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一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法

阅读:469发布:2023-01-20

专利汇可以提供一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 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。,下面是一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法专利的具体信息内容。

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,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)的掺杂浓度大于第二掺杂区(12)的掺杂浓度,第二掺杂区(12)的掺杂浓度大于第一基区(10)的掺杂浓度。
7.根据权利要求3所述的一种垂直叠层太阳能电池,其特征在于:其中中间层电池的第二基区(20)为本征半导体或P型掺杂或N型掺杂,第五掺杂区(21)和第七掺杂区(23)的掺杂类型相同,为N型或P型掺杂,第七掺杂区(23)的掺杂浓度大于第五掺杂区(21)的掺杂浓度,第五掺杂区(21)的掺杂浓度大于第二基区(20)的掺杂浓度;第六掺杂区(22)和第八掺杂区(24)的掺杂类型相同,为N型或P型掺杂,与第五掺杂区(21)和第七掺杂区(23)的掺杂类型相反,第八掺杂区(24)的掺杂浓度大于第六掺杂区(22)的掺杂浓度,第六掺杂区(22)的掺杂浓度大于第二基区(20)的掺杂浓度。
8.根据权利要求4所述的一种垂直叠层太阳能电池,其特征在于:其中底层电池的第三基区(30)为本征半导体或P型掺杂或N型掺杂,第九掺杂区(31)和第十一掺杂区(33)的掺杂类型相同,为N型或P型掺杂,第十一掺杂区(33)的掺杂浓度大于第九掺杂区(31)的掺杂浓度,第九掺杂区(31)的掺杂浓度大于第三基区(30)的掺杂浓度;第十掺杂区(32)和第十二掺杂区(34)的掺杂类型相同,为N型或P型掺杂,与第九掺杂区(31)和第十一掺杂区(33)的掺杂类型相反,第十二掺杂区(34)的掺杂浓度大于第十掺杂区(32)的掺杂浓度,第十掺杂区(32)的掺杂浓度大于第三基区(30)的掺杂浓度。
9.一种权利要求1-8任一项所述的垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于: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(20),第五掺杂区(21),第六掺杂区(22),两侧的第七掺杂区(23)和第八掺杂区(24),第一隔离层(27)以及第二隔离层(28);
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(10),第一掺杂区(11),第二掺杂区(12),两侧的第三掺杂区(13)和第四掺杂区(14)以及减反膜(17);
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(30),第九掺杂区(31),第十掺杂区(32),两侧的第十一掺杂区(33)和第十二掺杂区(34),第三隔离层(37)以及背反射层(38);
步骤4:在第三掺杂区(13)上表面制备第一电极(15),在第四掺杂区(14)上表面制备第二电极(16),在第七掺杂区(23)下表面制备第三电极(25),在第八掺杂区(24)下表面制备第四电极(26),在第十一掺杂区(33)下表面制备第五电极(35),在第十二掺杂区(36)下表面制备第六电极(36)。
10.根据权利要求9所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤1包括以下步骤:
步骤1-1:在单晶硅衬底的一个表面通过掺杂的方法,使其表面附近区域成为第五掺杂区(21),在单晶硅衬底的另一个表面通过掺杂的方法,使其表面附近区域成为第六掺杂区(22),单晶硅衬底未掺杂的中间区域成为第二基区(20),完成基本基片的制备;
步骤1-2:在一个基本基片的第五掺杂区(21)的表面,利用外延工艺制备第七掺杂区(23),完成第一种外侧基片的制备;
步骤1-3:在另一个基本基片的第六掺杂区(22)的表面,利用外延工艺制备第八掺杂区(24),完成第二种外侧基片的制备;
步骤1-4:将多个基本基片按照一个基本基片的第五掺杂区(21)与另一个基本基片的第六掺杂区(22)相接的顺序依次叠放在一起,将第一种外侧基片放在叠放在一起的基本基片的最上部,将第二种外侧基片放在叠放在一起的基本基片的最下部,上述所有基片的第五掺杂区(21)在上,第六掺杂区(22)在下;
步骤1-5:将叠放在一起的基片放入键和机,进行加热加压键和,使相邻基片键和到一起最终形成一个整体;
步骤1-6:沿垂直基片表面方向依次切割键和到一起形成整体的基片,制备出一系列片状长方形的由多个周期性重复的基本单元和两侧掺杂区组成的垂直结构;
步骤1-7:用硝酸氢氟酸混合溶液腐蚀掉垂直结构表面的损伤层;
步骤1-8:在垂直结构的两个表面分别制备第一隔离层(27)和第二隔离层(28)。
11.根据权利要求9所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤2包括以下步骤:
步骤2-1:在第一隔离层(27)的表面制备单层或多层二硫化钨;
步骤2-2:在单层或多层二硫化钨上通过掺杂的方法制备周期性重复的基本单元的第一基区(10),第一掺杂区(11),第二掺杂区(12)以及两侧的第三掺杂区(13)和第四掺杂区(14)。
12.根据权利要求9所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤3包括以下步骤:
步骤3-1:在第二隔离层(28)的表面制备多层黑磷;
步骤3-2:在多层黑磷上通过掺杂的方法制备周期性重复的基本单元的第三基区(30),第九掺杂区(31),第十掺杂区(32)以及两侧的第十一掺杂区(33)和第十二掺杂区(34);
步骤3-3:在周期性重复的基本单元表面制备第三隔离层(37),第三隔离层(37)覆盖第十一掺杂区(33)和第十二掺杂区(34)的端部;
步骤3-4:在第三隔离层(37)的表面制备背反射层(38)。
13.根据权利要求10所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤1-2和1-3的外延是采用常压外延或磁控溅射非晶硅薄膜后激光快速退火的方法。
14.根据权利要求10所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤1-8制备第一隔离层(27)、第二隔离层(28)是采用热化、化学气相沉积、磁控溅射、离子束溅射、喷涂旋涂的方法。
15.根据权利要求11所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤2-1和步骤3-1是采用电子蒸发、热蒸发、磁控溅射、化学气相沉积、化学、金属有机物化学气相沉积或转移印刷的方法。
16.根据权利要求11所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤2-2形成N型掺杂是采用Cl2、CH2Cl2或CHCl3气体中的一种或几种的组合对单层或多层二硫化钨表面进行反应离子刻蚀的方法;形成P型掺杂是采用离子注入原子的方法。
17.根据权利要求12所述的一种垂直叠层太阳能电池的制备方法,其特征在于:其中步骤3-2形成N型掺杂是采用热扩散的方法,扩散源为三甲基铝;形成P型掺杂是采用离子注入硒原子的方法。

