[发明专利]具有高转换效率的光伏电池

说明书

技术领域

本发明一般涉及光伏电池的领域，尤其涉及用于太阳辐射的光伏电池(太阳能电池)。

背景技术

太阳能电池是能够把诸如太阳辐射的电磁能转换成电力的电子装置。

这种电子装置主要由半导体材料构成，该半导体材料的特征在于固态晶体结构，该固态晶体结构具有位于价带和导带之间的禁带(“带隙”)。带隙定义通常禁止自由电子的能量间隔。不过，当太阳辐射到达太阳能电池中的这种类型的材料时，占据较低能带的电子可以被激发到进行能量跃迁和越过带隙的点，从而到达较高能带。例如，当半导体的价带中的电子从入射太阳辐射的光子吸收足够的能量时，这样的电子可以越过带隙，到达导带。

如果到达较高能带，那么这样的电子在较低能带内留下空位；这样的空位(在行话中的术语为“空穴”)可在晶体网格中，从一个原子移动到另一个原子。从而，按照和导带中的自由电子相同的方式，空穴起电荷载流子的作用，并且对晶体的导电性作出贡献。

换句话说，被半导体吸收的每个光子引起对应的空穴-电子对。由光子吸收而形成的电子-空穴对的集合引起所谓的太阳能电池的光电流。按照这种方式生成的空穴和电子可相互复合，从而减损它们对光电流的保持所作的贡献。为了避免(或者至少尽可能地减少)这种现象，以提高太阳能电池的效率，在半导体材料内生成局部电场。这样，因光子的吸收而生成的空穴和电子被局部电场朝相反的方向加速，从而空穴和电子在到达太阳能电池的端子之前复合的可能性大大减小。具体地讲，通过生成空间电荷区，比如可通过在一对相反掺杂的半导体材料之间生成pn结而获得的耗尽区，来产生这样的电场。

通常用于空间和地面应用的太阳能电池可以是单pn结或单np结式太阳能电池，或者说单结太阳能电池，或者可以是多于一个pn结或np结式太阳能电池，或者说多结太阳能电池。

单结太阳能电池实质上是由单pn结或np结的存在而构成的。相反，多结太阳能电池是通过堆叠多个pn结或np结(目前，2-5个结)来实现的。在不同的半导体材料中构成不同的结，并且所述不同的结借助置于每对相邻结之间的隧道二极管相互串联地电连接。

每个不同的叠加的结形成所谓的单元电池，并且各个单元电池能够按照与用单结能够获得的效率相比更有效的方式，分别转换入射太阳辐射光谱的各个部分。

多结电池具有能够提供相对于单结电池的更高输出电压的优点，总电压等于单个单元电池的电压的总和(减去在串联连接电池的隧道二极管中的少许电压降)。

为了被制造，一般通过在工业锗(Ge)或硅(Si)或砷化镓(GaAs)衬底上进行沉积(例如，借助金属有机化学汽相沉积技术，或者说MOCVD)，利用外延生长技术获得目的在于形成不同结的各个材料层。

近年来，由于允许发展用于制造三结、四结以及五结电池的新材料的技术的进步，以元素周期表的III族和V族元素的化合物为基础，即，以III-V族化合物为基础的太阳能电池，尤其是GaAs太阳能电池的性能已得到持续提高。

多结太阳能电池的成本稍高于单结太阳能电池的成本，并且其效率高得多(在25℃的地球外大气层照射的条件下，与单结电池的20％的效率相比，三结电池的效率近似等于28％)；为此，尤其是对于宇航应用来说，市场面向这种新的、更高效的装置的使用。例如，目前的大型通讯卫星需要使用三结太阳能电池。另一方面，这些电池已用在地面应用，比如聚光系统中。

如上所述，太阳能电池的效率严格取决于光生空穴-电子对的复合现象。在耗尽区之外生成的电子-空穴对不受任何电场的作用，从而复合的可能性高，从而减损了光生电流的贡献。

为了提高太阳能电池的效率，本领域中已知的一种解决方案提出通过在n掺杂部分和p掺杂部分之间插入一部分的本征(即，未掺杂的)半导体材料，来增大耗尽区的深度(从而，增大受电场影响的那部分半导体材料)。在耗尽区的厚度达到限制输出电压的值之前，这种解决方案一般增大太阳能电池的效率。超过该值，装置的效率开始降低。

按照另一种已知的解决方案，太阳能电池的不属于耗尽层的半导体材料部分可以受到通过利用恰当的掺杂梯度而获得的局部电场的影响。尤其是，在Harold J.Hovel的“Semiconductors and Semimetals，Vol.II”中，按照线性掺杂梯度，掺杂p型半导体部分。由于线性掺杂梯度的存在，p型半导体材料部分将受到能够加速在其中生成的空穴-电子对的恒定电场的影响。

发明内容

鉴于上面所述，申请人注意到，从效率的观点看，现有技术中目前已知的涉及光伏电池的实现，尤其是太阳能电池的实现的解决方案能够被改进。