效率的串叠型太阳能电池出现，例如美国专利5，019，177公布的由磷化铟(InP)子电池与磷砷化铟镓(GaInAsP)子电池形成的串叠型太阳能电池，但其材料和制造成本过高，很难在民用的市场大规模推广。因此，期望提供光电转换效率高且制作成本较低的太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电转换效率高且制作成本较低的太阳能电池。本发明的目的还在于提供一种上述太阳能电池的制作方法。为实现上述目的，本发明提供一种太阳能电池，其包括叠层设置的硅基子电池与II1-V族化合物子电池，所述II1-V族化合物子电池比所述硅基子电池更靠近光入射方向。可选的，所述硅基子电池、所述II1-V族化合物子电池为P-n型或p-1-n型接合结构。可选的，所述硅基子电池包括由非晶硅、微晶硅或多晶硅材料制成的光电转换层。可选的，所述非晶硅包括氢化非晶硅(a-S1:H)、氢化非晶硅碳(a-SiC:H)、氢化非晶硅锗(a-SiGe:H)或氢化非晶硅碳锗(a-SiGeC = H)。 可选的，所述II1-V族化合物子电池包括由AlgGaxN材料制成的光电转换层，其中，0 ≤X ≤1可选的，所述硅基子电池与所述II1-V族化合物子电池之间设置有导电连接层。可选的，所述导电连接层包括层叠设置的N型重掺杂层与P型重掺杂层。可选的，所述N型重掺杂层、P型重掺杂层的材料均为掺杂硅。可选的，所述导电连接层包括同层设置、并相邻的N型重掺杂区与P型重掺杂区。可选的，所述N型重掺杂区与所述P型重掺杂区的材料均为掺杂硅，所述N型重掺杂区、P型重掺杂区位于所述硅基子电池的表面。为实现上述目的，本发明还提供一种太阳能电池的制作方法，其包括:提供基底；形成硅基子电池；在所述硅基子电池上形成II1-V族化合物子电池；在所述II1-V族化合物子电池上形成TCO玻璃。可选的，所述硅基子电池为p-n型或p-1-n型接合结构。可选的，所述II1-V族化合物子电池包括由AlgGaxN材料制成的光电转换层，其中，0 ≤X ≤ 1可选的，形成II1-V族化合物子电池前，在所述硅基子电池上依次形成P型重掺杂的娃层与N型重掺杂的娃层。可选的，形成II1-V族化合物子电池前，对所述硅基子电池的表层进行掺杂，形成相邻的N型重掺杂区与P型重掺杂区。与现有技术相比，本发明具有以下优点:本发明的太阳能电池由位于顶部的II1-V族化合物子电池与位于底部的硅基子电池组成，其中宽禁带的II1-V族化合物材料置于顶层，位于入射光的初始位置，吸收波长短的蓝光和绿光，但并不吸收波长更长的红光与红外光。这样位于底部具有较窄禁带的硅材料则能更好地吸收红光与红外光。采用宽禁带材料作为顶部吸收层的好处在于可以充分利用蓝光和绿光光子的能量，同时也使底部电池能够吸收更多的红光与红外光。如果禁带宽度太窄，比如硅 1.12eV,3eV的蓝光光子虽然可以被吸收，但是其中2eV的能量则会变成热能损耗，不能有效地转化成电能。和以往的做法不同，本发明采用硅的N型重掺杂层(或区)与P型重掺杂层(或区)组成的界面取代由II1-V族化合物与硅材料构成的隧道结界面，从而降低电子传输中的损耗。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1是本发明太阳能电池的结构示意图。图2是Al1JaxN子电池与Si子电池堆叠形成的双结太阳能电池的能带结构示意图。图3是本发明第一实施方式太阳能电池的结构示意图。图4是本发明第二实施方式太阳能电池的结构示意图。
具体实施例方式如背景技术所述，现有的单结、双结或多结太阳能电池，要么光电转换效率不高，要么制造成本太高、难以在市场上大规模应用。针对此点，本发明采用了一种以II1-V族和硅基结合的双结太阳能电池结构，如图1所示，以同时保证高的光电转换效率与低的制造成本。请参照图1所示，具有宽禁带的II1-V族化合物子电池置于双结的顶层，位于入射光的初始位置，吸收波长短的蓝光和绿光，但并不吸收波长更长的红光与红外光。这样位于底部具有较窄禁带的硅材料则能更好地吸收红光与红外光。采用宽禁带材料作为顶部吸收层的好处在于可以充分利用蓝光和绿光光子的能量，同时也使底部电池能够吸收更多的红光与红外光。如果禁带宽度太窄，比如硅 1.12eV,3eV的蓝光光子虽然可以被吸收，但是其中2eV的能量则会变成热能损耗，不能有效地转化成电能。这里的II1-V族化合物子电池与硅基子电池的光电转换层均可以为p-n型或p-1-n型接合结构。这里所说的p-n型接合结构，既包括p型材料层覆盖在n型材料层的结构，也包括n型材料层覆盖在p型材料层的结构。这里所说的p-1-n型接合结构，既包括p型材料层_i型材料层-n型材料层这样的叠层结构，也包括n型材料层_i型材料层_p型
材料层的叠层结构。这里所说的II1-V族化合物子电池的光电转换层的材质可以是砷化铝(AlAs)、砷化镓铝(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、砷化镓铟(InGaAs)等。较佳的，这里的II1-V族化合物子电池可以是禁带宽度大于2eV的AlgGaxN材料(其中，X在0_1之间)。