说明书全文

一种垂直叠层太阳能电池及其制备方法

技术领域

[0001] 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。

背景技术

[0002] 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。发明内容
[0003] 本发明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。
[0004] 本发明的技术方案是:
[0005] 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。
[0006] 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:
[0007] 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;
[0008] 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;
[0009] 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;
[0010] 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;
[0011] 两侧掺杂区为:
[0012] 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;
[0013] 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;
[0014] 两侧电极为:
[0015] 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;
[0016] 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;
[0017] 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。
[0018] 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:
[0019] 第二基区,为单晶硅材料,厚度小于400微米;
[0020] 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;
[0021] 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;
[0022] 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;
[0023] 两侧掺杂区为:
[0024] 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;
[0025] 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;
[0026] 两侧电极为:
[0027] 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;
[0028] 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;
[0029] 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;
[0030] 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。
[0031] 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:
[0032] 第三基区,为多层黑磷材料,其厚度从2层到1000层;
[0033] 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;
[0034] 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;
[0035] 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;
[0036] 两侧掺杂区为:
[0037] 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;
[0038] 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;
[0039] 两侧电极为:
[0040] 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;
[0041] 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;
[0042] 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;
[0043] 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。
[0044] 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:
[0045] 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;
[0046] 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;
[0047] 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;
[0048] 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。
[0049] 本发明的有益效果是:
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052] 3、本发明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,因此该电池比目前的晶体硅太阳能电池更适合于并网发电。
[0053] 4、本发明的顶层电池,中间层电池和底层电池可以独立工作,独立发电,也可以将上述三个子电池的正电极和正电极连接,负电极和负电极连接,也就是以电压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,各子电池之间产生的电压失配较小,远小于电流失配,产生的电学损失远小于电流匹配情况。附图说明
[0054] 为使本专利的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例及附图,详细说明如后,其中:
[0055] 图1是垂直叠层太阳能电池的结构示意图;
[0056] 图2是本发明的制备流程图

