专利名称：一种宽谱光伏效应的双结太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及Si光电子材料技术领域，尤其涉及一种宽谱光伏效应的双结太阳电 池及其制备方法。
背景技术：
硅太阳电池是当今光伏市场上的主体，而晶体硅太阳电池又是转化效率最高的， 它的世界纪录为24. 7%。晶体硅太阳电池在600 900nm波段具有很高的量子效率，而在 IlOOnm以上则因禁带宽度而不能吸收，在300以下则无法充分利用单一光子的能量。因此， 要继续提高晶体硅太阳电池的效率，就必需在长波和短波段下功夫。多能级光吸收是一种宽谱的光吸收方法[1]，能否在Si材料中实现多能级光吸收 一直是光伏界非常感兴趣的。1959年Fan和RamdaS[2]报道经离子辐照的硅能在禁带中的 形成深能级，这种深能级能对波长达4000nm的红外光产生光吸收和光电流，经快中子幅照 的硅在1800nm和3900nm有两个明显的吸收峰，其中1800nm吸收峰可以延伸至1550nm产 生光吸收。2001年Marzur在超快激光与Si表面作用的研究中首次制备出了表面微米级晶锥 结构，这种结构可以广谱减反太阳光，并且它的硫掺杂层可以宽谱吸收太阳光[3]。用这种结 构制备的Si探测器，其室温下红外光电响应达到1300nm。本发明所涉及的杂质深能带无疑 会增加Si对红外光的吸收，这样制备的电池必定会拓宽光电转换谱。另一方面，Ge能带带隙宽度小于Si能带带隙宽度，用两种材料可以大大增强电池 对太阳光的宽谱吸收；其n-Si/p-Ge异质结又属于第二类半导体异质结，即在异质结处无 论价带还是导带都没有尖峰，非常有利于光生电子-空穴对的分离和各自输运。本发明所 涉及的Si/Ge异质结必定会形成宽的光电转换谱，大大提高Si光伏电池的转换效率，使之 被广泛应用。参考文献[1]Martin A.Green, Solar Cells !Operating Principles, Technology, and System Applications, University of New South Wales (1986).[2]Fan H Y, Ramdas A K, “Infrared Absorption and Photoconductivity in Irradiated Silicon”，J. Appl. Phys. 30 :1127_1134(1959) ·[ 3 ] C. Wu , et. al. , "Near-unity b e 1 ow-band-gap absorption by micro-structured silicon，，，Applied Physics Letters, 78 (13) 1850-52, 2001.[4]R. N. Bracewell, R. M. Swanson, "Silicon photovoltaic cells in TPV conversion，，，Interim EPRI ER-633, Electric Power Research Institute, 1978.[5]C-H. Lin, "Si/Ge/Si double heterojunction solar cells，，，Thin Solid Films,518,5255-5258,2010.
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种宽谱光伏效应的双结太阳电池及其制 备方法，以提高光伏电池的光电转换效率。(二)技术方案为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种宽谱光伏效应的双结太阳电池， 该电池是在第一导电类型衬底的迎光面上依序具有一迎光面第二导电类型层和一介质钝 化层，所述介质钝化层表面为广谱减反结构；在第一导电类型衬底的背光面依序具有一背 光面第一导电类型层及一背光面第二导电类型层；在所述迎光面第二导电类型层上形成第 一电极、在所述背光面第二导电类型层上形成第二电极、在所述背光面第一导电类型层上 形成第三电极，构成所述双结太阳电池。上述方案中，其中所述背光面第二导电类型层上具有开口，暴露出所述背光面第 一导电类型层，并在其上形成所述第三电极。上述方案中，其中所述第一导电类型衬底为第一导电类型Si衬底；所述迎光面第 二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si、Al1^xGaxAs, Ga1^xInxP薄膜，其中0彡χ < 1， 其能带带隙宽于或等于第一导电类型衬底的能带带隙。上述方案中，其中所述背光面第一导电类型层为重掺第一导电类型杂质的Si层， 或掺入VI族元素硫S、硒Se或碲Te的Si层，或掺入II族元素锌Zn或镉Cd的Si层；所 述掺入VI族或II族元素，其中的一部分在Si能带带隙中部形成了深能级，而另一部分为 替位式掺杂。上述方案中，其中所述背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、 InAS、InSb、或GaSb薄膜，其能带带隙等于或窄于第一导电类型Si衬底的能带带隙，或为掺 入第二导电类型杂质的非晶硅、纳晶硅或微晶硅薄层。