这里所说的硅基子电池的光电转换层的材质可以是非晶硅、微晶硅、单晶硅或多晶硅中任意一种。较佳的，这里的硅基子电池的材质为非晶硅，所述非晶硅包括氢化非晶硅(a-S1:H)、氢化非晶硅碳(a-SiC:H)、氢化非晶硅锗(a-SiGe:H)、氢化非晶硅碳锗(a -SiGeCiH)等。实际上，电池的输出功率可表达为:Pmax = VocX IscXFF其中，Voc为电池的开路电压，Isc为电池的短路电流，FF为填充因子即为Pmax时的占空比。由上述公式可知，在保持输出电流不变的情况下，增加Voc可以有效地增加电池的最大功率，从而提高光电转换效率。本发明的采用宽窄禁带的双结结构可以有效地增大开路电压，因而可以达到提高光电转换效率的作用。如本文所说明的，通过利用不同材料的串叠型子电池使得太阳能电池效率能够显著增加，所述不同材料在它们的价电子带和它们的导带之间具有不同能带隙。用于形成太阳能电池的化合物和合金的晶格常数是已知的。当在具有不同材料的子电池的装置中组合这些材料时，不同材料的晶格应该具有相同的晶格常数或小的晶格常数差异。这避免在晶体结构中形成可使得装置效率急剧降低的缺陷。在任何串叠型电池装置中，必须使得子电池之间电连结。优选地，这些电池间的欧姆接触应该具有最小的电阻，以使得电池之间的电功率损失极低。存在两种已知的方法用于制造这种电池间欧姆接触、金属互连和隧道结(或隧道二极管)。金属互连可提供低的电阻，但是它们难以制造，它们导致复杂的加工并可导致装置效率的大大损失。因此，因为可制造具有多个子电池(在它们之间具有隧道结)的单片集成器件，所以通常优选隧道结。但是，隧道结必须满足多个要求，例如低电阻、高峰值电流密度、低光能损失和通过顶部和底部电池之间的晶格匹配的结晶相容性。目前，串叠型太阳能电池使用隧道结以确保高效电流流过串联连接的2-4个太阳能电池。当在每个子电池中产生的电流匹配时，电池最高效地工作。为了电流流过电池以使得子电池电压串联叠增，在子次电池之间允许电子空穴复合的结是有用的。与以往的做法不同，本发明不直接利用II1-V族化合物子电池与硅基子电池之间形成的隧道结界面作为两者的导电连接结构，而是采用硅的N型重掺杂(N+)与P型重掺杂(P+)界面来形成隧道结，从而降低电子传输中的损耗。以AlgGaxN子电池与Si子电池堆叠形成的双结太阳能电池为例，其能带结构如图2所示。II1-V族化合物子电池中，P型掺杂的Al1JaxN层(以下简称P-AlGaN)、I型AlgGaxN层(以下简称1-AlGaN)与N型掺杂的AlgGaxN层(以下简称N-AlGaN)构成结Jl ;硅基子电池中，P型掺杂的Si层(即，P-Si)、1型Si层(即，1-Si)与N型掺杂的Si层(BP,N-Si)构成结J2。光子在结Jl与结J2中被吸收后形成电子空穴对，在内建场的作用下，空穴会向P型区漂移，而电子会向N型区漂移。结Jl中的电子和结J2中的空穴会在由N+-Si与P+-Si构成的隧道结的界面复合。可以通过调节结Jl和结J2区的参数使结Jl和结J2区域中的产生电流相匹配，则复合效率为100%，也就是不会有电子和空穴在界面的积累从而形成势垒。积累的电荷会影响内建场的分布，使电池的效率降低。对于不同的材料，由于禁带宽度和电子亲和能的不同，导带与价带的能带差可能会形成天然的势垒，从而影响电子及空隙的传输效率。而选择合适的材料来减少这种天然的势垒会大大增加了工艺的难度和成本，而且不一定能达到预期的效果和形成高效的太阳能电池。而硅基的隧道结是一种成熟的工艺，对于形成隧道结所需要的重掺杂，硅的工艺成熟且性能稳定。而II1-V族的材料如果进行重掺杂可能会带来材料晶格的缺陷。由于AlgGaxN需要通过外延来生长，在材料生长的初始阶段进行重掺杂的工艺会带来许多缺陷，从而大大降低电池的效率。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。第一实施方式本发明第一实施方式提供的太阳能电池如图3所示，其自上而下依次包括位于顶层的TCO(transparent conducting oxide,透明导电氧化物镀膜)玻璃50、P-AlGaN层46、1-AlGaN层44、N-AlGaN层42、N+-Si层(N型重掺杂硅层)35、P+-Si层(P型重掺杂硅层)33、P-Si 层 26、1-Si 层 24、N-Si 层 22 及导电层 10。其中，P-AlGaN 层 46、1-AlGaN 层44、N-AlGaN层42组成了 II1-V族化合物子电池的光电转换层40，P-Si层26、1-Si层24、N-Si层22组成了硅基子电池的光电转换层20，N+-Si层35与P+-Si层33组成了电性连接两子电池的隧道结。在本实施例中，N+-Si层35和P+-Si层33中，硅的掺杂浓度都大于IO19/cm3。上述太阳能电池的制作过程如下:提供硅基底(未图示)；形成导电层10;形成N-Si 层 22、1-Si 层 24、P-Si 层 26 ；形成作为隧道结的P+-Si层33、N+-Si层35 ；形成N-AlGaN 层 42、1-AlGaN 层 44、P-AlGaN 层 46 ；形成TCO玻璃。其中，P+-Si层33、N+-Si层35可以通过离子注入、扩散或外延方式形成。