具体实施方式

[0057] 请参阅图1及图2所示,本发明提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。
[0058] 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:
[0059] 第一基区10,为单层二硫化钨材料;
[0060] 第一掺杂区11,为单层二硫化钨材料,该第一掺杂区11制作在第一基区10的一侧,为N型掺杂,掺杂的是氯原子
[0061] 第二掺杂区12,为单层二硫化钨材料,该第二掺杂区12制作在第一基区10的另一侧,为P型掺杂,掺杂的是铌原子;
[0062] 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;
[0063] 两侧掺杂区为:
[0064] 第三掺杂区13,为单层二硫化钨材料,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,为N型掺杂,掺杂的是氯原子,第三掺杂区13的掺杂浓度大于第一掺杂区11的掺杂浓度;
[0065] 第四掺杂区14,为单层二硫化钨材料,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,为P型掺杂,第四掺杂区14的掺杂浓度大于第二掺杂区12的掺杂浓度,掺杂的是铌原子;
[0066] 两侧电极为:
[0067] 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,该第一电极15的材料为和金的叠层,钛的厚度为30纳米,金的厚度为50纳米;
[0068] 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,该第二电极16的材料为钛和金的叠层,钛的厚度为30纳米,金的厚度为50纳米;
[0069] 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,该减反射层17的材料为SiO2,其厚度为100纳米。
[0070] 本发明垂直叠层太阳能电池中,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:
[0071] 第二基区20,为单晶硅材料,厚度为200微米;
[0072] 第五掺杂区21,为单晶硅材料,厚度为200微米,该第五掺杂区21制作在第二基区20的一侧,为N型掺杂,掺杂的是磷原子;
[0073] 第六掺杂区22,为单晶硅材料,厚度为200微米,该第六掺杂区22制作在第二基区20的另一侧,为P型掺杂,掺杂的是原子;
[0074] 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;
[0075] 两侧掺杂区为:
[0076] 第七掺杂区23,为单晶硅材料,厚度为200微米,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,为N型掺杂,掺杂的是磷原子,该第七掺杂区23的掺杂浓度大于第五掺杂区21的掺杂浓度;
[0077] 第八掺杂区24,为单晶硅材料,厚度为200微米,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,为P型掺杂,掺杂的是硼原子,该第八掺杂区24的掺杂浓度大于第六掺杂区22的掺杂浓度;
[0078] 两侧电极为:
[0079] 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,该第三电极25的材料为钛和金的叠层,钛的厚度为30纳米,金的厚度为50纳米;
[0080] 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,该第四电极26的材料为钛和金的叠层,钛的厚度为30纳米,金的厚度为50纳米;
[0081] 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,该第一隔离层27的材料为SiO2,其厚度为50纳米;
[0082] 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,该第二隔离层28的材料为SiO2,其厚度为50纳米。