上述方案中，其中所述广谱减反结构为表面晶锥阵列，或者为表面金字塔。上述方案中，其中所述背光面第一导电类型层为掺入VI族或II族元素的Si 层，所述背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、InAs, InSb, GaSb, AlhGa/s、或Gai_xInxP薄膜，其中0彡χ < 1，或为掺入第二导电类型杂质的非晶硅、纳晶硅 或微晶硅薄层。上述方案中，其中所述的背光面第一导电类型层为重掺第一导电类型杂质的Si 层，所述的背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Ge、InAS、InSb、或GaSb窄带 隙半导体薄膜。上述方案中，其中所述宽谱是由于不同能带带隙对太阳光分别进行吸收和光电转 换；所述双结是因为每个电池具有迎光面pn结和背光面pn结，形成pnp或npn双结电池， 分别由三个电极输出，且第二电极与第一电极具有相同的电学特性。上述方案中，相邻电池的同种电极相互连接，并联，形成电池板组件的两端输出； 其中所述同种电极相互连接，是将组件内各个电池的第一电极相互连接、组件内各个 电池的第二电极相互连接、组件内各个电池的第三电极相互连接；所述总体并联，形成电池板组件的两端输出，是指电池组件内汇总后的第二电极
6与电池组件内汇总后的第一电极进行最终并联，形成电池板组件的两端输出。为达到上述目的的另一方面，本发明提供了一种制备宽谱光伏效应的双结太阳电 池的方法，该方法包括在第一导电类型衬底迎光面上依序制备广谱减反结构和迎光面第二导电类型层；在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层和背光面第二导 电类型层；对所述各层材料进行退火热处理； 在所述迎光面第二导电类型层上制备介质钝化层；在所述迎光面第二导电类型层上制备第一电极、在背光面第二导电类型层上制备 第二电极、在背光面第一导电类型层制备第三电极，构成所述双结太阳电池；连接多个电池的相同电极，调整电压后并联，形成电池板组件的两端输出。上述方案中，所述在背光面第一导电类型层上制备第三电极，包括采用湿法或干法刻蚀的方法，在背光面第二导电类型层上形成开口，暴露出所述 背光面第一导电类型层；采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法在所述开口所暴露出的背光面 第一导电类型层上制备所述第三电极。上述方案中，所述在第一导电类型衬底迎光面上依序制备广谱减反结构及迎光面 第二导电类型层，包括在VI族或II族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照方法，在第一导电类型Si衬底 迎光面上制备尖锥阵列形貌，并用化学腐蚀方法，去除尖锥表面掺杂层；或者采用化学腐蚀 方法，在(OOl)Si衬底表面制备金字塔结构；采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在所述第一导电类型Si衬底 迎光面广谱减反结构上，制备掺入第二导电类型杂质的Si层；或采用外延生长方法，在所 述第一导电类型Si衬底迎光面广谱减反结构上，制备掺入第二导电类型杂质的AlhGa/s、 或Ga1-JnxP薄膜，其中0彡χ < 1。上述方案中，所述在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层 及背光面第二导电类型层，包括采用激光掺杂、离子注入或两者混合方法，在第一导电类型Si衬底背光面掺入VI 族或II族元素，形成深能级和替位式掺杂的Si层；在掺入VI族或II族元素的Si层上，采 用真空系统外延生长掺入第二导电类型杂质的Si jlhGa/s、或GahInxP薄膜，其中0 ( χ < 1，或采用真空系统沉积掺入第二导电类型杂质的非晶硅、纳晶硅或微晶硅薄层； 上述方案中，所述在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层 及背光面第二导电类型层，包括采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在所述第一导电类型Si衬底 背光面上，制备重掺第一导电类型杂质的Si层；在该背光面重掺第一导电类型杂质的Si层 上，采用真空系统外延生长掺入第二导电类型杂质的Ge、InAs, InSb、或GaSb薄膜，其能带 带隙窄于第一导电类型Si衬底的能带带隙。上述方案中，所述在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层 及背光面第二导电类型层；包括采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底背光面制备重掺第一导电类型杂质的Si层；采用氧0离子注入的方法，在锗Ge表层形成Ge/Ge02/Ge结构，即GOI，将GOI结构 表面键合到背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上，通过加热方法剥离Ge衬底，通过化学 腐蚀去除GeO2层，则可以在背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上形成无穿越位错的掺 入第二导电类型杂质的Ge层。