说明一点，本实施例中采用的是自太阳能电池底层向顶层生长的方式形成太阳能电池，在其它实施例中也可以自相反的方向形成。第二实施方式与第一实施方式相比，本实施方式的主要不同点仅在于隧道结的结构，其它结构基本相同，因而采用了相同的标号。下面重点介绍第二实施方式的隧道结。第二实施方式采用的隧道结形成在同一平面。如图4所示，N+-Si区32、P+-Si区34、N+-Si层36组成了连通两子电池的隧道结，其整体位于P-Si层26的表面，其掺杂可以通过离子注入、扩散或外延方式形成。这样做的好处有两点:一是工艺简单，成本低，而且成品率高；二是避免了大面积的重掺杂而造成后续AlGaN外延的缺陷。如前所述，晶格的缺陷会导致电池的效率降低。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种太阳能电池，其特征在于，包括叠层设置的硅基子电池与II1-V族化合物子电池，所述II1-V族化合物子电池比所述硅基子电池更靠近光入射方向。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅基子电池、所述II1-V族化合物子电池为p-n型或p-1-n型接合结构。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅基子电池包括由非晶硅、微晶硅、单晶硅或多晶硅材料制成的光电转换层。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述非晶硅包括氢化非晶硅、氢化非晶硅碳、氢化非晶硅锗或氢化非晶硅碳锗。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述II1-V族化合物子电池包括由AlgGaxNM料制成的光电转换层，其中，O ^ 10
6.如权利要求1至5任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅基子电池与所述II1-V族化合物子电池之间设置有导电连接层。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述导电连接层包括层叠设置的N型重掺杂层与P型重掺杂层。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述N型重掺杂层、P型重掺杂层的材料均为掺杂硅。
9.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述导电连接层包括同层设置、并相邻的N型重掺杂区与P型重掺杂区。
10.如权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，所述N型重掺杂区与所述P型重掺杂区的材料均为掺杂硅，所述N型重掺杂区、P型重掺杂区位于所述硅基子电池的表面。
11.一种太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括: 提供基底； 形成娃基子电池； 在所述硅基子电池上形成II1-V族化合物子电池； 在所述II1-V族化合物子电池上形成TCO玻璃。
12.如权利要求11所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述硅基子电池为p-n型或p-1-n型接合结构。
13.如权利要求12所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述II1-V族化合物子电池包括由AlgGaxNM料制成的光电转换层，其中，0 ≤ X ≤ 1。
14.如权利要求11至13任一项所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，形成II1-V族化合物子电池前，在所述硅基子电池上依次形成P型重掺杂的硅层与N型重掺杂的娃层。
15.如权利要求11至13任一项所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，形成II1-V族化合物子电池前，对所述硅基子电池的表层进行掺杂，形成相邻的N型重掺杂区与P型重掺杂区。
全文摘要
本发明提供了一种太阳能电池，该太阳能电池包括叠层设置的硅基子电池与III-V族化合物子电池，其中，III-V族化合物子电池比硅基子电池更靠近光入射方向。较佳的电池应该为，其中III-V族化合物子电池可以是禁带宽度大于2eV的Al1-XGaXN材料(其中，X在0-1之间)。本发明还提供了一种该太阳能电池的制作方法。由于宽禁带的III-V族化合物材料置于顶层，位于入射光的初始位置，吸收波长短的蓝光和绿光，但并不吸收波长更长的红光与红外光；这样位于底部具有较窄禁带的硅材料则能更好地吸收红光与红外光。
文档编号H01L31/0352GK103187458SQ20111045426
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者朱虹, 徐根保 申请人:朱虹, 徐根保