[发明专利]一种以碳纳米材料薄膜为异质结背场的晶体硅太阳能电池

说明书

本发明公开了一种以碳纳米材料薄膜为异质结背场的晶体硅太阳能电池。本发明将碳纳米材料薄膜与基于p型硅的太阳能电池结合，将碳纳米材料薄膜置于太阳能电池的背光面，利用碳纳米材料良好的空穴吸收、传输能力和合适的能带结构来提高太阳能电池的短路电流、开路电压和转换效率。在该太阳能电池结构中，由于晶体硅片较厚(>50μm)，太阳光无法穿过硅片照射在碳纳米材料薄膜上，因此碳纳米材料薄膜只起到背电场的作用，即增强空穴分离和传输的作用，可以有效提高电池的短路电流密度。

技术领域

本发明属于太阳能光伏电池领域，具体涉及一种以碳纳米材料薄膜为异质结背场的晶体硅太阳能电池。

背景技术

背场技术可有效提高晶体硅太阳能电池的转换效率，是目前常的太阳能电池技术。在晶体硅(包含单晶硅和多晶硅)太阳能电池生产工艺中，在制绒、制PN结、沉积减反层和印制上电极之后，通常在p型晶体硅片的背面蒸镀或者印制一层铝薄膜，经过高温烧结后，形成铝背场。铝背场技术是提高晶体硅太阳能电池效率的一项关键技术。铝背场主要起两个作用：1)降低少数载流子的复合概率；2)作为背电极，与p型硅形成欧姆接触。铝背场可有效提高电池的转换效率，但由于需要高温烧结处理，增加电池的制作成本。

近年来，基于晶体硅电池的背接触式的异质结(Heterojunction with IntrinsicThin layer，HIT)技术引起人们的高度重视。在HIT太阳能电池中，通过在晶体硅的背面沉积多层非晶硅薄膜(分别包括本征层、n层和p层等)，与晶体硅在电池的背光侧形成异质结，以提高太阳能电池的开路电压和短路电流。2014年，松下公司制作出了转换效率达24.7％的HIT型太阳能电池(Taguchi M,et al.,IEEE Journal of Photovoltaics,4:96,2014)。同年4月，通过优化电池的结构和背异质结各层结构和成分等，松下公司制作出了转换效率高达25.6％的大面积太阳能电池，其中短路电流密度达41.8mA/cm2，开路电压达0.74V，填充因子达0.827。由此看出，背异质结技术可以有效提高硅基太阳能电池的开路电压、短路电流和转换效率。

碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)和石墨烯(Graphene,G)均为具有纳米结构的碳的同素异形体，同属于碳纳米材料(Carbon Nano-Materials,CNMs)。碳纳米管具有一维、中空管状纳米级结构，而石墨烯具有二维平面纳米结构。碳纳米管和石墨烯都具有良好的吸收、传导电荷的能力，其载流子迁移率均可达105量级，均可以作为良好的空穴传输材料。2007年，韦进全等人利用碳纳米管与n型硅构建了CNT/n-Si异质结太阳能电池(ZL200610169827.0)。在该异质结电池中，碳纳米管与n型硅构成异质结，碳纳米管作为电池正极，n型硅作为电池负极，碳纳米管作为受光面。碳纳米管既作为构成异质结的关键材料，与硅形成内建电场；又充当透明导电电极，吸收、传导空穴。2015年，该类型电池的转换效率已达17％(Wang FJ,et al.,Nature Communications,6:6305,2015)。2010年，李昕明等人将石墨烯取代碳纳米管，与n型硅结合，也构建出了石墨烯-n型硅(G/n-Si)异质结太阳能电池(ZL200910219530.4)。石墨烯/硅与碳纳米管/硅异质结电池的电池结构和性能相似。2015年，该类型太阳能电池的光电转换效率已经达到15.6％(Song Y,et al.,NanoLetters,15:2104,2015)。这些研究结果表明，碳纳米管与石墨烯均可以与n型硅可以构成异质结太阳能电池，碳纳米材料体现出p型半导体的特性，并且碳纳米材料均为受光面。迄今尚未有将碳纳米管(石墨烯)作为p型重掺杂(p+)材料与p型硅构成太阳能电池，或者将碳纳米材料作为异质结背场的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种以碳纳米材料薄膜为异质结背场的晶体硅太阳能电池。

本发明提供的太阳能电池，是以碳纳米材料薄膜为异质结背场的太阳能电池。