专利名称：太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种基于碳纳米管的太阳能电池。
背景技术：
太阳能是当今最清洁的能源之一，取之不尽、用之不竭。太阳能的利用 方式包括光能-热能转换、光能-电能转换和光能-化学能转换。太阳能电池是 光能-电能转换的典型例子，是利用半导体材料的光生伏特原理制成的。根 据半导体光电转换材料种类不同，太阳能电池可以分为硅基太阳能电池(请
参见太阳能电池及多晶硅的生产，材料与冶金学报，张明杰等，vo16， p33-38 (2007))、砷化镓太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等。
目前，太阳能电池以硅基太阳能电池为主。请参阅图l,为现有技术中 的硅基太阳能电池30包含一背电极32、 一硅片衬底34、 一掺杂硅层36和 一上电极38。在硅基太阳能电池中，作为光电转换的材料的硅片衬底通常 采用单晶硅制成。因此，要获得高转换效率的硅基太阳能电池，就需要制备 出高纯度的单晶硅。所述背电极32设置于所述硅片衬底34的第一表面341， 且与该硅片衬底34的第一表面341欧姆接触。所述硅片衬底34的第二表面 343设置有多个间隔设置的凹孔342。所述掺杂硅层36形成于所述凹孔342 的内表面344，起到光电转换的作用。所述上电极38设置于所述硅片衬底 34的第二表面343。现有技术一般采用导电金属网格作为上电极38,然而 导电金属都是不透明的材料，降低了太阳光的透过率。为了进一步增加太阳 光的透过率，故采用透明的铟锡氧化物层作为上电极38,但由于铟锡氧化 物层的机械和化学耐用性不够好，导致了现有的太阳能电池的耐用性低。同 时，由于所述掺杂硅层36本身的吸光性不是很好，故所述硅基太阳能电池 30的光电转换效率不高。
因此，确有必要提供一种太阳能电池，所得到的太阳能电池具有较高的 光电转换效率、耐用性高、阻值分布均勻及透光性好。
发明内容
一种太阳能电池包括一背电极、 一硅片衬底、 一掺杂硅层和一上电极。 所述硅片衬底包括相对设置的一第一表面和一第二表面。所述背电极设置于 所述硅片衬底的第一表面，且与该硅片衬底第一表面欧姆接触。所述硅片衬 底的第二表面设置有多个间隔设置的凹孔。所述掺杂硅层形成于所述硅片衬 底第二表面的凹孔的内表面。所述上电极设置于所述硅片衬底的第二表面。 该上电极包括一碳纳米管复合结构。
与现有技术相比较，所述太阳能电池具有以下优点其一，碳纳米管复 合结构具有良好的吸收太阳光能力，所得到的太阳能电池具有较高的光电转 换效率；其二，碳纳米管复合结构具有很好的韧性和机械强度，故，采用碳 纳米管复合结构作上电极，可以相应的提高太阳能电池的耐用性。
图1是现有技术中太阳能电池的结构示意图。 图2是本技术方案实施例的太阳能电池的侧视结构示意图。 图3是本技术方案实施例的太阳能电池的上电极的结构示意图。 图4是本技术方案实施例的太阳能电池采用有序碳纳米管薄膜的部分放 大示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图详细说明本技术方案太阳能电池。
请参阅图2,本技术方案实施例提供一种太阳能电池10包括一背电极 12、 一硅片衬底14、 一掺杂硅层16、 一上电极18、 一减反层22和至少一电 才及20。所述硅片衬底14包括相对设置的一第一表面141和一第二表面143。 所述背电极12设置于所述硅片衬底14的第一表面141,且与所述硅片衬底 14的第一表面141欧姆接触。所述硅片衬底14的第二表面143设置有多个 间隔设置的凹孔142。所述掺杂硅层16形成于所述硅片4十底14第二表面143 的凹孔142的内表面144。所述上电极18设置于所述珪片衬底14的第二表 面143。该上电极18包括一碳纳米管复合结构。所述减反层22设置于所述上电极18的第一表面181。所述至少一电极20设置于所述减反层22的表面。
所述至少一电极20是一可选择的结构。该电极20的材料为银、金、含 碳纳米管的导电材料或者其他常用作电极的导电材料。所述电极20的形状 和厚度不限，还可设置于所述上电极18的第一表面181或者第二表面182， 并与上电极18的第一表面181或者第二表面182电接触。所述电极20的设 置可用于收集流过所述上电极18中的电流，并与外电路连接。
所述减反层22是一可选择的结构。该减反层22的材料为二氧化钛或者 氧化锌铝等。所述减反层22可设置于所述上电极18的第一表面181或者第 二表面182,用以减少所述上电极18对太阳光的反射，从而进一步提高所述 太阳能电池10的光电转换效率。
