本发明专利技术公开了一种具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池及其制备方法，该晶体硅太阳能电池在晶体硅片背表面钝化层的表面增加由上转换发光材料构成的薄膜层或/和由下转换发光材料构成的薄膜层，在该薄膜层表面制备由氮化硅、氮化铝、氧化硅或氧化铝构成的保护层，从而形成对上/下转换发光材料的包覆结构，一方面将没有被晶体硅太阳能电池有效利用的传到电池背表面的太阳光通过上转换发光过程或/和下转换发光过程调整到能够被晶体硅电池有效利用的可见光，另一方面有效避免对电池前表面的光谱响应产生负面影响，因此能够有效提高电池的光电转化效率，在高效晶体硅电池领域具有广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及晶体硅太阳能电池
，具体涉及一种具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着人类历史进入二十一世纪，能源危机和环境污染已经成为制约人类文明健康发展的全球问题，开发可靠安全的绿色能源已经成为解决危机的主要方法之一，在这一背景下，世界各国对新能源技术开发的投入日益增多。太阳能电池作为清洁能源利用的最重要方式之一，近年来得到了快速发展。在太阳能电池应用中，晶体硅太阳能电池的技术相对成熟并且原材料充足，占据了光伏市场 80%以上的市场份额，预计在未来的10 20年内依然是光伏市场的主流。然而，太阳能电池的综合成本还远远高于传统能源的成本，其推广应用还存在严重瓶颈，如果失去积极财政政策的支持，光伏产业的发展将受到严重影响。因此，降低太阳能电池生产成本、提高电池光电转化效率显得尤为重要。从电池的生产成本考虑，一方面要求电池材料能够方便获得并尽量减少材料的使用量，另一方面需要减小电池生产工艺的复杂度，降低工艺温度。从太阳光利用率角度考虑，需要通过适当的电池结构和材料设计提高电池对太阳光的吸收率。在有效利用光生载流子方面，需要增加光生载流子的扩散长度，减少光生载流子被电极收集前的复合。在晶体硅太阳能电池应用中，由于电池成本缩减的需求，作为晶体硅太阳能电池材料的晶体硅片的厚度不断变小，电池的光电转换效率也越来越受到晶体硅片厚度的影响。一方面，由于晶体硅为间接带隙半导体，它对太阳光的吸收率比较小，随着晶体硅片厚度的减小，越来越多的光子将传到晶体硅片的背部，电池的光谱响应将受到严重影响。第二方面，随着晶体硅片厚度的减小，电池效率越来越受电池表面的电子空穴复合速率的影响； 现有晶体硅太阳能电池主要采用前表面绒面结构结合氮化硅减反膜来提高入射光的利用率，同时采用丝网印刷铝背场来减小背表面的复合速率，其中前表面氮化硅兼具前表面钝化及减反射的双重效果，而Al背场兼具背表面钝化和背部电流收集功能；但是，丝网印刷工艺得到的铝背场(Al-BSF)的背表面钝化效果非常有限，光生载流子在背表面的扩散长度比较短，背表面的复合速率也比较高；另外，随着晶体硅片厚度的减小，烧结工艺容易导致晶体硅片的弯曲变形，影响电池的成品率。第三方面，由于晶体硅的光学带隙为1. IeV左右，与太阳光谱的匹配性比较差，能量小于1. IeV的太阳光子不能被电池利用，而能量大于 1. IeV的光子被材料吸收后部分能量将转化为晶格振动能，两项能量损失累计占太阳光谱能量的约50%左右。为了改善电池的光谱响应，人们将下转换发光材料沉积于晶体硅太阳能电池的上表面，但是这一技术方案也有很多不足。其中最重要的负面因素是这种技术方案严重影响了电池前表面的光谱特性，而且当入射光子在经过下转换发光过程后，发出的光子将向多个方向运动，极大地限制了晶体硅太阳能电池光电转换效率的提高。因此，随着晶体硅片厚度的减小，如何有效地提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率，已经成为高效晶体硅太阳能电池研究开发的一个重要课题。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是针对上述技术现状，提出一种具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池及其制备方法，该晶体硅太阳能电池能够在不影响电池前表面光谱特性的基础上改善电池的光谱响应，提高电池的光电转化效率。本专利技术实现上述技术目的所采用的技术方案为一种具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池，包括经清洗、制绒、扩散处理的晶体硅片、位于晶体硅片前表面的钝化层、位于晶体硅片背表面的钝化层以及金属电极，其特征是所述的晶体硅片背表面钝化层的表面是由上转换发光材料构成的薄膜层，或者是由下转换发光材料构成的薄膜层，或者是由上转换发光材料构成的薄膜层与下转换发光材料构成的薄膜层的复合薄膜层，在所述的薄膜层或者复合薄膜层的表面是由氮化硅、氮化铝、氧化硅或氧化铝构成的保护层。