一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法，该电池由上而下依次包括：顶层电池、中间层电池、底层电池，底层电池的宽度小于中间层电池的宽度。本发明专利技术利用新型二维半导体材料制备顶层和底层电池，可以利用更小的厚度实现对太阳光的吸收，减少材料使用量，降低制造成本，并能减小太阳能电池的电学损失，提高太阳能电池的转换效率。并且均采用垂直多结结构，相当于是多个pn结串联，所以输出电压高，通过减小电池的周期性重复的基本单元的面积可以降低输出电流，更适合于并网发电。

A Vertical Laminated Solar Cell and Its Preparation Method

The invention discloses a vertical laminated solar cell and a preparation method thereof. The battery comprises a top layer battery, an intermediate layer battery and a bottom layer battery from top to bottom. The width of the bottom layer battery is smaller than that of the middle layer battery. The invention utilizes a novel two-dimensional semiconductor material to prepare top and bottom batteries, which can absorb sunlight with smaller thickness, reduce material usage, reduce manufacturing cost, reduce electrical loss of solar cells and improve conversion efficiency of solar cells. The vertical multi-junction structure is equivalent to a series of PN junctions, so the output voltage is high, and the output current can be reduced by reducing the area of the basic unit with periodic repetition of batteries, which is more suitable for grid-connected power generation.

【技术实现步骤摘要】
一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法
本专利涉及一种太阳能电池结构及其制备方法，特别是关于一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
近几年全世界环境污染、温室效应等问题日趋严重，而且传统能源储量越来越少，价格越来越高，所以人类对清洁能源的需求越来越大，太阳能光伏发电作为一种清洁能源越来越受到人们的重视。目前，市场上销售的太阳能光伏电池大部分是晶体硅太阳能电池，其发电成本仍然高于传统化石能源。通过提高晶体硅电池的转换效率可以降低其发电成本，但是目前晶体硅电池的效率已经接近理论极限，再提升的空间非常有限。原因是太阳光谱的长波和短波部分不能被晶体硅材料有效利用，所以人们尝试在晶体硅的上表面利用其它能带宽度比晶体硅大的半导体材料制备顶层电池，在晶体硅的下表面利用其它能带宽度比晶体硅小的半导体材料制备底层电池。顶层电池、底层电池和中间层的晶体硅电池形成叠层太阳能电池，从而提高了晶体硅太阳能电池的转换效率。人们目前主要采用三五族半导体材料制备顶层电池，利用锗材料制备底层电池，这两类材料的成本较高。传统的叠层太阳能电池各子电池之间采用电流匹配的方式进行电学连接，随着入射太阳光的入射角度、光谱的变化，各子电池之间容易产生电流失配，从而引起功率损失。另外，目前市场上销售的晶体硅太阳能电池的单片输出电压较低(小于0.8V)，必须进行串联才能用于并网发电。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种垂直叠层太阳能电池，同时提供了该太阳能电池的制备方法。