多晶硅太阳能电池及其绿色辐射转换层

摘要

本发明涉及多晶硅太阳能电池及其绿色辐射转换层。本发明提供了一种多晶硅太阳能电池，其包含：第一电极层；第二电极层；光电转换层，其设置于所述第一电极层与第二电极层之间，包含一个n型硅半导体层和一个p型硅半导体层，可吸收电磁波产生电子空穴对，同时将电子传导至第一电极层，而将空穴传导至第二电极层；以及辐射转换层，其设置于所述第二电极层之上，所述辐射转换层包含聚合物以及分散于该聚合物中的纳米尺寸的无机荧光粉与硅粉，其中所述无机荧光粉的化学式为(Ca

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅太阳能电池，特别涉及表面设置有辐射转换层以提高该多晶硅太阳能电池的效率的多晶硅太阳能电池。

背景技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，在制备太阳能电池的材料中硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

在硅系太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了多晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池虽然效率仅有6-11％，最高也只能达到13.0-14.0％，但由于其价格低廉，因此现今最常见的硅晶太阳能电池以多晶硅太阳能电池为主。

多晶硅太阳能电池具有低能量转换效率的原因如下：首先是入射太阳光在高折射率的硅半导体表面的反射造成光能量的大量损失。因此，通常会在多晶硅太阳能电池表面覆盖一个抗反射层，如氮化硅(Si₃N₄)层以降低反射光的比率。然而，太阳能辐射光谱可从波长290nm的紫外光直至波长4-10μm的红外线，抗反射层仅能降低太阳光谱的很窄波长范围的反射，因此还会有一部分太阳光被反射。其次，相比于单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池的电子载体迁移率较低，这导致太阳能电池的基本电性能参数(开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF)的降低，从而使得太阳能电池的效率下降。第三，由于太阳能辐射的最大强度在波长为470nm处，而硅的禁带宽为Eg＝1.21eV，其相应的波长为950nm，这种与太阳能辐射的最大波长的差异也造成了极大的光损失。

H.J.Hovel等人(Hovel H J，Hodgson R T，Woodall J M.The effect of fluorescent wavelength shifting on solar cell spectral response.Solar Energy Materials 1979，2，19-29)公开了在单晶硅表面覆盖红宝石发光层，使得提高效率提高了1％。然而该方法的局限在于效率增加较少，难以制造大面积的红宝石晶体，且由于红宝石晶体与单晶硅的热膨胀系数的差异使得两者之间的结合较困难，此外，单晶红宝石的成本也过高。

韩国专利申请KR20070112051使用了包含无机荧光粉的聚合物涂层作为光转换层，其中无机荧光粉以YAG:Ce为基质，其可吸收460nm的光，并发出580-760nm范围的光，从而增加了光转换效率。

仍然需要具有提高光电转换效率的太阳能电池，重要的是提高太阳能电池的电性能参数，如开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF。因此，本发明的目的是提供具有改进光电转换效率以及增加的电性能参数的多晶硅太阳能电池。

发明内容

在一个方面，本发明提供一种多晶硅太阳能电池，其包含：

第一电极层；

第二电极层；

光电转换层，其设置于所述第一电极层与第二电极层之间，包含一个n型硅半导体层和一个p型硅半导体层，可吸收电磁波产生电子空穴对，同时将电子传导至第一电极层，而将空穴传导至第二电极层；以及

辐射转换层，其设置于所述第二电极层之上，并包含聚合物以及分散于该聚合物中的纳米尺寸的无机荧光粉与硅粉，其中所述无机荧光粉的化学式为(Ca_aSr_bBa_cMg_d)₈Si₄O₁₆:Eu⁺²_xCe⁺³_yDy⁺³_z，其中0.01≤a≤0.1，0.01＜b≤0.2，0.01≤c≤0.8，0.01≤d≤0.1，0.0005≤x≤0.05，0＜y≤0.0001，0＜z≤0.0001。优选地，所述无机荧光粉的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。