所述背电极12的材料可为铝、镁或者银等金属。所述背电极12的厚度 为10微米 300微米。所述背电极12的形状和厚度不限。
所述硅片衬底14为P型单晶硅片。该P型单晶硅片的厚度为200微米 ~300微米。所述多个凹孔142之间的距离为10微米~30微米，深度为50微 米 7(M鼓米。所述多个凹孔142的形状和大小不限，该凹孔142的横截面可 以为正方形、梯形或者三角形等多边形。所述掺杂硅层16的材料为N型掺 杂硅层，可通过向所述硅片衬底14注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料 而形成。所述N型掺杂硅层16的厚度为500纳米 1微米。所述N型掺杂材 料与所述P型硅片衬底14形成多个P-N结结构，从而实现所述太阳能电池 中光能到电能的转换。所述凹孔142的结构使所述硅片衬底14的第二表面 143具有良好的陷光机制和较大的P-N结的界面面积，可以提高所述太阳能 电池的光电转换效率。
请参阅图3，所述上电极18具有一定的空隙、很好的韧性和机械强度以 及均匀分布的结构，以使所述太阳能电池IOO具有良好的透光性以及很好的 耐用性，从而提高所述太阳能电池100的性能。所述上电极18包括一碳纳 米管复合结构，用以收集所述P-N结中通过光能向电能转换而产生的电流。 该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构183和大量的金属颗粒184。所述 金属颗粒184为铂颗粒、钯颗粒、钌颗粒、银颗粒、金颗粒或其混合。该金 属颗粒184的平均粒径大小为1纳米 10纳米。所述碳纳米管的质量占所述 碳纳米管复合结构质量的70%~90%。所述金属颗粒184的质量占所述碳纳米管复合结构质量的10%~30%。其中，金属颗粒184均匀分布于所述碳纳 米管结构183中形成碳纳米管复合结构。所述碳纳米管结构183包括无序碳 纳米管层或者有序碳纳米管层。可将碳纳米管结构183浸泡于含由金属盐的 溶液中，使金属盐吸附在所述碳纳米管结构183的表面，然后在还原性气氛 下，高温还原吸附于碳纳米管结构183的金属盐。或者采用气相沉积和化学 镀的方法在碳纳米管结构183的表面包覆上金属纳米粒子或者纳米膜。
所述无序碳纳米管层包括多个无序排列的碳纳米管。该碳纳米管在无序 碳纳米管层中相互缠绕或者各向同性。
所述有序碳纳米管层包括多个有序排列的碳纳米管。所述的多个碳纳米 管在该有序碳纳米管层中平行于所述有序碳纳米管层的表面排列，且沿同一 方向或者沿多个方向择优取向排列。
所述碳纳米管结构183中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或 者多壁碳纳米管。当所述碳纳米管结构183中的碳纳米管为单壁碳纳米管时， 该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米 50纳米。当所述碳纳米管结构183中的 碳纳米管为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米 50纳米。 当所述碳纳米管结构183中的碳纳米管为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管 的直径为1.5纳米~50纳米。由于所述碳纳米管结构183中的碳纳米管非常 纯净，且由于碳纳米管本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管结构183本 身具有较强的粘性。该碳纳米管结构183可利用其本身的粘性直接固定于所 述硅片衬底14的第二表面143。
一部分太阳光通过该碳纳米管复合结构中相邻的碳纳米管之间的空隙 照射进所述凹孔142内，另一部分太阳光照射在所述上电极18上。当太阳 光照射到所述上电极18中的金属颗粒184的表面时，就会在金属颗粒184 的内部生成表面等离子体，即浓度相同的正、负电荷组成的体系。该体系是 电中性的，平衡时各处正、负电荷密度相等。但由于太阳光照射所引起的热 起伏效应，局部平衡被破坏，引起正电荷和负电荷在金属颗粒184内部反复 运动便产生振荡，称为表面等离子体振荡。当入射太阳光的频率与表面等离 子体振荡频率相等时，金属颗粒184内部的自由电子会产生共振，表面等离 子体会形成辐射态，即向外辐射照射在所述上电极18的太阳光。这样金属 颗粒184会把太阳光辐射进所述凹孔142中，从而增加了所述太阳能电池10对太阳光的吸收。
