[发明专利]一种场效应太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体太阳能电池，特别是涉及一种通过在透明导电膜-透明绝缘层-半导体结构太阳能电池栅极加上电压形成表面电场的场效应太阳能电池。

背景技术

目前，广泛使用的太阳能电池其原理是利用Si基及GaAs基等本征半导体材料，通过离子掺杂、外延等半导体工艺技术制成pn结太阳能电池，太阳光射入半导体内部激发电子-空穴对，通过pn结区的内建电场将电子-空穴对分离至两极，在p型和n型本征半导体材料表面形成同内建电场相反的光电压，再通过欧姆接触电极导出电流。虽然pn结太阳能电池发展已经成熟，但是仍存在以下问题：虽然浅结太阳能电池的pn结靠近表面，但是仍有大部分短波长太阳光因在材料中的穿透深度很短(0.1～0.01μm)，进入结区之前就被吸收，无法实现电子-空穴对的分离，限制了效率；宽禁带直接带隙本征半导体材料ZnO，GaN基材料的p型掺杂工艺仍不理想，无法制备性能优良的pn结太阳能电池；由于结电压和禁带宽度的限制，开路电压较小。

中国专利CN102084491A公开一种异质结太阳能电池及其制备方法。异质结太阳能电池具有硅制成的吸收体层以及掺杂半导体材料制成的至少一个异质结层，吸收体层具有基区掺杂，掺杂半导体材料的带隙不同于吸收体层的硅的带隙。吸收体层在朝异质结层方向的界面处具有掺杂层，所述掺杂层的掺杂浓度高于吸收体层的基区掺杂浓度。作为该掺杂分布的结果，产生了场效应，该场效应防止吸收体层内产生的电荷载流子对朝向吸收体层和异质结层之间的界面扩散，以及防止在那里复合。

发明内容

本发明的目的是提供一种外加栅极电压的透明导电膜-透明绝缘层-半导体结构的场效应太阳能电池。

本发明以其势场靠近表面，省去pn结，无需p型掺杂，可应用于GaN、ZnO等p型掺杂困难的宽禁带本征半导体材料，外加栅极电压可调范围大以提高开路电压能较好解决现有太阳能电池存在的上述问题。

本发明利用栅极电压激发表面电场吸收光能的太阳能电池。

本发明从下至上依次设有底部欧姆电极、衬底、本征半导体材料层、透明绝缘层、透明导电膜，所述本征半导体材料层通过外延生长在衬底上，在本征半导体材料层上生长一层透明绝缘层，在透明绝缘层上生长一层透明导电膜，在本征半导体材料层表面一侧或两侧通过刻蚀和溅射工艺制成侧面欧姆电极，在透明导电膜上制作金属栅极，金属栅极外接电源，在衬底底面制作底部欧姆电极，底部欧姆电极接地。

所述衬底可采用p型衬底或n型衬底。

所述透明导电膜的厚度可为50～150nm；所述透明导电膜可选用ITO、CTO、InO、ZnO、SnO₂、GaN、SiC、类金刚石、石墨烯和常规已知透明导电膜。

所述透明绝缘层的厚度可为10～50nm；所述透明绝缘层材料可选用SiO₂、Si₃N₄、MgO₂、Al₂o₃、SiO、TiO₂、TaO₂、Nb₂O₅、ZnS和常规已知透明绝缘材料。

所述本征半导体材料层可选用Si、Ge、GaAs、InP、ZnO、GaN、InGaN、SiC和常规已知的光伏材料层。

所述金属栅极可选用Al/Ti/Pd/Ag，AgZn合金，Ti/Al/Ni/Au，Ag/Ti等中的一种作为栅极材料。

所述金属栅极对于Si可以选用Al/Ti/Pd/Ag，对于GaAs可以选用AgZn合金，对于GaN可以选用Ti/Al/Ni/Au，对于ZnO可以选用Ag/Ti作为栅极材料。

本发明提出的外加栅极电压的透明导电膜-透明绝缘层-半导体结构太阳能电池的特点是：1)透明导电膜-透明绝缘层-半导体结构太阳电池的电场区域比传统pn结太阳能电池更靠近表面，且宽度大，更有利于太阳光的吸收，特别是通过表面电场分离由穿透深度短的短波段激发电子-空穴对，从而提高了效率。2)透明导电膜-透明绝缘层-半导体结构太阳能电池，可应用于制造GaN，ZnO等宽直接带隙本征半导体材料太阳能电池，以避开其p型掺杂的困难。3)栅极电压在一定范围可调，通过加上较强的栅极电压，有效的消除了金属与半导体功函数差以及绝缘层非故意掺杂电荷对表面电场的影响，提高开路电压。

附图说明