[发明专利]硅太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳电池，特别是可使用低纯度晶体硅制造的硅太阳电池。

背景技术

太阳电池是直接将光能转换为电能的一类光伏器件。目前这类器件主要是用半导体材料制成。利用半导体材料的PN结或者其它能在半导体材料中产生自建电场的结构，分离入射光激发的载流子，通过外电路在回路中产生电流。为了保证入射光激发的载流子在被自建电场分离以前不至于因复合作用而湮灭，通常要求半导体材料有极高的纯度。目前，公知的硅太阳电池使用最为广泛的半导体硅材料，要求其纯度高于99.9999％。在制造高效单晶硅太阳电池时，甚至采用了非平衡少数载流子寿命长达1ms的高纯材料，其材料的纯度等级要求，甚至高于普通IC产业对硅材料的要求。

在现有技术中，与本发明最接近的硅太阳电池结构，是所谓S1S的结构，即半导体-介质钝化层-半导体结构的硅太阳电池。上述结构的硅太阳电池可以采用如下已知的制造方法，包括：腐蚀清洗硅衬底材料；在硅衬底材料表面制备“织构”结构，该“织构”结构是一些微米数量级的凸起或腐蚀坑；在“织构”表面生长一层几个纳米厚度的SiO₂；印刷烧结和工艺制备P⁺型背反射场和背表面电极；用喷涂法在SiO₂表面制备氧化物透明导电膜SnO₂层；印刷制备正表面电极。现有技术明显的不足表现为：

a.难于以酸洗手段去除杂质原子；

b.半导体“结”面积较小，纵深较薄，使入射光激发的载流子距“结”区的平均距离较远，在载流子向“结”区运动的过程中容易因载流子的复合而降低量子效率；

c.单一不变的半导体禁带宽度，降低了光能转换为电能的效率。

由于以上原因，要保证太阳电池具有一定的光电转换效率，现有技术的做法是必须采用高纯硅材料，结果导致太阳电池的成本居高不下。并且高纯硅材料在制备过程中消耗大量的电力能源和化工原料，还有可能造成环境污染问题。

发明内容

为了解决现有硅太阳电池制造技术对硅材料纯度要求过高，导致成本居高不下，以及在高纯硅制备过程中消耗大量电力能源和化工原料，并存在造成环境污染的风险等问题，本发明的目的是提供一种硅太阳电池，采用这种硅太阳电池的结构可以使用较低纯度的硅材料制造，得到具有较高商业价值的太阳电池。

为了达到上述发明目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种硅太阳电池，该太阳电池的结构包括：电池背电极、半导体硅衬底层和费米能级不同于半导体硅衬底层的半导体薄膜层。所述半导体硅衬底层的材料受光面的表面制备有具有准一维纳米晶体结构的薄层，以这层纳米晶体结构为“模板”，使半导体薄膜层填充其孔隙，两种材料相互交织，形成具有分离光生载流子作用的异质结层。异质结层的厚度在100纳米到3微米之间。上述半导体硅衬底层表面的准一维纳米晶体结构是指附着在半导体硅衬底层表面的在二维方向上为纳米尺度，在近似垂直于光照面的方向为微米尺度的表面微结构。上述的准一维纳米晶体结构是通过化学腐蚀或电化学腐蚀方法在硅晶体表面制备的纳米结构多孔硅，多孔硅的“准孔径”和“准孔壁”的尺寸在2纳米到200纳米之间。

本发明硅太阳电池由于采用上述结构，可以大幅度降低对半导体硅衬底层纯度的要求，达到如下有益效果：

首先，因为硅衬底受光面的准一维纳米晶体结构具有比粗晶粒材料大的多的比表面积，即有更多的原子处于晶体的“表面”状态，从而表现出较强的化学活性。因此，在工艺过程中只需采用常规的“酸洗”工艺便可去除准一维纳米晶体结构中的相当比例的杂质原子，特别是对少数载流子寿命影响较大的金属杂质原子，实际上提高了纳米晶体结构层硅材料的纯度。

第二，利用了纳米材料的体积效应。入射光激发的光生载流子在准一维纳米晶体结构中从一种材料向另一种材料的平均渡越时间比在粗晶粒材料中的渡越时间要短几个数量级，甚至只需要纳秒数量级的时间。当这一时间段与材料的少数载流子寿命相比更短时，则光生载流子来不及复合就已被半导体“结”的自建电场分离，通过外电路形成输出电流。也就是说可以使用少数载流子寿命较短即纯度较低的半导体硅衬底材料制作太阳电池，实现现有技术只有采用少数载流子寿命较长即纯度较高的半导体硅衬底层材料时才能达到的电池光电转换效率。