上述方案中，所述对各层材料进行退火热处理，是在电极制备之前进行，退火温度 在3000C至10000C之间，时间在1秒至60分钟以内。上述方案中，所述在VI族或II族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照，所使用的激 光脉冲宽度小于500皮秒，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度为1至10kJ/m2 ；所述VI族 或II族元素氛围是指SF6气体氛围，或是硫S、硒Se、碲Te、锌Zn或镉Cd的粉末涂层氛围。上述方案中，所述在第一导电类型Si衬底背光面掺入VI族或II族元素，是由激 光掺杂、离子注入、或离子注入加激光辐照方式进行的，具体VI族和II族元素氛围如前所 述，所使用的激光脉冲宽度小于1纳秒，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度为0. 5至5kJ/ m2 ；并经30(TC至80(TC退火1秒至60分钟，激活杂质，使VI族或II族元素的替位式掺杂 最大化，且掺杂区域表面平整、或是不影响光刻的表面微凸，而不是尖锥形貌。上述方案中，所述电极的制备，是在第一导电类型层表面、第二导电类型层表面和 第二导电类型层表面，采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛 Ti、钯Pd、或银Ag金属材料，且进行退火热处理，最终形成欧姆接触电极；如果两个电极同 侧、且金属相同，采用光刻胶或SiO2隔离，同时制备两个电极。上述方案中，所述表面键合，对两种具有原子级平整表面的材料，在真空系统中通 过等离子体激活表面、且在低于400°C的温度下加压，使两个表面的悬挂键之间发生联系， 从而在无介质的条件下使两种材料形成整体连接。上述方案中，进一步将相邻电池的同种电极相互连接，调整电压及并联，形成电池 板组件的两端输出；其中所述同种电极相互连接，是将组件内各个电池的第一电极相互连接、组件内各个 电池的第二电极相互连接、组件内各个电池的第三电极相互连接；所述调整电压及并联，形成电池板组件的两端输出，是通过第一电极之间不同的 串并联方式、或通过第二电极之间不同的串并联方式、或通过逆变器，使电池组件内第二电 极相互连接后的总电压等同于电池组件内第一电极相互连接后的总电压，最终并联，形成 电池板组件的两端输出。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、利用本发明，通过电池迎光面pn结实现紫外和可见光的光电转换，通过背光面 np结进行红外光的光电转换，从而在整体上拓宽电池的光伏效应谱，提高电池效率。2、利用本发明，可以在晶体硅光伏电池的基础上，通过增加Si衬底厚度来增加Si 对红外光线的吸收；同时两个pn结又减少了光生电子_空穴对的扩散距离，避免了光吸收 与光电转换的矛盾，因而可以提高Si电池整体的光伏效应；3、利用本发明，可以将黑硅特有的电流增益加入Si太阳电池中来，以提高其Si太 阳电池的短路电流，从而提高其光电转换效率。
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图1是本发明提供的宽谱光伏效应的双结电池结构原理图；图2是本发明提供的电池板组件中双结电池电极连接示意图，其中A为电极a之 汇总，B为电极b之汇总，C为电极c之汇总，M为逆变器，A’为M输出；图3是第一种技术路线下的双结电池结构图；图4是第二种和第三种技术路线下的双结电池结构图；
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。图1是本发明提供的宽谱光伏效应的双结电池结构原理图，该电池是在第一导电 类型衬底的迎光面上依序具有一迎光面第二导电类型层和一介质钝化层，所述介质钝化层 表面为广谱减反结构；在第一导电类型衬底的背光面依序具有一背光面第一导电类型层及 一背光面第二导电类型层；在所述迎光面第二导电类型层上形成第一电极、在所述背光面 第二导电类型层上形成第二电极、在所述背光面第一导电类型层上形成第三电极，构成所 述双结太阳电池。其中，所述背光面第二导电类型层上具有开口，暴露出所述背光面第一导电类型 层，并在其上形成所述第三电极；且第二电极与第一电极具有相同的电学特性。其中，所述第一导电类型衬底为第一导电类型Si衬底；所述迎光面第二导电类型 层为掺入第二导电类型杂质的Si、Al1^xGaxAs, Gai_xInxP薄膜，其中0彡χ < 1，其能带带隙 宽于或等于第一导电类型衬底的能带带隙；其中，所述背光面第一导电类型层为重掺第一导电类型杂质的Si层，或掺入VI族 元素硫S、硒Se或碲Te的Si层，或掺入II族元素锌Zn或镉Cd的Si层，所述掺入VI族或 II族元素，其中的一部分在Si能带带隙中部形成了深能级，而另一部分为替位式掺杂。