硅基太阳能电池及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基太阳能电池，包括：硅基电池本体，在硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，短波长光吸收层由对硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成；短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，利用短波长光吸收层对太阳光短波的吸收和光电转换效率大于硅基电池本体对太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。本发明专利技术还公开了一种硅基太阳能电池的制造方法。本发明专利技术能有效提高硅基太阳能电池对短波长的吸收，拓宽其光谱响应，进而提高太阳能电池的转换效率，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。

【技术实现步骤摘要】
硅基太阳能电池及其制造方法
本专利技术涉及纳米光电子器件领域，尤其是涉及一种硅基太阳能电池；本专利技术还涉及一种硅基太阳能电池的制造方法。
技术介绍
在新能源的研究过程中，太阳能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭且无污染的绿色清洁能源，成为人类社会可持续发展的首选目标。所以，将光能直接转换成电能的太阳能电池的研究成为世界各国重点投资、大力研发的重大课题。单晶硅材料室温下带隙为1.1eV，正好落在太阳光辐射的峰值附近，有比较高的光电能量转换效率。因此，硅基太阳能电池成为目前乃至将来最具发展潜力的材料之一。从根本上来说，由于单晶硅材料的带隙为1.1eV，Si单晶太阳能电池对太阳光谱辐射是非全谱响应，1.1ev对应于1127nm的光子能量，也即波长小于1127nm的太阳光都能被单晶硅太阳能电池吸收。太阳光中400nm到760nm波长之间的光为可见光，波长为10nm至400nm之间的光为紫外线，红外线的波长大于760nm。可见，紫外线的光子能量大于单晶硅的能隙即禁带宽度，所以短波长的紫外光可以被Si吸收，但紫外线吸收后会激发的过热的光生载流子，过热的光生载流子的动能为紫外线的光子能量和单晶硅的禁带宽度的差，过热的光生载流子弛豫到带底时，其动能大部分转化为热能，并且在弛豫到带底的过程中，大部分的载流子被界面态复合，因此太阳辐射的短波长光未能被电池充分利用，这样，能量较高的短波长光子不能被有效利用，其有效响应光谱最低仅能达到500nm附近，500nm波长的光子能量为2.48eV，小于500nm的短波长波段未被利用，从而导致很大的能量损失。因此设计和制备宽光谱响应的太阳能电池成为目前研究和发展的重点方向之一。目前，根据国际上针对提高硅基太阳能电池转换效率的研究，解决太阳光谱能量在低波段损失的方法主要有如下两种情况：(1)利用能带工程调控半导体的能带结构，增加具有不同带隙的材料数目以匹配太阳光谱，即构建全硅基叠层太阳能电池来解决太阳光谱能量损失，但对于单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜，该方法的实施仍存在较大的困难。(2)根据量子尺寸效应，通过控制量子点尺寸可以调节量子点的禁带宽度，得到比单晶硅带隙大的可控宽带隙纳米硅材料。制备含有不同量子点尺寸的纳米硅结构，实现吸收范围覆盖到紫外光波段的宽波长吸收，从而提高吸收和转换效率。要在近紫外-可见光波段的光谱响应特性得到明显提高，纳米硅晶粒尺寸要达到3nm以下，对实验条件和工艺要求较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种硅基太阳能电池，能有效提高硅基太阳能电池对短波长的吸收，拓宽其光谱响应，进而提高太阳能电池的转换效率，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。为此，本专利技术还提供一种硅基太阳能电池的制造方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供的硅基太阳能电池包括：由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换。硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，所述短波长光吸收层由对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度。所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。在所述短波长光吸收层的表面形成有顶电极，所述顶电极为透明导电电极。在所述硅基电池本体的背面形成有背电极。进一步的改进是，在所述硅基电池本体的表面形成有一层由硅薄膜材料组成的导电层，所述短波长光吸收层由对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成。进一步的改进是，所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。进一步的改进是，所述导电层的厚度为20nm～100nm。进一步的改进是，所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。为解决上述技术问题，本专利技术提供的硅基太阳能电池的制造方法包括如下步骤：步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换。步骤二、对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成介电层，由所述介电层组成短波长光吸收层，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度。所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。步骤三、在所述短波长光吸收层的表面形成由透明导电电极组成的顶电极。步骤四、在所述硅基电池本体的背面形成背电极。进一步的改进是，步骤一形成所述硅基电池本体之后还包括在所述硅基电池本体的表面形成一层由硅薄膜材料组成的导电层的步骤，步骤二中通过对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成所述介电层。进一步的改进是，步骤一中的所述衬底为单晶硅片或透明导电玻璃。进一步的改进是，所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。所述N型硅薄膜、所述本征硅薄膜和所述P型硅薄膜都采用PECVD工艺生长形成，所述N型硅薄膜、所述本征硅薄膜和所述P型硅薄膜的PECVD工艺的功率源频率都为13.56MHZ，功率密度都为0.32W/cm2～0.53W/cm2,工艺温度都为室温～400摄氏度。进一步的改进是，步骤二中对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化都采用PECVD工艺，氧化工艺的气源为氧气、形成的所述介电层为氧化硅薄膜，氮化工艺的气源为氨气、形成的所述介电层为氮化硅薄膜，碳化工艺的气源为甲烷、形成的所述介电层为碳化硅薄膜。氧化、氮化或碳化的PECVD工艺的功率源频率都为13.56MHZ，功率密度都为0.32W/cm2～0.53W/cm2,工艺温度都为室温～400摄氏度。所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。本专利技术通过在硅基电池本体和由透明导电电极组成的顶电极之间加入短波长光吸收层，短波长光吸收层直接由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基太阳能电池，其特征在于，包括：由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换；硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，所述短波长光吸收层由对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度；所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应；在所述短波长光吸收层的表面形成有顶电极，所述顶电极为透明导电电极；在所述硅基电池本体的背面形成有背电极。

【技术特征摘要】
1.一种硅基太阳能电池，其特征在于，包括：由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换；硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，所述短波长光吸收层由对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度；所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应；在所述短波长光吸收层的表面形成有顶电极，所述顶电极为透明导电电极；在所述硅基电池本体的背面形成有背电极。2.如权利要求1所述的硅基太阳能电池，其特征在于：在所述硅基电池本体的表面形成有一层由硅薄膜材料组成的导电层，所述短波长光吸收层由对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成。3.如权利要求1或2所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm；所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。4.如权利要求2所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述导电层的厚度为20nm～100nm。5.如权利要求1或2或4所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。6.一种硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换；步骤二、对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成介...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋超，黄锐，宋捷，王祥，郭艳青，
申请(专利权)人：韩山师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44