[发明专利]具有亚带隙红外响应的宽谱晶硅太阳电池及其制备方法

说明书

本发明属于硅基光伏技术领域，具体为具有亚带隙红外响应的宽谱晶硅太阳电池及其制备方法。本发明太阳电池结构包括：包括上、下两个部分：上半部分为透明导电电极ITO、由黑硅与钝化层组成的常规PN结，下半部分为由N型黑硅与金属纳米颗粒制成的具有亚带隙红外光伏响应的肖特基电池、背电极Al；上、下两部分之间由透明导电胶PEDOT:PSS连接；其中，ITO和Al作为电池的负极，中间的导电胶PEDOT:PSS作为电池的正极，上下电池呈并联叠层结构。本发明有效地将常规PN结电池与具有亚带隙红外光伏响应的肖特基电池结合，与常规PN结电池相比，拓宽了电池的光谱响应范围，提高了光电转化效率。

技术领域

本发明属于硅基光伏技术领域，具体涉及具有亚带隙红外响应的宽谱晶硅太阳电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是解决全球能源问题的重要途经之一。由于硅元素的高丰度和环境友好特性、晶硅电池的高性能稳定性以及产业链的成熟性，在可预见的未来，晶硅电池仍将占据光伏市场的主导地位。随着减小光损耗和电损耗方法的不断提出与完善，包括表面制绒、表面钝化与异质结的设计等等，目前晶硅太阳电池的最高效率已超过26%，趋近常规晶硅电池效率的理论极限29%。全球能源消耗量的持续增加，对晶硅太阳电池效率的提升提出了更高要求。因此，如何实现晶硅电池效率的极限突破，既是重要的科学问题，也是当前光伏产业发展的迫切需求。

受限于晶硅材料的带隙1.1eV（对应波长为1100nm），目前晶硅电池的响应范围在紫外到接近带隙的红外区域，以可见光为主。能量小于晶硅带隙，即波长大于1100nm的红外波段无法被硅吸收，基本没有光伏响应。亚带隙红外光占据太阳光辐射能的40%，若晶硅电池的响应范围是包含亚带隙波段的宽谱光伏响应，则理论效率极限将远大于29%。

针对目前窄谱光伏响应的问题，国内外主要采取过光谱转化、带隙工程等方法，但这些方法固有地存在着效率低下的问题，无法进入实用阶段。所以，需要寻找新的机制和方法，来实现晶硅电池的亚带隙宽谱光伏响应。

黑硅是一种具有高度表面织构的重掺杂硅材料。由于其优异的宽谱吸收特性，黑硅自诞生起就成为晶硅亚带隙红外和宽谱光伏响应的热门候选材料。然而，黑硅在经过退火处理后，其亚带隙红外吸收特性会大幅下降甚至消失。另外，黑硅的大比表面积以及为产生亚带隙红外吸收而引入的杂质，大大增加了表面和体内的复合损耗。这些都阻碍了晶硅宽谱光伏响应的实现。

利用贵金属与半导体接触形成的肖特基结来实现亚带隙光吸收的方法，近年来已被广泛运用在硅亚带隙红外光探测器上，并发展了多种提高光吸收的方法。这种光探测器结构可以视为一种表面势垒型（金属-绝缘层-半导体，简称MIS）太阳电池，亦称肖特基结太阳电池。这类晶硅电池可以和常规PN结型电池具有相近的开路电压。将这种具有亚带隙光伏响应的肖特基结电池与具有可见光响应的常规PN结型电池有效结合，原则上可以实现一种宽谱响应的晶硅太阳电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种亚带隙红外响应与常规可见光响应相结合的宽谱晶硅太阳电池及其制备方法。

本发明提出的具有亚带隙红外响应的宽谱晶硅太阳电池，包括上、下两个部分：上半部分为透明导电电极ITO、由黑硅与钝化层组成的常规PN结，下半部分为由N型黑硅与金属纳米颗粒制成的具有亚带隙红外光伏响应的肖特基电池、背电极Al；上、下两部分之间由透明导电胶PEDOT:PSS连接；其中，ITO和Al作为电池的负极，中间的导电胶PEDOT:PSS作为电池的正极，上下电池呈并联叠层结构。其结构参见图1所示。

本发明中，常规PN结的厚度在150~500μm之间；N型硅的厚度在100~200μm之间，电阻率1~5Ω·cm。

本发明中，具有亚带隙红外光伏响应的肖特基电池，由N型黑硅通过镀铂，退火制备得到。

本发明中，宽谱光伏响应的晶硅电池呈并联叠层结构，通过合理工艺参数设计，并采用透明导电胶PEDOT:PSS粘连上下两部分电池形成，对环境友好，与现有的产业工艺相匹配。