其中，所述背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、InAS、InSb、 或GaSb薄膜，其能带带隙等于或窄于第一导电类型Si衬底的能带带隙，或为掺入第二导电 类型杂质的非晶硅、纳晶硅或微晶硅薄层。其中，所述广谱减反结构为表面晶锥阵列，或者为表面金字塔。其中，所述宽谱是由于不同能带带隙对太阳光分别进行吸收和光电转换；所述双 结是因为每个电池具有迎光面Pn结和背光面pn结，形成pnp或npn双结电池，用迎光面pn 结吸收较短波长的光(如紫外、可见光)，用衬底背光面np结吸收红外光，并将两者的光生 载流子输出，分别由三个电极输出。图2是本发明提供的电池板组件中双结电池电极连接示意图，该电池进一步将多 个相邻的该电池同种电极相互连接，调整电压及并联，形成电池板组件的两端输出；其中 所述同种电极相互连接，是将组件内各个电池第一电极a相互连接、组件内各个电池第二 电极b相互连接、组件内各个电池第三电极c相互连接；所述调整电压及并联，形成电池板 组件的两端输出，是通过第一电极a之间不同的串并联方式、通过第二电极b之间不同的串 并联方式、或通过逆变器，使组件内第二电极b相互连接后的总电压Vb = Σ Vb等同于组件
9内第一电极a相互连接后的总电压Va =Σ Va，最终并联，形成电池板组件的两端输出。图3是第一种技术路线下的双结电池的结构图，其中所述第一导电类型衬底为第 一导电类型Si衬底1，所述迎光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si层2，所 述迎光面介质层为SiO2或SiN薄膜5，所述背光面第一导电类型层为掺入VI族或II族元 素的Si层3，所述背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、InAs, InSb, 6必13411_力￡1/8、或6￡11_!￡111丨薄膜4，其中0彡χ < 1，或为掺入第二导电类型杂质的非晶硅、 纳晶硅或微晶硅薄层4 ；所述第一电极6位于介质钝化层开口处的第二导电类型层2上，所 述第二电极7位于背光面第二导电类型层4上，所述第三电极8位于背光面第二导电类型 层4开口处的背光面第一导电类型层3上。由于VI族或II族元素在晶体硅禁带中引入深能级，因此形成了三级或多级光吸 收，使部分电子经两次光吸收后跃迁到导带；又由于该深能级密度的增加，有可能形成深能 级子带，从而将深能级子带上的光生载流子直接输出。由于VI族或II族元素在晶体硅中形成替位式掺杂，具有两个外围电子，且离化能 小，因此容易形成雪崩式放大效应。由于掺入VI族或II族元素的浓度较高，因此由掺杂层与衬底组成的pn结，其内 建电场偏向浓度低的衬底一侧。为了使内建电场覆盖高浓度掺杂层，必须外加一高浓度反 型层，在其界面形成pn结。该技术路线下的双结电池的制作方法包括如下步骤在VI族或II族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照方法，在第一导电类型Si衬底 1迎光面上制备尖锥阵列形貌，并用化学腐蚀方法去除尖锥表面掺杂层，形成广谱减反的表 面微结构；或采用化学腐蚀方法，在第一导电类型Si衬底1迎光面制备金字塔结构。采用离子注入、或热扩散、或外延方法，在第一导电类型Si衬底1迎光面广谱减反 结构上，制备掺入第二导电类型杂质的Si层2，与第一导电类型Si衬底构成迎光面pn结；采用激光掺杂、离子注入或者先离子注入后激光辐照的方法，在第一导电类型Si 衬底背光面掺入VI族或II族元素，形成深能级杂质和替位式掺杂的Si层3 ；在3上采用真 空系统外延生长掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、InAs、InSb、GaSb、Al^GaxAs、或Ga^InxP 薄膜4，其中0 < χ < 1，或采用真空系统沉积掺入第二导电类型杂质的非晶硅、纳晶硅或微 晶硅薄层4，在300°C至1000°C范围内采用退火方法对Si衬底及其所述各层材料进行热处理， 以激活材料中的杂质；在迎光面第二导电类型层2上采用真空系统沉积SiO2或SiN薄层5 ；采用湿法和干法刻蚀的方法，在背光面第二导电类型层4上形成开口，暴露出背 光面第一导电类型层3 ；采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法，在所述开口所暴露出的背光 面第一导电类型层3上制备欧姆接触第三电极8 ；采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法，在迎光面SiO2或SiN薄层开口处的第二导电 类型层2上制备欧姆接触第一电极6 ；在背光面第二导电类型层4上制备欧姆接触第二电 极7 ；图4是第二种技术路线下的双结电池结构图，其中所述第一导电类型衬底为第一 导电类型Si衬底1，所述迎光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si层2，所述迎光面介质层为SiO2或SiN薄膜5，所述的背光面第一导电类型层为重掺第一导电类型杂 质的Si层9，所述的背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Ge、InAs, InSb、或 GaSb窄带隙半导体薄膜10 ；所述第一电极6位于迎光面SiO2或SiN薄层开口处的第二导 电类型层2上，所述第二电极11位于第二导电类型层10上，所述第三电极12位于背光面 第二导电类型层10开口处的第一导电类型层9上。