[发明专利]一种太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体物理、光伏、光电子及新能源等领域，涉及一种太阳能电池及其制备方法，进一步涉及一种具有高效光电转化效率的太阳能电池及其制备方法，特别涉及一种理论效率远远突破单结太阳能电池最高理论极限效率(32％)的新型单结太阳能电池的结构设计与制造技术，该电池的最高理论效率可以达到60％。

背景技术

如何提高太阳能电池(或其它光电转换器件)的光电转换效率是这一领域研究工作持续不断的目标。然而，对于只有一个PN结(单结)的太阳能电池而言，其最高理论效率为32％；而对于单结硅太阳能电池，其最高理论效率则为29％。目前，实验室获得的硅太阳能电池的光电转换效率已经达到25％，商业化量产硅太阳能电池的效率已经达到24.2％。无论是实验室效率还是商业化量产的太阳能电池效率都已接近硅太阳能电池的最高理论效率极限。

为了突破单结太阳能电池的最高理论效率极限，人们提出了不同的技术方案。

比如包含多个PN结的多结太阳能电池结构。多结太阳能电池可分为两种：横向结构和纵向结构。

所谓横向多结太阳能电池结构就是把不同材料(因此具有不同的带隙E_g)制成的单结太阳能电池横向排列，并与一个光学分光器集成。光学分光器把入射的太阳光按照波长分成不同的光线，分别照射到与之相匹配的太阳能电池上，完成光电转换。这种太阳能电池的最高理论效率可以达到54％。

所谓的纵向多结太阳能电池(多结叠层太阳能电池)就是把不同材料制成的多个太阳能电池沿着纵向叠在一起，分别响应不同波长的入射光。一般地，响应短波长的电池排在上部，而响应长波长的电池排在底部。这种太阳能电池的理论效率可以达到50％以上，但是结构设计还要充分考虑各个电池之间的电流匹配。

无论是横向结构还是纵向结构，其制造工艺都是非常复杂的，因此成本也非常高(比如3结叠层化合物半导体太阳能电池的制造成本是现有商业太阳能电池的100倍以上)。在现有的技术条件下，上述多结电池结构不适合大规模的商业化量产。

因此，太阳能电池如何在单结基本结构的基础上实现高效率就成为一个重要的目标。为了在单结结构的基础上突破32％最高效率的理论限制，有人曾经提出来通过材料改性增加其光吸收的范围。

有人提出在硅中注入氢，从而在硅的禁带之中产生一系列能级，使得硅可以吸收1100纳米以外的红外光，太阳能电池的转换效率也可以提高到35％。也有人提出，通过材料改性改善硅对于短波长光的响应特性，利用一个高能光子激发出多个载流子，从而提高太阳能电池的效率(理论上可以达到60％)。

但是，上述方案存在着一些关键的问题还没有解决：一是高离子注入导致材料的吸收系数激增，造成所谓的“光晕”现象。由于光晕发生在太阳能电池上表面的“死区”，造成很大一部分光吸收不能产生有用的电子-空穴对；另一个问题是载流子不能被及时有效的收集，因此也就不能最终形成有用的电流。

如何通过有效的手段产生有用的“材料改性”、如何消除材料改性带来的负面影响、以及如何使载流子被电极有效收集从而形成电流是最终实现太阳能电池的超高效率需要解决关键问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能电池及其制备方法，其光电转化效率最高能够达到60％。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

一种太阳能电池，所述太阳能电池包括设置于第一发射层上部的载流子放大(Multiplication of Photo-generated Carriers)单元，用于增大入射光产生的载流子数量；

所述载流子放大单元包含至少一层再晶化硅层，所述再晶化硅层具有缺陷态，所述缺陷态的能级在导带低之下0.2～0.4eV，所述再晶化硅层中缺陷态的密度为10¹⁸～10²⁰cm^-3。

本发明制备的太阳能电池为改良的太阳能电池，以OSJS(Optimized Single-Junction Structure)记。

单结太阳能电池的主要损失机理包括：高能量光子激发的高动能载流子的热弛豫所损失的能量(热弛豫损失)、长波长的光子由于其能量小于材料的禁带宽度E_g从而不能被电池吸收所产生的能量损失(不吸收损失)、载流子的复合损失等以及其它的能量损失机理，其中热弛豫损失和不吸收损失造成的能量损失分别高达33％和19％，成为限制单结太阳能电池理论效率的最主要因素。