[发明专利]太阳能电池背面上的导电聚合物/Si界面

说明书

发明领域

本发明涉及太阳能电池，太阳能电池的制备方法，可通过该方法得到的太阳能电池，和太阳能模块。

发明背景

太阳能电池是使用光生伏打(photovoltaic)效应将光能转化成电的装置。太阳能是具有吸引力的绿色能源，因为它是可持续的且仅产生非污染的副产物。因此，目前投入了大量研究以开发具有增强的效率、同时持续降低材料和生产成本的太阳能电池。当光击中太阳能电池时，一部分入射光被表面反射，且其余入射光透射到太阳能电池中。透射的光子被太阳能电池吸收，所述太阳能电池通常由一般适当掺杂的半导体材料如硅制成。所吸收的光子能量激发半导体材料的电子，产生电子-空穴对。这些电子-空穴对然后被p-n结(p-n junction)隔开并被太阳能电池表面上的导电电极收集。

太阳能电池非常通常地基于硅，所述硅通常是Si片的形式。此处，p-n结通常如下制备：提供n-型掺杂Si基底并将p-型掺杂层应用于一面上，或者提供p-型掺杂Si基底并将n-型掺杂层应用于一面上，在这两种情况下都得到所谓的p-n结。n-型和p-型太阳能电池都是可能的且已在工业上使用。

为了实现太阳能电池中的高效率，必须使太阳能电池中的复合(recombination)损失最小化。此处，必须区别(i)在结晶硅片中的复合，(ii)在可被介电层如SiO₂、SiN_x或Al₂O₃钝化的太阳能电池的非金属化表面上的复合，和(iii)在太阳能电池的金属-半导体结上的复合。

Si太阳能电池的金属化表面上的高复合在总复合损失中越来越占据优势，因为将非金属化面积用介电层如SiO₂、SiN_x或Al₂O₃钝化在太阳能电池的生产中越来越多被采用。为了达到技术上可行的太阳能电池效率极限(约25％)，必要的是有效地降低在太阳能电池的金属/半导体界面上的复合，同时避免接触电阻未提高至不可接受的程度。

在过去几年中，已经证明无定形硅(a-Si)的异质结是降低在金属/半导体界面上的复合的有效方式。a-Si层的沉积通常通过等离子体增强化学气相沉积(“等离子体增强化学气相沉积”，PECVD)使用硅烷、氢气和乙硼烷以沉积p-型层[a-Si(p)]或者使用膦以沉积n-型层[a-Si(n)]而进行。为了借助a-Si/c-Si异质结技术实现所需产量，借助PECVD沉积相对薄的a-Si层，产生不足的横向传导率。为了降低层电阻，将透明导电层如氧化铟锡(ITO)层沉积于a-Si层上。鉴于a-Si/c-Si异质结的高效率潜势，该太阳能电池技术被许多专家认为是具有23％以上的效率的下一代工业太阳能电池的现实选择。

然而，必须看到该路线的缺点，即由于必须沉积ITO层以降低薄层电阻，材料成本相当高，且太阳能电池中稀有金属如铟的使用通常是有问题的，尤其是长期使用。此外，气体如膦或乙硼烷用于掺杂a-Si层，且这些气体是已知令人担忧的，因为是极其危险的有毒气体。

降低在太阳能电池的金属/半导体界面上的复合的另一路线是使用Si/有机异质结。由n-型结晶硅基础物和有机聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)空穴传导发射体层组成的有机-硅混杂太阳能电池提供了将结晶硅太阳能电池的高能量转化效率与有机太阳能电池的潜在低制造成本组合的独特可能性。Schmidt等人(“有机硅异质结太阳能电池：开放电路电压电势和稳定性(Organic-silicon heterojunction solar cells：Open-circuit voltage potential and stability)”；Appl.Phys.Lett.103，183901(2013))已经借助在硅片上无接触载体寿命测量表征了结晶硅(c-Si)/(PEDOT:PSS)结的电子性能并制造了其中(c-Si)/(PEDOT:PSS)结位于结构化正面上的太阳能电池。

然而，Schmidt等人公开的路线(即PEDOT:PSS被施涂于硅太阳能电池的正面上)存在几个缺点。首先，太阳能电池正面上的PEDOT:PSS层的特征是强寄生吸收，这限制了该电池类型的短路电流。此外，PEDOT:PSS层的折射率不是最佳的，使得PEDOT:PSS层不能用作良好的抗反射层(与例如基于SiN_x的抗反射层相比)。另外，PEDOT:PSS层的接触电阻是相当高的，且Schmidt等人公开的太阳能电池在湿空气中以及对UV辐射的稳定性是不足的。