[发明专利]具有一个空间调制本征层的薄膜太阳能电池

说明书

本发明是按能源部签订的No.ZB-7-060003-4号合同，利用政府资助下完成的，政府对这项发明具有当然的权利。

一般说来，这项发明是关于太阳能电池，更具体地说是关于由一个或者一组以电学和光学方式串接的叠层太阳能电池形成的薄膜光生伏特结构。这一组太阳能电池中至少有一个电池的本征层在其体厚度的主要部分是“空间渐变”的，所说的部分是不包括本征层一掺杂层界面的，以增强开路电压和（或）填充系数。

要指出的是，本发明的受让人已经达到了发表的最高薄膜太阳能电池光转换效率，其效率约为百分之十三。这一纪录是利用三个分立的P-i-n型太阳能电池以串联方式光学和电学地叠在一起形成的光生伏特结构获得的，每个电池用以吸收太阳能谱中一个特定部分的入射光子。通过这一“光谱分裂”技术，使得制造具有一组相当薄的光产生层的叠层光生伏特结构成为可能，其结果是由掺杂层产生的内建电场有效地收集光生带电载流子，从而减少由于：Staebler/Wronski”退化（degradation）引起的复合损失。叠层电池减小复合损失的工作原理在本背景材料的后面部分中将详细描述。

利用多重叠层电池增加光生伏特器件的效率的原理早在1955年就有人描述过。1955年公开的多重电池结构局限于利用由单晶半导体器件形成的p-n结。一般说来，叠层电池的原理是利用不同带隙的器件更有效地吸收太阳能谱的不同部分和增加Voc（开路电压）。在最上面一个电池。或者叫做光入射电池中，带隙较宽的半导体材料仅吸收短的、高能量波长的光;而在其后的电池中，带隙较小的材料依次吸收通过第一个电池的波长较长的、能量较低的光。通过实现各个串接电池产生的光生电流基本上匹配，总的开路电压就成为每个电池开路电压的和;而每个电池的短路电流（Jsc）基本上保持不变。通过使用以前提到过的用于依次沉积非晶和微晶半导体合金材料薄膜层的连续制备技术，本发明的受让人已把这种串联结构商业化地用于与上文有关的大面积光生伏特器件。

在下面的描述中，要记住所使用的非晶性和微晶的特殊定义，这里所用的“非晶”这个词定义为包括显示长程无序的合金或材料，但是这些合金或材料可以显示短程或中程有序，甚至可包含晶态杂质。这里所用的“微晶”这个词定义为特殊的一类非晶材料，其特征为材料中晶态杂质具有一定体积比，而且这个体积比要大于一个阈值，当达到这个阈值时，某些关键的参数，例如电导率、光学带隙和吸收常数，将开始发生显著变化。特别要指出的是，按照上述定义，微晶材料仍归在非晶材料这个总类中。

本发明的受让人还从事下列的发展工作，（1）改善半导体合金材料，包括宽的和更窄带隙的材料，其特征为具有降低的缺陷态密度（低到10¹⁶厘米^-3电子伏特^-1）。（2）改善背反射器材料，包括双层高反射材料（如以氧化锌为过渡层的银）;（3）改善的宽带隙半导体合金材料掺杂层，其特征为高电导率和提高掺杂层所在的太阳能电池的内建电场。所有这些改善对发展上面提到的具有13%光转换效率世界纪录的三重叠层光生伏特器件都是必不可少的。然而，正如已指出的那样，即使这样一个世界纪录的效率也仍无法使得光生伏特产生的电能在价格上与传统的、可耗尽能源产生的电能进行有效的竞争。

所从事的通过本项发明导致电池性能改善的发展工作就是要致力于进一步提高太阳能电池的光伏转换效率。本发明采用的策略是重新回到那些影响薄膜太阳能电池设计的基本依据上去，即那些本领域的研究者现在所接受的依据，重新审查那些“传统学问”，和已知的关于多层之间工作中相互影响的事实。前述发明人特别感兴趣的是研究单个和串联的太阳能电池的半导体合金材料本征层的工作的物理机制，以寻找一种方法，既能提高产生的开路电压，又不影响光生带电载流子的有效收集。应该指出，作为基本的条件，迄今为止的光生伏特设计要求在P型和n型半导体合金材料之间夹着一个均匀的非晶硅合金材料薄膜层（作为1.7电子伏特光学带隙材料）或者一个均匀的非晶硅锗合金材料薄膜层（作为小于1.7电子伏特的光学带隙材料）。在概述本文要公开的发明原理之前，详述一下本领域的研究者们在通过改变半导体合金材料的均匀性质，即上述的“基本要求”，来改善太阳能电池效率方面所作的努力将是有益的。