在衬底背光面制备窄带材料，以吸收红外光；并通过背光面pn结将吸收的红外光 转换成光生载流子、且输出。背光面Si/Ge为第二类半导体异质结，无尖峰势垒，特别易于 光生载流子的输运。该技术路线下的双结电池的制作方法包括如下步骤在VI族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照方法，在第一导电类型Si衬底迎光面 上制备尖锥阵列形貌，并用化学腐蚀方法，去除尖锥表面掺杂层，形成广谱减反的表面微结 构；采用化学腐蚀方法，在第一导电类型Si衬底1迎光面制备广谱减反结构；采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底1迎光 面广谱减反结构上制备掺入第二导电类型杂质的Si层2，与第一导电类型Si衬底构成迎光 面pn结；采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底1背光 面制备重掺第一导电类型杂质的Si层9 ；采用真空系统，在背光面重掺第一导电类型杂质的Si层9上，外延生长掺入第二 导电类型杂质的Ge、InAs, InSb、或GaSb窄带隙半导体薄膜10，与第一导电类型Si衬底构 成背光面pn结；采用湿法和干法刻蚀的方法，将背光面第二导电类型层10形成开口，暴露 出重掺第一导电类型杂质的Si层9 ；在300°C至1000°C范围内采用退火方法对Si衬底及其所述各层材料进行热处理， 以激活材料中的杂质；在迎光面第二导电类型Si层2上采用真空系统沉积SiO2或SiN薄层5 ；采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法，在迎光面SiO2或SiN薄膜开口处的第二导电 类型Si层2上制备欧姆接触第一电极6，在背光面第二导电类型薄膜10上制备欧姆接触第 二电极11，在背光面第二导电类型薄膜开口处的重掺第一导电类型杂质的Si层9上制备欧 姆接触第三电极12;图4也是第三种技术路线下的双结电池结构图，其中关于电池结构的论述不在此重复。该技术路线下的双结电池的制作方法包括如下步骤在VI族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照方法，在第一导电类型Si衬底1迎光 面上制备尖锥阵列形貌，并用化学腐蚀方法，去除尖锥表面掺杂层，形成广谱减反的表面微 结构；或采用化学腐蚀方法，在第一导电类型Si衬底1迎光面制备金字塔结构；采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底1迎光 面广谱减反结构上制备掺入第二导电类型杂质的Si层2，与第一导电类型Si衬底构成迎光 面pn结；采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底1背光 面制备重掺第一导电类型杂质的Si层9 ；
采用氧0离子注入的方法，在锗Ge表层形成Ge/Ge02/Ge结构，即GOI，将GOI结构 表面键合到背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上，并通过加热方法剥离Ge衬底，用化学 方法腐蚀GeO2,则可以在背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上形成无穿越位错的第二导 电类型Ge层10，与背光面第一导电类型Si层构成背光面pn结；采用湿法和干法刻蚀的方法，将第二导电类型层10形成开口，暴露出重掺第一导 电类型杂质的Si层9 ；在300°C至1000°C范围内采用退火方法对Si衬底及其所述各层材料进行热处理， 以激活材料中的杂质；在迎光面第二导电类型Si层2上采用真空系统沉积SiO2或SiN薄膜5 ；采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法在迎光面SiO2或SiN薄膜开口处的第二导电 类型Si层2上制备欧姆接触第一电极6，在背光面第二导电类型Ge薄膜10上制备欧姆接 触第二电极11，在背光面第二导电类型薄膜开口处的重掺第一导电类型杂质的Si层9上制 备欧姆接触第三电极12;图3和图4中所述在VI族或II族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照第一导电类 型Si衬底，使用的激光脉冲宽度小于500皮秒，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度约1至 10kJ/m2，在Si衬底的上下表面形成金字塔表面微米结构；所述VI族元素是指硫S、硒Se或 碲Te，所述II族元素是指锌Zn或镉Cd。所述采用化学腐蚀第一导电类型Si衬底，是采用 NaOH和C2H5OH混合碱性溶剂腐蚀第一导电类型Si衬底的迎光面，在第一导电类型Si衬底 的迎光面形成金字塔表面微米结构。