[0083] 本发明垂直叠层太阳能电池中,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:
[0084] 第三基区30,为3层黑磷材料;
[0085] 第九掺杂区31,为3层黑磷材料,该第九掺杂区31制作在第三基区30的一侧,为N型掺杂,掺杂的是原子;
[0086] 第十掺杂区32,为3层黑磷材料,该第十掺杂区32制作在第三基区30的另一侧,为P型掺杂,掺杂的是硒原子;
[0087] 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;
[0088] 两侧掺杂区为:
[0089] 第十一掺杂区33,为3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,为N型掺杂,掺杂的是铝原子,该第十一掺杂区33的掺杂浓度大于第九掺杂区31的掺杂浓度;
[0090] 第十二掺杂区34,为3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,为P型掺杂,掺杂的是硒原子,该第十二掺杂区34的掺杂浓度大于第十掺杂区32的掺杂浓度;
[0091] 两侧电极为:
[0092] 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,该第五电极35的材料为钛和金的叠层,钛的厚度为30纳米,金的厚度为50纳米;
[0093] 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,该第六电极36的材料为钛和金的叠层,钛的厚度为30纳米,金的厚度为50纳米;
[0094] 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,该第三隔离层37的材料为SiO2,其厚度为50纳米;
[0095] 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,该背反射层38的材料为铝,其厚度为200纳米。
[0096] 该电池在使用时将第一电极15,第三电极25和第五电极35连接在一起,作为负电极;将第二电极16,第四电极26和第六电极36连接在一起,作为正电极,通过对顶层电池、中间层电池、底层电池的周期性重复单元的数量和宽度进行调整,使得三个子电池的输出电压相接近。
[0097] 本发明提供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:
[0098] 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20,第五掺杂区21,第六掺杂区22,两侧的第七掺杂区23和第八掺杂区24,第一隔离层27以及第二隔离层28。
[0099] 步骤1包括以下步骤:
[0100] 步骤1-1:在单晶硅衬底的一个表面通过热扩散的方法,在其表面附近区域掺杂磷原子,扩散温度为850度,扩散源为三氯磷,使其成为第五掺杂区21;在单晶硅衬底的另一个表面通过扩散的方法,在其表面附近区域掺杂硼原子,扩散温度为900度,扩散源为三溴化硼,使其成为第六掺杂区22,单晶硅衬底未掺杂的中间区域成为第二基区20,完成基本基片的制备。
[0101] 步骤1-2:在一个基本基片的第五掺杂区21的表面,利用常压外延工艺制备第七掺杂区23,通入气体为三氯氢硅,磷烷和氢气,外延温度1150度,完成第一种外侧基片的制备。
[0102] 步骤1-3:在另一个基本基片的第六掺杂区22的表面,利用常压外延工艺制备第八掺杂区24,通入气体为三氯氢硅,硼烷和氢气,外延温度1150度,完成第二种外侧基片的制备。
[0103] 步骤1-4:将多个基本基片按照一个基本基片的第五掺杂区21与另一个基本基片的第六掺杂区22相接的顺序依次叠放在一起,将第一种外侧基片放在叠放在一起的基本基片的最上部,将第二种外侧基片放在叠放在一起的基本基片的最下部,上述所有基片的第五掺杂区21在上,第六掺杂区22在下。
[0104] 步骤1-5:将叠放在一起的基片放入键和机,进行加热加压键和,加热温度300度,加压压强10MPa,使相邻基片键和到一起最终形成一个整体。
[0105] 步骤1-6:沿垂直基片表面方向使用金刚砂线依次切割键和到一起形成整体的基片,制备出一系列片状长方形的由多个周期性重复的基本单元和两侧掺杂区组成的垂直结构。