本专利技术的技术方案是：一种垂直叠层太阳能电池，该电池由上而下依次包括：顶层电池、中间层电池、底层电池，底层电池的宽度小于中间层电池的宽度。进一步的，顶层电池包括：周期性重复的基本单元，两侧掺杂区，两侧电极和减反射层四部分，其中周期性重复的基本单元包括：第一基区，为单层或多层二硫化钨材料，其厚度从1层到100层；第一掺杂区，为单层或多层二硫化钨材料，该第一掺杂区制作在第一基区的一侧，其厚度与第一基区的厚度相同；第二掺杂区，为单层或多层二硫化钨材料，该第二掺杂区制作在第一基区的另一侧，其厚度与第一基区的厚度相同；相邻的两个基本单元通过第一掺杂区和第二掺杂区串接在一起；两侧掺杂区为：第三掺杂区，为单层或多层二硫化钨材料，该第三掺杂区制作在最外侧的基本单元的第一掺杂区的外侧，其厚度与第一掺杂区的厚度相同；第四掺杂区，为单层或多层二硫化钨材料，该第四掺杂区制作在另一最外侧的基本单元的第二掺杂区的外侧，其厚度与第二掺杂区的厚度相同；两侧电极为：第一电极，该第一电极制作在第三掺杂区的上表面，其宽度小于第三掺杂区的宽度；第二电极，该第二电极制作在第四掺杂区的上表面，其宽度小于第四掺杂区的宽度；减反射层，该减反射层制作在周期性重复的基本单元的上表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第三掺杂区和第四掺杂区的端部，与第一电极和第二电极相接。进一步的，中间层电池包括：周期性重复的基本单元，两侧掺杂区，两侧电极，第一隔离层和第二隔离层五部分，其中周期性重复的基本单元包括：第二基区，为单晶硅材料，厚度小于400微米；第五掺杂区，为单晶硅材料，该第五掺杂区制作在第二基区的一侧，其厚度与第二基区的厚度相同；第六掺杂区，为单晶硅材料，该第六掺杂区制作在第二基区的另一侧，其厚度与第二基区的厚度相同；相邻的两个基本单元通过第五掺杂区和第六掺杂区串接在一起；两侧掺杂区为：第七掺杂区，为单晶硅材料，该第七掺杂区制作在最外侧的基本单元的第五掺杂区的外侧，其厚度与第五掺杂区的厚度相同；第八掺杂区，为单晶硅材料，该第八掺杂区制作在另一最外侧的基本单元的第六掺杂区的外侧，其厚度与第六掺杂区的厚度相同；两侧电极为：第三电极，该第三电极制作在第七掺杂区的下表面，其宽度小于第七掺杂区的宽度；第四电极，该第四电极制作在第八掺杂区的下表面，其宽度小于第八掺杂区的宽度；第一隔离层，该第一隔离层制作在周期性重复的基本单元的上表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第七掺杂区和第八掺杂区，该第一隔离层位于顶层电池的周期性重复的基本单元的下表面，覆盖顶层电池的第三掺杂区和第四掺杂区；第二隔离层，该第二隔离层制作在周期性重复的基本单元的下表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第七掺杂区和第八掺杂区的端部，与第三电极和第四电极相接。进一步的，底层电池包括：周期性重复的基本单元，两侧掺杂区，两侧电极，第三隔离层和背反射层五部分，其中周期性重复的基本单元和两侧掺杂区位于中间层电池的第二隔离层的下表面居中位置，宽度小于第二隔离层，其中周期性重复的基本单元包括：第三基区，为多层黑磷材料，其厚度从2层到1000层；第九掺杂区，为多层黑磷材料，该第九掺杂区制作在第三基区的一侧，其厚度与第三基区的厚度相同；第十掺杂区，为多层黑磷材料，该第十掺杂区制作在第三基区的另一侧，其厚度与第三基区的厚度相同；相邻的两个基本单元通过第九掺杂区和第十掺杂区串接在一起；两侧掺杂区为：第十一掺杂区，为多层黑磷材料，该第十一掺杂区制作在最外侧的基本单元的第九掺杂区的外侧，其厚度与第九掺杂区的厚度相同；第十二掺杂区，为多层黑磷材料，该第十二掺杂区制作在另一最外侧的基本单元的第十掺杂区的外侧，其厚度与第十掺杂区的厚度相同；两侧电极为：第五电极，该第五电极制作在第十一掺杂区的下表面，其宽度小于第十一掺杂区的宽度；第六电极，该第六电极制作在第十二掺杂区的下表面，其宽度小于第十二掺杂区的宽度；第三隔离层，该第三隔离层制作在周期性重复的基本单元的下表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第十一掺杂区和第十二掺杂区的端部，与第五电极和第六电极相接；背反射层，该背反射层制作在第三隔离层的下表面，覆盖第三隔离层，与第五电极和第六电极相接。