图3和图4中所述采用退火热处理，是在300°C至1000°C范围内对电池各层材料 加热1秒至60分钟，激活各层材料中的杂质。图3和图4中所述第一、第二和第三电极，是采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法在 重掺杂质的Si、Ge等其它半导体表面沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、或银Ag金 属材料而制备的。实施案例本实施例是基于图3所示的制备宽谱光伏效应的晶体硅双结太阳电池的方法实 现的，具体工艺过程如下在第一导电类型Si衬底1迎光面上制备广谱减反结构，是在硫S、硒Se、碲Te元素 氛围中采用超短脉冲激光扫描辐照Si表面，其脉冲宽度小于100皮秒，脉冲频率小于5kHz， 能量密度约l-10kj/m2，使Si表面形成微米量级的晶锥形貌，从而达到广谱减反入射光的目 的。采用NaOH和C2H5OH混合碱性溶剂腐蚀Si表面，由于它对Si各个(hkl)晶面具有不同 的腐蚀速率，因而可形成金字塔表面结构；在第一导电类型Si衬底迎光面广谱减反结构上采用热扩散、离子注入、激光掺 杂、外延生长方法制备第二导电类型层2，从而与第一导电类型Si衬底形成pn结；在第一导电类型Si衬底背光面制备掺VI族或II族元素的Si层3，主要采用硫 S、硒Se、碲Te、锌Zn、镉Cd元素的离子注入或热扩散，这些杂质在Si中形成替位式掺杂，且 引入深能级，高浓度的深能级有可能形成子带；在背光面第一导电类型Si层3上，采用真空系统外延生长掺入第二导电类型杂质 的 Si、Ge、InAs, InSb、GaSb、AlhGaxAs、或 Ga1-JnxP 薄膜 4，其中 0 彡 χ < 1，或采用真空系
12统沉积掺入第二导电类型杂质的非晶硅a_Si:H、纳晶硅nc-Si、微晶硅μ c-Si薄层4。在300°C至1000°C范围内，对掺杂Si片加热1秒至60分钟的退火热处理，以激活 Si中杂质；在迎光面第二导电类型Si层2上采用PECVD方法制备SiO2或SiN薄膜5 ；电极6、7和8是欧姆接触电极，主要是以铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、银 Ag为金属材料、采用电阻热蒸发或电子束蒸发的方法来制备，而开口方式则以化学腐蚀或 等离子刻蚀来实现。电池板组件内电池之间的连接是以电池同类电极之间的连接进行的，如将组件内 各个电池第一电极a相互连接、组件内各个电池第二电极b相互连接、组件内各个电池第三 电极c相互连接；通过第一电极a之间不同的串并联方式、通过第二电极b之间不同的串并 联方式、或通过逆变器，使组件内第二电极b相互连接后的总电压Vb =Σ Vb等同于组件内 第一电极a相互连接后的总电压Va =Σ Va，最终并联，形成电池板组件的两端输出。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
1权利要求
一种宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，该电池是在第一导电类型衬底的迎光面上依序具有一迎光面第二导电类型层和一介质钝化层，所述介质钝化层表面为广谱减反结构；在第一导电类型衬底的背光面依序具有一背光面第一导电类型层及一背光面第二导电类型层；在所述迎光面第二导电类型层上形成第一电极、在所述背光面第二导电类型层上形成第二电极、在所述背光面第一导电类型层上形成第三电极，构成所述双结太阳电池。
2.根据权利要求1所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其中所述背光面第二导电类 型层上具有开口，暴露出所述背光面第一导电类型层，并在其上形成所述第三电极。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，其 中所述第一导电类型衬底为第一导电类型Si衬底；所述迎光面第二导电类型层为掺入第 二导电类型杂质的Si、Al1^xGaxAs, Ga1^xInxP薄膜，其中O < χ < 1，其能带带隙宽于或等于 第一导电类型Si衬底的能带带隙。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，其 中所述背光面第一导电类型层为重掺第一导电类型杂质的Si层，或掺入VI族元素硫S、硒 Se或碲Te的Si层，或掺入II族元素锌Zn或镉Cd的Si层；所述掺入VI族或II族元素， 其中的一部分在Si能带带隙中部形成了深能级，而另一部分为替位式掺杂。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于， 其中所述背光面第二导电类型层为掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、InAS、InSb、或GaSb薄 膜，其能带带隙等于或窄于第一导电类型Si衬底的能带带隙，或为掺入第二导电类型杂质 的非晶硅、纳晶硅或微晶硅薄层。