请参阅图4,本实施例的碳纳米管结构183优选采用至少一有序碳纳米 管薄膜185。该有序碳纳米管薄膜185通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。 该有序碳纳米管薄膜185包括沿同一方向定向排列的碳纳米管。具体地，所 述有序碳纳米管薄膜185包括多个首尾相连且长度相等的碳纳米管束186。 所述碳纳米管束186的两端通过范德华力相互连接。每个碳纳米管束186包 括多个长度相等且平行排列的碳纳米管187。所述相邻的碳纳米管187之间 通过范德华力紧密结合。所述有序碳纳米管薄膜185是由碳纳米管阵列经进 一步处理得到的，故其长度与宽度和碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有 关。可根据实际需求制得。本实施例中，采用气相沉积法在4英寸的基底生 长超顺排碳纳米管阵列。所述有序碳纳米管薄膜185的宽度可为0.01厘米 ~10厘米，厚度为10纳米 10(H效米。
可以理解，所述碳纳米管结构183可以进一步包括至少两个重叠设置的 有序碳纳米管薄膜185。具体地，相邻的两个有序碳纳米管薄膜185中的碳 纳米管具有一交叉角度a,且0度虫^0度，具体可依据实际需求制备。可 以理解，由于碳纳米管结构183中的有序碳纳米管薄膜185可重叠设置，故， 上述碳纳米管结构183的厚度不限，可根据实际需要制成具有任意厚度的碳 纳米管结构183。
所述有序碳纳米管薄膜185是由碳纳米管阵列经进一步处理得到的，其 长度和宽度可以较准确地控制。该有序碳纳米管薄膜185中碳纳米管首尾相 连，且长度相等并均匀、有序分布、相邻的碳纳米管之间具有空隙，从而使 得所述碳纳米管复合结构具有均匀的阻值分布和透光特性。所述碳纳米管复 合结构具有很好的韧性和机械强度，故，采用该碳纳米管复合结构作上电极， 可以相应提高所述太阳能电池的耐用性。
所述太阳能电池IO在应用时，太阳光照射到所述碳纳米管复合结构， 并通过该碳纳米管复合结构中相邻的碳纳米管之间的空隙照射到所述太阳 能电池10中的多个凹孔142内，太阳光通过所述凹孔142的内壁多次反射， 从而增加了该太阳能电池10中所述硅片衬底14的第二表面143的陷光性能。 在所述多个凹孔142内，P型硅片衬底和N型4参杂材料接触在一起的面形成 有多个P-N结。在接触面上N型掺杂材料多余电子趋向P型硅片衬底，并
8形成阻挡层或接触电位差。当P型硅片衬底接正极，N型掺杂材料接负极，
N型掺杂材料多余电子和P-N结上电子容易往正极移动，且阻挡层变薄接触 电位差变小，即电阻变小，可形成较大电流。即，所述P-N结在太阳光的激 发下产生多个电子-空穴对，电子-空穴对在静电势能作用下分离，N型掺杂 材料中的电子向所述碳纳米管复合结构移动，P型硅片衬底中的空穴向所述 背电极12移动，然后被背电极12和作为上电极的碳纳米管复合结构收集， 这样外电路就有电流通过。
所述太阳能电池具有以下优点其一，碳纳米管复合结构具有良好的吸 收太阳光能力，所得到的太阳能电池具有较高的光电转换效率；其二，碳纳 米管复合结构具有很好的韧性和机械强度，故，采用碳纳米管复合结构作上 电极，可以相应的提高太阳能电池的耐用性；其三，由于碳纳米管复合结构 具有较均匀的结构，故，采用碳纳米管复合结构作上电极，可使得上电极具 有均匀的电阻，从而提高太阳能电池的性能；其四，碳纳米管复合结构中相 邻的碳纳米管之间具有均勾分布的空隙，故，故，采用碳纳米管复合结构作 上电极，可使得上电极对太阳光具有很好的透光性；其五，由于金属颗粒的 存在，在太阳光的照射下该金属颗粒可以产生表面等离子体，从而增强了所 述太阳能电池对太阳光的吸收。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依 据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种太阳能电池，其包括一硅片衬底，该硅片衬底包括相对设置的一第一表面和一第二表面，该硅片衬底的第二表面设置有多个间隔设置的凹孔；一背电极，该背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，且与该硅片衬底第一表面欧姆接触；一掺杂硅层，该掺杂硅层形成于所述硅片衬底第二表面的凹孔的内表面；一上电极，该上电极设置于所述硅片衬底的第二表面；其特征在于，所述上电极包括一碳纳米管复合结构。