[0106] 步骤1-7:用硝酸氢氟酸混合溶液腐蚀掉垂直结构表面的损伤层。
[0107] 步骤1-8:在垂直结构的两个表面利用热氧化的方法制备第一隔离层27和第二隔离层28,氧化温度1050度,氧化气体选用氧气。
[0108] 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10,第一掺杂区11,第二掺杂区12,两侧的第三掺杂区13和第四掺杂区14以及减反膜17。
[0109] 步骤2包括以下步骤:
[0110] 步骤2-1:在第一隔离层27的上表面,采用化学气相沉积的方法制备单层二硫化钨,源材料为WO3粉和S粉,气体选用H2和N2,气体流速为20sccm和60sccm,沉积气压2Pa,沉积温度900度。
[0111] 步骤2-2:采用反应离子刻蚀工艺对单层二硫化钼表面进行局部反应离子刻蚀,刻蚀气体选用CH2Cl2,刻蚀功率50W,刻蚀气压1Pa,气体流速20sccm,刻蚀时间30秒,局部掺杂Cl原子,制备周期性重复的基本单元的N型第一掺杂区11。
[0112] 采用反应离子刻蚀工艺对单层二硫化钼表面进行局部反应离子刻蚀,刻蚀气体选用CH2Cl2,刻蚀功率100W,刻蚀气压1Pa,气体流速20sccm,刻蚀时间60秒,局部掺杂Cl原子,制备最外侧的基本单元的第一掺杂区11外侧的N型第三掺杂区13。
[0113] 采用离子注入工艺对单层二硫化钨进行局部掺杂,注入原子为铌原子,注入剂量1×1015/cm2,注入能量20keV,然后在氮气气氛下快速退火10s,退火温度500度,制备周期性重复的基本单元的P型第二掺杂区12。
[0114] 采用离子注入工艺对单层二硫化钨进行局部掺杂,注入原子为铌原子,注入剂量5×1015/cm2,注入能量20keV,然后在氮气气氛下快速退火10s,退火温度500度,制备另一最外侧的基本单元的第二掺杂区12外侧的P型第四掺杂区14。
[0115] 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30,第九掺杂区31,第十掺杂区32,两侧的第十一掺杂区33和第十二掺杂区34,第三隔离层37以及背反射层38。
[0116] 步骤3包括以下步骤:
[0117] 步骤3-1:采用热蒸发的方法在第二隔离层28的下表面制备3层红磷,蒸发源材料为体黑磷,衬底加热温度600度;然后将上述样品放入化学汽相沉积设备,源材料为SnI4粉和Sn粉,气体选用氩气,气体流速为50sccm,气压2Pa,沉积温度900度,将3层红磷变成3层黑磷。
[0118] 步骤3-2:在3层黑磷上采用热扩散的方法局部掺杂铝原子,扩散源为三甲基铝,扩散温度为150度,制备周期性重复的基本单元的N型第九掺杂区31。
[0119] 在3层黑磷上采用热扩散的方法局部掺杂铝原子,扩散源为三甲基铝,扩散温度为200度,制备最外侧的基本单元的第九掺杂区31外侧的N型第十一掺杂区33。
[0120] 在3层黑磷上采用离子注入的方法局部掺杂硒原子,注入剂量1×1014/cm2,注入能量20keV,然后在氮气气氛下快速退火10s,退火温度500度,制备周期性重复的基本单元的P型第十掺杂区32。
[0121] 在3层黑磷上采用离子注入的方法局部掺杂硒原子,注入剂量5×1014/cm2,注入能量20keV,然后在氮气气氛下快速退火10s,退火温度500度,制备另一最外侧的基本单元的第十掺杂区32外侧的P型第十二掺杂区34。
[0122] 步骤3-3:在周期性重复的基本单元表面利用化学汽相沉积工艺沉积SiO2薄膜,沉积温度900度,沉积气体选用SiH4,O2和H2,气体流速均为10sccm,沉积气压1Pa,制备第三隔离层37。
[0123] 步骤3-4:利用磁控溅射工艺在第三隔离层37的表面沉积铝薄膜,溅射靶材选用铝,放电功率200W,溅射气体选用氩气,放电气压1Pa,制备背反射层38。
[0124] 步骤4:利用磁控溅射的方法在第三掺杂区13上表面,第四掺杂区14上表面,第七掺杂区23下表面,第八掺杂区24下表面,第十一掺杂区33下表面,第十二掺杂区36下表面沉积钛薄膜和金薄膜,溅射靶材选用钛和金,放电功率300W,溅射气体选用氩气,放电气压1Pa,制备第一电极15,第二电极16,第三电极25,第四电极26,第五电极35和第六电极36。
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