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，其 中所述广谱减反结构为表面晶锥阵列，或者为表面金字塔。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，其 中所述背光面第一导电类型层为掺入VI族或II族元素的Si层，所述背光面第二导电类型 层为掺入第二导电类型杂质的Si、Ge、InAs、InSb、GaSb、AlhGaxAs、或Ga1-JnxP薄膜，其中 0^x< 1，或为掺入第二导电类型杂质的非晶硅、纳晶硅或微晶硅薄层。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，其 中所述的背光面第一导电类型层为重掺第一导电类型杂质的Si层，所述的背光面第二导 电类型层为掺入第二导电类型杂质的Ge、InAs, InSb、或GaSb窄带隙半导体薄膜。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，所 述宽谱是由于不同能带带隙对太阳光分别进行吸收和光电转换；所述双结是因为每个电池 具有迎光面Pn结和背光面pn结，形成pnp或npn双结电池，分别由三个电极输出，且第二 电极与第一电极具有相同的电学特性。
10.根据权利要求1或2中任一项所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于， 相邻电池的同种电极相互连接，并联，形成电池板组件的两端输出；其中所述同种电极相互连接，是将组件内各个电池的第一电极相互连接、组件内各个电池 的第二电极相互连接、组件内各个电池的第三电极相互连接；所述总体并联，形成电池板组件的两端输出，是指电池组件内汇总后的第二电极与电 池组件内汇总后的第一电极进行最终并联，形成电池板组件的两端输出。
11.一种制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于，该方法包括在第一导电类型衬底迎光面上依序制备广谱减反结构和迎光面第二导电类型层；在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层和背光面第二导电类 型层；对所述各层材料进行退火热处理；在所述迎光面第二导电类型层上制备介质钝化层；在所述迎光面第二导电类型层上制备第一电极、在背光面第二导电类型层上制备第二 电极、在背光面第一导电类型层上制备第三电极，构成所述双结太阳电池；连接多个电池的相同电极，调整电压后并联，形成电池板组件的两端输出。
12.根据权利要求11所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其中在背光面 第一导电类型层上制备第三电极，包括采用湿法或干法刻蚀的方法，在背光面第二导电类型层上形成开口，暴露出所述背光 面第一导电类型层；采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法在所述开口所暴露出的背光面第一 导电类型层上制备所述第三电极。
13.根据权利要求11所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于， 所述在第一导电类型衬底迎光面上依序制备广谱减反结构及迎光面第二导电类型层，包 括在VI族或II族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照方法，在第一导电类型Si衬底迎 光面上制备尖锥阵列形貌，并用化学腐蚀方法，去除尖锥表面掺杂层；或者采用化学腐蚀方 法，在(OOl)Si衬底表面制备金字塔结构；采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长的方法，在所述第一导电类型Si衬底 迎光面广谱减反结构上，制备掺入第二导电类型杂质的Si薄膜；或采用外延生长的方 法，在所述第一导电类型Si衬底迎光面广谱减反结构上，制备掺入第二导电类型杂质的 Al ^xGaxAs、或 Ga1-JnxP 薄膜，其中 0 彡 χ < 1。
14.根据权利要求11所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于， 所述在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层及背光面第二导电类 型层，包括采用激光掺杂、离子注入或两者混合方法，在第一导电类型Si衬底背光面掺入VI族或 II族元素，形成深能级和替位式掺杂的Si层；在掺入VI族或II族元素的Si层上，采用真 空系统外延生长掺入第二导电类型杂质的Sijl^Ga/s、或Gai_xInxP薄膜，其中0彡χ < 1， 或采用真空系统沉积掺入第二导电类型杂质的非晶硅、纳晶硅或微晶硅薄层；