上述技术方案中，上转换发光材料是具有上转换发光性能的功能材料，即能够将不能被电池吸收的红外光子转换为能够被电池有效吸收的可见光子，任何具有该种功能的上转换发光材料均可实现本技术方案所要解决的技术问题，例如(SiO2)X(TiO2)1VEr3+或 NaYF4: Er3+。下转换发光材料是具有下转换发光性能的功能材料，即能够将还未被电池吸收的传到电池背面的紫外光子转换为能够被电池有效吸收的可见光子，任何具有该种功能的下转换发光材料均可实现本技术方案所要解决的技术问题，例如Y3Al5O12:Nd3+/Ce3+或 LiGdF4:Eu3+0晶体硅片前表面的钝化层包括但不限于氮化硅(SiNx)钝化层。晶体硅片背表面的钝化层包括但不限于氧化铝(Al2O3)钝化层。如图1所示，本专利技术涉及一种具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池的制备方法包括如下步骤利用现有的制备晶体硅太阳能电池的方法将晶体硅片进行清洗、制绒、扩散处理，然后在晶体硅片的前、背表面分别制备表面钝化层，接着在晶体硅片背表面钝化层上制备由上转换发光材料构成的薄膜层、或者是由下转换发光材料构成的薄膜层、 或者是由上转换发光材料构成的薄膜层与下转换发光材料构成的薄膜层的复合薄膜层，最后在该薄膜层或者复合薄膜层表面制备由氮化硅、氮化铝、氧化硅或氧化铝构成的保护层。上述制备方法中，所述的钝化层、薄膜层或者复合薄膜层的制备技术包括但不限于现有的化学气相沉积技术、增强化学气相沉积技术(PECVD)、磁控溅射技术，脉冲激光沉积技术或者溶胶-凝胶或喷涂技术。上述制备方法中，可以采用激光或光刻工艺在保护层上刻蚀出局部电接触区域， 结合溅射、蒸镀、丝网印刷工艺或电镀工艺得到前、背接触电极，完成电池制作。本专利技术提供了一种新型的晶体硅太阳能电池结构，该晶体硅太阳能电池在晶体硅片背表面钝化层的表面增加了由上转换发光材料构成的薄膜层或/和由下转换发光材料构成的薄膜层，在该薄膜层表面制备氮化硅、氮化铝、氧化硅或氧化铝保护层，从而形成对上下转换发光材料的包覆结构，将传到电池背表面的没有被晶体硅太阳能电池有效利用的红外光子通过上转换发光过程转换为能够被电池利用的光子，或/和将传到电池背表面的没有被电池有效利用的紫外光子通过下转换发光过程转换为能够被电池利用的光子，与现有的将下转换材料沉积于晶体硅太阳能电池的上表面的技术相比，具有如下有益效果(1)上转化发光材料或/和下转化发光材料制备于电池的背表面，对电池在前表面的光谱响应不会有负面影响；(2)本专利技术中，晶体硅片背表面采用背表面介质钝化层、位于钝化层表面的由上转化发光材料或/和下转化发光材料构成的薄膜层，位于该薄膜层表面的保护层以及金属背电极的结构，构成了对上转化发光材料或/和下转化发光材料的包覆结构，一方面极大地减小了光生载流子在背表面的复合速率，另一方面使入射的太阳光子经过上/下转换发光过程后，产生的能够被电池有效吸收的光子将在该上转化发光材料或/和下转化发光材料构成的薄膜层与金属背电极，即背介质/金属结构上再次反射进入电池，从而有效提高了入射光子的利用率；(3)随着晶体硅片厚度的减小，越来越多的太阳光子传输到电池的背表面，并通过上/下转换发光过程被调整为能够被电池有效利用的光子，从而有效改善了太阳光的利用率。因此，本专利技术提供的具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池能够在不影响电池前表面光谱特性的基础上改善本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种具有上／下转换发光结构的晶体硅太阳能电池，包括经清洗、制绒、扩散处理的晶体硅片、位于晶体硅片前表面的钝化层、位于晶体硅片背表面的钝化层以及金属电极，其特征是：所述的晶体硅片背表面钝化层的表面是由上转换发光材料构成的薄膜层，或者是由下转换发光材料构成的薄膜层，或者是由上转换发光材料构成的薄膜层与下转换发光材料构成的薄膜层的复合薄膜层，在所述的薄膜层或者复合薄膜层的表面是由氮化硅、氮化铝、氧化硅或氧化铝构成的保护层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：竺立强，张洪亮，肖惠，万青，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：97
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