[发明专利]一种Si/FeSi2/Si组成三明治结构的太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型结构薄膜光伏电池，具体地说是一种Si/FeSi₂/Si组成宽窄带隙混合三明治结构的太阳能电池及其制造方法。

背景技术

传统的太阳能电池的结构设计通常采用PN同质结、PIN同质结或PN异质结结构。目前市场化的晶硅太阳能电池主要采用PN同质结结构。其载流子迁移能带结构图如图1所示。即P型硅和N型硅接触，产生自建电势，在PN结间形成自建电场，光生载流子电子和空穴在自建电场下自动分离，分别向P型和N型硅方向定下移动，产生光电流。其开路电压大小主要由自建电势大小决定，通常可以达到0.7V，光电转化效率可达到20％。在薄膜非晶硅太阳能电池的设计与制备中采用的是PIN同质结结构。即P型硅、本征I硅、和N型硅组合而成。其能带结构图如图2所示。其特征在于自建电势的大小由PIN结构中的P层和N层硅决定，与I层无关。I层只提供光生载流子的产生和传输通道。开路电压通常可以达到1.0V以上，光电转换效率为7％。在目前商业化多元化合物薄膜太阳能电池中应用研究开发通常采用PN异质结结构或带隙渐变PN异质结结构。采用N型CdS或金属氧化物如ZnO等通过离子掺杂实现带隙宽度可调，并通过与P型CuInS、CdTe等材料组成PN异质结，其能带结构图与PN同质结相似，只是P型和N型两端的能带带隙宽度不同。

β-FeSi₂是一种新型可用于光伏电池的直接带隙半导体材料。它的吸收带边位于0.86eV左右，具有比晶硅材料高两个数量级的光吸收系数，且其电子迁移率和空穴迁移率可以达到100cm²/Vs以上，具有抗辐射性、高温稳定性等优点。采用FeSi₂作为光伏材料用仅几百纳米的厚度就可以实现对太阳能近红外光谱的充分吸收，适用于薄膜太阳能电池的制作，具有很大的应用前景。然而在目前FeSi₂光伏器件的技术主要采用FeSi₂与宽带隙半导体组成PN异质结结构，如以P型FXeSi₂与N型Si或N型FeSi₂与P型Si组成简单PN结，其器件结构如图4所示。图5以N型FeSi₂与P型Si组成简单PN结为例给出了这种设计下的载流子迁移能带结构原理图。这种简单PN结构的开路电压是由FeSi₂层和Si层的自建电势决定。由于Si的亲和势为4.01eV，带隙宽度为1.11eV，FeSi₂的亲和势为4.33eV，带隙宽度近似为0.86eV。由能带图分析可以得出，无论选择由P型FeSi₂和N型Si组成的异质结，或由N型FeSi₂和P型Si组成的异质结，其自建电势V_bi和相应的开路电压仅为Si的PN结自建电势的一部分，不能达到硅PN结开路电压的数值。尤其是以N型FeSi₂与P型硅组成PN结，在FeSi₂非重掺杂情况下其开路电压范围仅在0.3-0.5V，因此，输出功率和光电转化效率难以达到晶硅太阳能电池的水平。此外，由于FeSi₂的有效可控掺杂还没有实现，因此，实验上采用PN结构得到的太阳能电池性能比理论预计要低。这一理论分析与目前实验上所得到的由N型FeSi₂与P型Si组成的PN结太阳能电池开路电压仅0.22V，转换效率为0.56％是一致的。

综上所述，利用FeSi₂半导体做为光伏材料，采用简单的FeSi₂/Si组成的PN异质结构是很难实现大输出功率和高转换效率，对FeSi₂掺杂浓度有效可控方法缺乏也制约了FeSi₂/Si组成的PN异质结太阳能电池的发展。本发明根据太阳能电池中PIN同质结结构光伏特性原理，结合β-FeSi₂材料自身特性，设计了一种宽窄带混合的Si/FeSi₂/Si三明治结构，用以提高开路电压，增加光电转换效率。此外，本设计使用本征FeSi₂层为光吸收层，避免了FeSi₂中的掺杂问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前FeSi₂光伏技术中存在的开路电压低，光电转化效率小的问题而提出一种宽窄带混合的Si/FeSi₂/Si三明治结构的太阳能电池新器件结构及其制作方法。