一种垂直叠层太阳能电池的制备方法，该方法包含以下步骤：步骤1：制备中间层电池的周期性重复的基本单元的第二基区，第五掺杂区，第六掺杂区，两侧的第七掺杂区和第八掺杂区，第一隔离层以及第二隔离层；步骤2：在中间层电池上表面制备顶层电池的周期性重复的基本单元的第一基区，第一掺杂区，第二掺杂区，两侧的第三掺杂区和第四掺杂区以及减反膜；步骤3：在中间层电池下表面中间位置制备底层电池的周期性重复的基本单元的第三基区，第九掺杂区，第十掺杂区，两侧的第十一掺杂区和第十二掺杂区，第三隔离层以及背反射层；步骤4：在第三掺杂区上表面制备第一电极，在第四掺杂区上表面制备第二电极，在第七掺杂区下表面制备第三电极，在第八掺杂区下表面制备第四电极，在第十一掺杂区下表面制备第五电极，在第十二掺杂区下表面制备第六电极。本专利技术的有益效果是：1、利用新型二维半导体材料单层和多层二硫化钨代替传统的三五族半导体材料制备顶层电池，单层和多层二硫化钨的光学吸收系数大于三五族半导体材料，可以利用更小的厚度实现对太阳光的吸收，从而可以减少材料使用量，降低制造成本，并能减小太阳能电池的电学损失，提高太阳能电池的转换效率。2、利用新型二维半导体材料多层黑磷代替传统的锗材料制备底层电池，多层黑磷的光学吸收系数大于锗材料，可以利用更小的厚度实现对太阳光的吸收，从而可以减少材料使用量，降低制造成本，并能减小太阳能电池的电学损失，提高太阳能电池的转换效率。3、本专利技术垂直叠层太阳能电池的三个组成部分：顶层电池，中间层电池和底层电池均采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于，该电池由上而下依次包括：顶层电池、中间层电池、底层电池，底层电池的宽度小于中间层电池的宽度。

【技术特征摘要】
1.一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于，该电池由上而下依次包括：顶层电池、中间层电池、底层电池，底层电池的宽度小于中间层电池的宽度。2.根据权利要求1所述的一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于：其中顶层电池包括：周期性重复的基本单元，两侧掺杂区，两侧电极和减反射层四部分，其中周期性重复的基本单元包括：第一基区(10)，为单层或多层二硫化钨材料，其厚度从1层到100层；第一掺杂区(11)，为单层或多层二硫化钨材料，该第一掺杂区(11)制作在第一基区(10)的一侧，其厚度与第一基区(10)的厚度相同；第二掺杂区(12)，为单层或多层二硫化钨材料，该第二掺杂区(12)制作在第一基区(10)的另一侧，其厚度与第一基区(10)的厚度相同；相邻的两个基本单元通过第一掺杂区(11)和第二掺杂区(12)串接在一起；两侧掺杂区为：第三掺杂区(13)，为单层或多层二硫化钨材料，该第三掺杂区(13)制作在最外侧的基本单元的第一掺杂区(11)的外侧，其厚度与第一掺杂区(11)的厚度相同；第四掺杂区(14)，为单层或多层二硫化钨材料，该第四掺杂区(14)制作在另一最外侧的基本单元的第二掺杂区(12)的外侧，其厚度与第二掺杂区(12)的厚度相同；两侧电极为：第一电极(15)，该第一电极(15)制作在第三掺杂区(13)的上表面，其宽度小于第三掺杂区(13)的宽度；第二电极(16)，该第二电极(16)制作在第四掺杂区(14)的上表面，其宽度小于第四掺杂区(14)的宽度；减反射层(17)，该减反射层(17)制作在周期性重复的基本单元的上表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第三掺杂区(13)和第四掺杂区(14)的端部，与第一电极(15)和第二电极(16)相接。3.根据权利要求1所述的一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于：其中中间层电池包括：周期性重复的基本单元，两侧掺杂区，两侧电极，第一隔离层和第二隔离层五部分，其中周期性重复的基本单元包括：第二基区(20)，为单晶硅材料，厚度小于400微米；第五掺杂区(21)，为单晶硅材料，该第五掺杂区(21)制作在第二基区(20)的一侧，其厚度与第二基区(20)的厚度相同；第六掺杂区(22)，为单晶硅材料，该第六掺杂区(22)制作在第二基区(20)的另一侧，其厚度与第二基区(20)的厚度相同；相邻的两个基本单元通过第五掺杂区(21)和第六掺杂区(22)串接在一起；两侧掺杂区为：第七掺杂区