15.根据权利要求11所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于， 所述在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层及背光面第二导电类 型层，包括采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底背光面制 备重掺第一导电类型杂质的Si层；在背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上，采用真空系 统外延生长掺入第二导电类型杂质的Ge、InAs、InSb、或GaSb薄膜，其能带带隙窄于第一导 电类型Si衬底的能带带隙。
16.根据权利要求11所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于，所述在第一导电类型衬底背光面上依序制备背光面第一导电类型层及背光面第二导电类 型层；包括采用离子注入、热扩散、激光掺杂或外延生长方法，在第一导电类型Si衬底背光面制 备重掺第一导电类型杂质的Si层；采用氧0离子注入的方法，在锗Ge表层形成Ge/Ge02/Ge结构，即GOI，将GOI结构表面 键合到背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上，通过加热方法剥离Ge衬底，通过化学腐蚀 方法去除GeO2层，则可以在背光面重掺第一导电类型杂质的Si层上形成无穿越位错的掺 入第二导电类型杂质的Ge层。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的 方法，其特征在于，所述对各层材料进行退火热处理，是在电极制备之前进行，退火温度在 3000CM 1000°C之间，时间在1秒至60分钟以内。
18.根据权利要求13所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于， 所述在VI族或II族元素氛围中采用超短脉冲激光辐照，所使用的激光脉冲宽度小于500 皮秒，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度为1至10kJ/m2 ；所述VI族或II族元素氛围是指 SF6气体氛围，或是硫S、硒Se、碲Te、锌Zn或镉Cd的粉末涂层氛围。
19.根据权利要求14所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于， 所述在第一导电类型Si衬底背光面掺入VI族或II族元素，是由激光掺杂、离子注入、或离 子注入加激光辐照方式进行的，具体VI族和II族元素氛围等同权力要求18中所述，所使 用的激光脉冲宽度小于1纳秒，脉冲频率小于10kHz，脉冲能量密度为0. 5至5kJ/m2 ；并经 300°C至80(TC退火1秒至60分钟，激活杂质，使VI族或II族元素的替位式掺杂最大化，且 掺杂区域表面平整、或是不影响光刻的表面微凸，而不是尖锥形貌。
20.根据权利要求11至16中任一项所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法， 其特征在于，所述电极的制备，是在第一导电类型层表面、第二导电类型层表面和第二导电 类型层表面，采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、 或银Ag金属材料，且进行退火热处理，最终形成欧姆接触电极；如果两个电极同侧、且金属 相同，采用光刻胶或SiO2隔离，同时制备两个电极。
21.根据权利要求16所述的制备宽谱光伏效应的双结太阳电池的方法，其特征在于， 所述表面键合，对两种具有原子级平整表面的材料，在真空系统中通过等离子体激活表面、 且在低于400°C的温度下加压，使两个表面的悬挂键之间发生联系，从而在无介质的条件下 使两种材料形成整体连接。
22.根据权利要求11所述的宽谱光伏效应的双结太阳电池，其特征在于，进一步将相 邻电池的同种电极相互连接，调整电压及并联，形成电池板组件的两端输出；其中所述同种电极相互连接，是将组件内各个电池的第一电极相互连接、组件内各个电池 的第二电极相互连接、组件内各个电池的第三电极相互连接；所述调整电压及并联，形成电池板组件的两端输出，是通过第一电极之间不同的串并 联方式、或通过第二电极之间不同的串并联方式、或通过逆变器，使组件内第二电极相互连 接后的总电压等同于组件内第一电极相互连接后的总电压，最终并联，形成电池板组件的 两端输出。
全文摘要
本发明公开了一种宽谱光伏效应的双结太阳电池及其制备方法，该电池是在第一导电类型衬底的迎光面上依序具有一迎光面第二导电类型层和一介质钝化层，所述介质钝化层表面为广谱减反结构；在所述第一导电类型衬底背光面上依序具有一背光面第一导电类型层及一背光面第二导电类型层；在所述迎光面第二导电类型层上形成第一电极、在所述背光面第二导电类型层上形成第二电极、在所述背光面第一导电类型层上形成第三电极，构成所述双结太阳电池；相邻电池的同种电极相互连接，调整电压及并联，形成电池板组件的两端输出。利用本发明，拓宽了电池的光电转换谱，从而提高电池效率。
文档编号H01L31/0352GK101964373SQ20101025697
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者韩培德 申请人:中国科学院半导体研究所