[发明专利]背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅基太阳能电池技术领域，特别涉及一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭最具开发潜力的无污染可再生清洁能源，地球上含量丰富的硅材料是制作太阳能电池的最佳物质，但目前硅基电池的发电成本还较高，普及民用难度大。降低硅基太阳能电池发电价格的重要途径是提高电池的光电转换效率。目前所采用的主要技术手段，一是减少光在电池表面的反射率，如采用透明减反电极膜、金字塔织构表面、多孔硅陷光表面结构等；二是提高光在电池内部的吸收率，如背反射结构、多结结构、聚光透镜等；三是减少光生载流子在体内和表面的复合，如进行分区域掺杂、表面钝化等等。这些措施使硅基太阳能电池的光电转换效率提高到了24.7％的新水平[Prog.Photovolt：Res.Appl.7，471-474(1999)]。

要进一步提高硅基电池的效率，从光谱上可以看出，一条重要的可循途径是提高电池材料对太阳光谱的吸收率，尤其是近红外光的吸收率。因为硅基电池受到红外吸收限的限制，只有能量大于硅禁带宽度、波长短于1.1μm的光子才能将硅介带电子激发到导带被吸收，而波长大于1.1μm的近红外光子则基本不被吸收，如同透过玻璃一样泄露走了。穿过电池的这部分近红外光约占太阳光谱的1/4。

1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在0.25μm至2.5μm的几乎整个太阳光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。即这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。经深入研究发现，这种微结构广谱吸收有两大特点，一是入射光进入锥体面会不断地向锥体底部折射，具有很强的减反射陷光效果；二是这种微结构广谱吸收表面的硫杂质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度，使得硅禁带中产生大量的杂质能级，简并成局域能带，从而可扩展黑硅的光谱吸收范围。在硅禁带中的这些杂质能级和能带简称中间能级和中间能带。

人们自然想到利用这种黑硅材料来制作太阳能电池。但十多年过去了，这种利用黑硅广谱吸收特点制作的太阳能电池还只仅仅获得2.20％的光电转换效率[PhD thesis，Harvard University，2007]，远远低于预期。利用所谓多孔黑硅陷光结构制作的太阳能电池虽然获得了16.8％的转换效率[Appl.Phys.Lett.95，123501(2009)]，但还不及成熟的化学织构电池，因为该电池并没有利用黑硅的宽光谱吸收特性。

造成这一现象的原因认为是黑硅材料迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重、深能级导致开路电压降低等缘故，而目前的研究都将黑硅材料作为电池的迎光面，导致这些问题尤为突出，从而极大地制约了黑硅太阳能电池效率的改善。

中国专利201010113745.0和201010113777.0提出了背光面黑硅太阳能电池的新结构，成为解决上述问题的关键技术。本发明在这两个专利技术的基础上，提出利用掺杂广谱吸收层作为太阳能电池背光面的结构，作为上述专利的补充和发展。掺杂广谱吸收层为带有晶锥凹凸不平表面的掺杂黑硅(black-silicon)，包括熔融凝固后的掺杂准平面硅(pink-silicon)，包括离子注入掺杂退火后的平面硅。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的为提出一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法，以解决传统硅基电池受红外吸收限制不能吸收和转化1.1μm以上波长太阳光谱的问题，提高硅基太阳能电池的光电转换效率。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，该结构包括：

硅基衬底；

在硅基衬底正面制作的陷光层；以及

在硅基衬底背面制作的掺杂广谱吸收层。

上述方案中，所述硅基衬底为单晶硅或多晶硅衬底，其导电类型为n型或p型，厚度为50μm至500μm。

上述方案中，所述背光面掺杂广谱吸收层包括凹凸不平的晶锥掺杂黑硅、熔融凝固后的掺杂准平面硅，以及离子注入掺杂退火后的平面硅。