(23)，为单晶硅材料，该第七掺杂区(23)制作在最外侧的基本单元的第五掺杂区(21)的外侧，其厚度与第五掺杂区(21)的厚度相同；第八掺杂区(24)，为单晶硅材料，该第八掺杂区(24)制作在另一最外侧的基本单元的第六掺杂区(22)的外侧，其厚度与第六掺杂区(22)的厚度相同；两侧电极为：第三电极(25)，该第三电极(25)制作在第七掺杂区(23)的下表面，其宽度小于第七掺杂区(23)的宽度；第四电极(26)，该第四电极(26)制作在第八掺杂区(24)的下表面，其宽度小于第八掺杂区(24)的宽度；第一隔离层(27)，该第一隔离层(27)制作在周期性重复的基本单元的上表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第七掺杂区(23)和第八掺杂区(24)，该第一隔离层(27)位于顶层电池的周期性重复的基本单元的下表面，覆盖顶层电池的第三掺杂区(13)和第四掺杂区(14)；第二隔离层(28)，该第二隔离层(28)制作在周期性重复的基本单元的下表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第七掺杂区(23)和第八掺杂区(24)的端部，与第三电极(25)和第四电极(26)相接。4.根据权利要求1所述的一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于：其中底层电池包括：周期性重复的基本单元，两侧掺杂区，两侧电极，第三隔离层和背反射层五部分，其中周期性重复的基本单元和两侧掺杂区位于中间层电池的第二隔离层(28)的下表面居中位置，宽度小于第二隔离层(28)，其中周期性重复的基本单元包括：第三基区(30)，为多层黑磷材料，其厚度从2层到1000层；第九掺杂区(31)，为多层黑磷材料，该第九掺杂区(31)制作在第三基区(30)的一侧，其厚度与第三基区(30)的厚度相同；第十掺杂区(32)，为多层黑磷材料，该第十掺杂区(32)制作在第三基区(30)的另一侧，其厚度与第三基区(30)的厚度相同；相邻的两个基本单元通过第九掺杂区(31)和第十掺杂区(32)串接在一起；两侧掺杂区为：第十一掺杂区(33)，为多层黑磷材料，该第十一掺杂区(33)制作在最外侧的基本单元的第九掺杂区(31)的外侧，其厚度与第九掺杂区(31)的厚度相同；第十二掺杂区(34)，为多层黑磷材料，该第十二掺杂区(34)制作在另一最外侧的基本单元的第十掺杂区(32)的外侧，其厚度与第十掺杂区(32)的厚度相同；两侧电极为：第五电极(35)，该第五电极(35)制作在第十一掺杂区(33)的下表面，其宽度小于第十一掺杂区(33)的宽度；第六电极(36)，该第六电极(36)制作在第十二掺杂区(34)的下表面，其宽度小于第十二掺杂区(34)的宽度；第三隔离层(37)，该第三隔离层(37)制作在周期性重复的基本单元的下表面，覆盖周期性重复的基本单元，覆盖第十一掺杂区(33)和第十二掺杂区(34)的端部，与第五电极(35)和第六电极(36)相接；背反射层(38)，该背反射层(38)制作在第三隔离层(37)的下表面，覆盖第三隔离层(37)，与第五电极(35)和第六电极(36)相接。5.根据权利要求2、3、4所述的一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于：其中所述减反射层(17)、第一隔离层(27)、第二隔离层(28)和第三隔离层(37)的材料为SiC、AlN、Al2O3、SiO2、SiNx中的一种或其组合，其厚度小于2000纳米，背反射层(38)的材料为铝或银，其厚度小于2000纳米。6.根据权利要求2所述的一种垂直叠层太阳能电池，其特征在于：其中顶层电池的第一基区(10)为本征半导体或P型掺杂或N型掺杂，第一掺杂区(11)和第三掺杂区(13)的掺杂类型相同，为N型或P型掺杂，第三掺杂区(13)的掺杂浓度大于第一掺杂区(11)的掺杂浓度，第一掺杂区(11)的掺杂浓度大于第一基区(10)的掺杂浓度；第二掺杂区(12)和第四掺杂区(14)的掺杂类型相同，为N型或P型掺杂，与第一掺杂区(11)和第三掺杂区(13)的掺杂类型相反，第四掺杂区(14)的掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢宇鹏，张楷亮，赵金石，杨正春，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12