[发明专利]一种薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，特别涉及一种薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池。

背景技术

硅太阳能电池的研究和利用是实现可再生能源的主要途径之一，晶硅电池占光伏市场总份额的90％以上，其中绝大多数电池所基于的pn结都是通过高温扩散制备的，消耗能量大，工艺复杂。

日本Sanyo公司开发了一种HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)异质结电池。如美国专利5213628中所述，利用掺杂非晶硅薄膜在晶硅上制作pn结，并在其间插入一层本征非晶硅层来钝化异质结界面。由于非晶硅淀积工艺可以在200℃以下完成，相比于传统电池，这种异质结电池兼有单晶硅电池稳定与薄膜硅电池廉价的优点：采用无高温扩散的低温制备过程，能耗小；材料成本低；制备工艺相对简单；特别是非晶硅所具有的对晶硅表面优越的钝化能力大大改善了电池效率。

Sanyo的研究成果引起国际范围的广泛关注，具有以薄膜硅，包括：非晶薄膜硅(a-Si:H)、纳米晶薄膜硅(nc-Si:H)、微晶薄膜硅(μc-Si:H)等为发射极，单晶硅为吸收层结构的薄膜硅/晶体硅太阳电池，特别是n型薄膜硅/p型晶体硅异质结电池成为了太阳能领域的研究热点，因为这种p型晶体硅衬底在太阳能领域中应用的更加广泛。所研究的电池采用的基本结构都是迎光面为TCO(透明导电氧化物)电极/n型薄膜硅/p型晶体硅的前pn结结构，在n型薄膜硅和p型晶体硅之间含有或者不含本征薄膜硅层，而且基本都是围绕薄膜硅的微观结构展开。比如，美国专利5066340公开了一种在非晶硅和晶体硅异质结之间插入微晶硅层的电池结构。中国专利申请200510098526.9公开了一种具有TCO/n型纳米晶硅/本征纳米晶硅/p型晶体硅结构的太阳电池及其制备方法。

但是实验制作的基于p型硅衬底的薄膜硅/晶体硅异质结电池的效率远远低于Sanyo在n型硅衬底上所获得的水平。造成这种情况的原因除了p型硅衬底本身的性能之外，更重要的是与电池的具体结构有关。目前这种电池采用的基本结构是TCO/n型薄膜硅/p型晶体硅/铝。我们发现，这些常见的透明导电氧化物并不是优选的阴极材料，因为它们的功函数通常很高。TCO制作在n型薄膜硅上所形成的肖特基结的结电场方向与在n型薄膜硅和p型晶体硅之间形成的pn结的结电场方向刚好相反。如果n型薄膜硅很薄，所述肖特基结会与所述pn结部分交叠，造成电池开路电压下降，如果TCO穿透n型薄膜硅而与下面的结构直接接触，接触点还会形成电池内部的短路通道。一般的，透明导电膜和n型薄膜硅之间的肖特基结的结宽在十几纳米以上，因此，要想克服上述不良效果，n型掺杂薄膜硅的厚度至少要大于这个结宽。但是，掺杂薄膜硅内部缺陷多，光学性能差，厚度太大会在太阳电池表面形成光的死层。上述两种效应的综合结果使得难以在p型晶体硅衬底上得到高效率的异质结电池。

功函数高的透明导电膜是优选的阳极材料，功函数低的金属类材料才是优选的阴极材料，但这些材料通常是不透光的，制作在太阳电池的迎光面上就具有一定的难度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中前透明导电电极功函数过高对基于p型硅衬底的薄膜硅/晶体硅异质结电池所带来的不利影响，提供一种基于p型硅衬底的薄膜硅/晶体硅背结太阳能电池。

本发明电池的基本结构包括：p型硅衬底，在p型硅衬底背光面上的n型掺杂薄膜硅层，在n型掺杂薄膜硅层上的背电极，在p型硅衬底迎光面上的前透明导电电极。所述的p型硅衬底是CZ单晶硅衬底，FZ单晶硅衬底，以及多晶硅衬底。p型硅衬底厚度的优选范围为30-500μm，电阻率在0.1-100Ω·cm的范围。所述p型硅衬底的表面可以是平面的，也可以是经过了比如湿法腐蚀或其它工艺处理而具有绒面结构的；所述的n型掺杂薄膜硅层是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料，n型掺杂薄膜硅层厚度的优选范围在1-50nm之间；所述的背电极是任意可导电的材料，优选的是功函数低于4.5eV的材料。所述的前透明导电电极是功函数高于5.0eV的材料。

在本发明的电池中，由于pn结处于太阳能电池的背光面，因此可以将n型掺杂薄膜硅层在经济上可接受的范围内做得比较厚。而迎光面上的具有高功函数的前透明导电电极与p型硅衬底之间形成的肖特基结电场刚好可以起到少子背场的作用。