2. 如权利要求l所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管复合结构包括 一碳纳米管结构和大量均匀分布于该碳纳米管结构中的金属颗粒。
3. 如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述金属颗粒为铂颗粒、钯 颗粒、钌颗粒、4艮颗粒、金颗粒或其混合，其平均粒径为1纳米 10纳米。
4. 如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管结构包括无序 碳纳米管层或者有序碳纳米管层。
5. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述无序碳纳米管层包括多 个无序排列的碳纳米管。
6. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述有序碳纳米管层包括多 个有序排列的碳纳米管。
7. 如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述有序碳纳米管层包括至 少 一有序^f友纳米管薄膜，该有序-友纳米管薄膜通过直接拉伸一^友纳米管阵列 获得，且包括沿同一方向排列的碳纳米管。
8. 如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜包括 多个首尾相连且长度相等的碳纳米管束，该碳纳米管束的两端通过范德华力 相互连接，每个碳纳米管束包括多个长度相等且平行排列的碳纳米管。
9. 如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述有序碳纳米管层包括至 少两个重叠设置的有序碳纳米管薄膜。
10. 如权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于，所述相邻两个有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管之间具有一交叉角度ce，且0度^e^0度。
11. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅片衬底为P型单晶硅 片，该P型单晶硅片的厚度为200微米 300微米。
12. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个凹孔的间距为10 微米 30微米，深度为50微米~70微米。
13. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述掺杂硅层为掺杂有磷或 者砷的N型硅层。
14. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池进一步包括至 少一电极，该电极设置于所述上电极的表面，并与该上电极的表面电4妄触。
15. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池进一步包括一 减反层，该减反层设置于所述上电极的表面。
16. 如权利要求15所述的太阳能电池，其特征在于，所述减反层的材料为二氧 化钛或者氧化锌铝。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能电池，该太阳能电池包括一背电极、一硅片衬底、一掺杂硅层和一上电极。所述硅片衬底包括相对设置的一第一表面和一第二表面。所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，且与该硅片衬底第一表面欧姆接触。所述硅片衬底的第二表面设置有多个间隔设置的凹孔。所述掺杂硅层形成于所述硅片衬底第二表面的凹孔的内表面。所述上电极设置于所述硅片衬底的第二表面。该上电极包括一碳纳米管复合结构。
文档编号H01L31/052GK101562203SQ200810066749
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月18日 优先权日2008年4月18日
发明者姜开利, 孙海林, 李群庆, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司