[发明专利]超薄晶硅电池结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种超薄晶硅电池结构。

背景技术

光伏发电是利用太阳能的主要方式之一，但光伏发电成本偏高仍是这一领域面临的主要问题。目前，晶硅电池处于太阳电池市场的垄断地位，且在未来相当长一段时间内，其仍将占据重要地位，所以大幅降低晶硅电池的发电成本，无疑是光伏发电领域中的一项重要研究课题。

超薄晶硅高效电池技术是解决晶硅电池发电成本问题的主要途径。据CTM（Crystalline Silicon PV Technology and Manufacturing Group）预测：到2020年，批产化的晶硅片厚度要从目前的180mm降到100mm以下，而电池效率要达到甚至超过20%，才能满足那时的成本要求，所以超薄晶硅高效电池将成为未来晶硅电池的发展方向，并具有重大的应用前景。

与薄膜电池仅几微米的厚度不同，超薄晶硅电池的晶片厚度要小于100mm，常为10~100mm。理论分析表明：只要晶片厚度大于50mm，晶硅电池都几乎具有相同的最大理论效率29.8%，而当晶片厚度降到10mm时，电池的最大理论效率也能达到近27%的水平。由于最大理论效率并未考虑发生在晶片内部的各种光学损失和电学损失，所以实际效率会比这种最大理论效率要小一些，但这也说明最大限度地降低晶片内部的损耗，是能否实现超薄晶硅高效电池的关键。

当晶片变薄，对芯片内部光电转换过程的影响，表现为：①单次通过晶片可完全吸收的最大波长，向短波方向移动；②截止波长附近光场的完全吸收越困难；③晶片表面和体内的各种复合过程影响明显。现有的超薄晶硅电池主要采用以下光学和电学技术措施进行增效：①利用陷光结构增效，表现为：上表面采用增透膜和表面织构结构减小表面的反射损失；下表面采用反射镜和织构结构，减小光在底面的泄漏；上下表面结构结合在一起，还起到延长电池体内光程的作用。②采用背电极结构，减小了电极对入射光场遮蔽产生的光损耗。③采用选择性发射极结构，增强电极对光生电子和空穴的收集效率。④采用表面钝化措施，降低光生电子和空穴在表面的复合速率等。这些措施均源于厚晶硅电池的增效技术，且具有如下特点：针对太阳电池光电转换过程的各环节进行增效，即仅针对光生载流子产生、输运和收集过程中的单一过程进行增效，所以无法实现晶硅电池光电转换过程整体增效的最优效果。

发明内容

 本发明要克服现有电池增效技术对光生载流子产生、输运和收集各过程进行单一优化的缺陷，提供一种可使晶硅电池内部光电池转换过程中光学和电学增效效果最优的超薄晶硅电池结构。

本发明涉及的超薄晶硅电池结构，其特殊之处是：包括平凸透镜、上表面介质反射镜、正面设有阶梯状刻蚀槽的P型晶硅片和下表面介质反射镜，所述上、下表面介质反射镜分别设在P型晶硅片正面和背面，并构成准三维微腔陷光结构，在上表面介质反射镜上对应刻蚀槽中心位置设有采光孔，所述平凸透镜设在与刻蚀槽对应的上表面介质反射镜表面且在平凸透镜和上表面介质反射镜之间设有起光程调整和聚焦作用的光学缓冲层，沿P型晶硅片的刻蚀槽内壁设有N型掺杂区域形成PN结，并在刻蚀槽内填充介质，在晶硅片背面设有P-+型掺杂区域，在晶硅片正面刻蚀槽周围的N-型掺杂区域设有N+掺杂区域，在N+型掺杂区域上位于准三维微腔周围经上表面介质反射镜引出选择性发射极，在P-+型掺杂区域上经由下表面介质反射镜引出背场电极。

本发明涉及的超薄晶硅电池结构可对超薄晶硅电池内光生载流子产生、输运和收集过程的增效措施实现整体优化，避免了单一优化某一过程产生的不足。其与现有技术相比有益效果如下：

1）光场的控制和管理：

①入射光场的管理和控制：借助平凸透镜阵列的表面形貌特征和各透镜的光学聚焦性质，引入了入射光场的表面陷光机制和传输方向的控制作用。②体内光场高效陷光：借助介质材料制作的上下表面介质反射镜构成准三维微腔陷光结构，将经平凸透镜聚光后的光场经采光孔引入到准三维陷光微腔内，实现有效光场的完全吸收。结合PN结结构的设计，使光场多次穿越PN结，实现最佳的光吸收效果。

2）光生载流子输运和收集结构设计：