在本发明的一个具体实施方案中，所述第一电极层与第二电极层为透明导电氧化物。

在本发明的一个具体实施方案中，所述光电转换层还包含位于所述n型硅半导体层与p型硅半导体层之间的单质硅半导体层。

在本发明的一个具体实施方案中，所述辐射转换层可以吸收波长为300-460nm的电磁波，然后发射波长为500-580nm的电磁波。

在本发明的一个具体实施方案中，所述无机荧光粉的含量以所述聚合物重量计为0.25-10重量％，优选为1-5重量％。

在本发明的一个具体实施方案中，所述硅粉的含量以所述聚合物重量计为0.01-1重量％，优选为0.4-0.7重量％。

在本发明的一个具体实施方案中，所述聚合物为平均分子量为10000至25000，折射率n为1.35-1.65的热固性聚合物。优选地，所述聚合物选自环氧树脂聚合物、有机硅聚合物，或其混合物。在另一方面，本发明提供了一种无机荧光粉，其化学式为：(Ca_aSr_bBa_cMg_d)₈Si₄O₁₆:Eu⁺²_xCe⁺³_yDy⁺³_z，其中0.01≤a≤0.1，0.01≤b≤0.2，0.01≤c≤0.8，0.01≤d≤0.1，0.0005≤x≤0.05，0＜y≤0.0001，0＜z≤0.0001。

优选地，所述无机荧光粉的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。

附图说明

图1为本发明的多晶硅太阳能电池一个实施例的剖面结构示意图。

图2为本发明的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001的无机荧光粉的发射光谱。

图3A和3B分别为多晶硅太阳能电池在设置辐射转换层之前和之后的反射率随波长的变化图谱，其中辐射转换层中所用的无机荧光粉的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。

图4为多晶硅太阳能电池在设置辐射转换层之前与之后的电流-电压特性曲线(I-V特性曲线)，其中辐射转换层中所用的无机荧光粉的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。

主要元件符号说明

10-多晶硅太阳能电池

11-第一电极层

12-第二电极层

13-光电转换层

131-n型硅半导体层

132-p型硅半导体层

133-单质硅半导体层

14-辐射转换层

具体实施方式

下文将详细说明本发明的相关细部结构以及设计的理念，以使本发明的特点显而易见。

图1为本发明的多晶硅太阳能电池一个实施例的剖面结构示意图。如图1所示，该多晶硅太阳能电池10包含：

第一电极层11；

第二电极层12；

光电转换层13，其设置于第一电极层11与第二电极层12之间，包含n型硅半导体层131和p型硅半导体层132，可吸收电磁波产生电子空穴对，同时将电子传导至第一电极层11，而将空穴传导至第二电极层12；

辐射转换层14，其设置于第二电极层12之上，使得第二电极层12位于该辐射转换层14与光电转换层13之间。该辐射转换层14可吸收较短波长的电磁波，然后发射较长波长的电磁波。

图1中的hν表示入射的太阳电磁辐射，在本实施例中以第二电极层12作为前电极(以太阳的电磁辐射入射的次序来看)，而以第一电极层11作为背电极。当入射电磁辐射从第二电极层12进入光电转换层13时，该光电转换层13会吸收电磁辐射并产生电子空穴对，同时将电子传导至第一电极层11，且将空穴传导至第二电极层12。

本发明的光电转换层13包含n型硅半导体层131和p型硅半导体层132；优选地，该光电转换层13还包含形成于该n型硅半导体层131与p型硅半导体层132之间的单质硅半导体层133，从而增加该多晶硅太阳能电池10的光吸收层厚度。本发明的光电转换层13采用本领域现有技术公知的制造方法进行制备。

本发明的第一电极层11与第二电极层12可为透明导电氧化物(TCO)，例如ZnO。

本发明的辐射转换层14用于吸收较短波长的电磁波，然后发射较长波长的电磁波。特别地，本发明的辐射转换层14包含聚合物以及分散于该聚合物中的纳米尺寸的无机荧光粉与硅粉。

在辐射转换层14中的聚合物优选为平均分子量为10000至25000，折射率n为1.35-1.65的热固性聚合物。具有上述平均分子量使得所述聚合物可保持液态下的高流动性，使其易于与纳米尺寸的无机荧光粉和硅粉混合。此外，这些聚合物在固化后可保持高度透明性。具有上述折射率的聚合物有利于降低整个太阳能电池的反射率，从而有利于改进光电转换效率。优选地，所述聚合物选自环氧树脂、有机硅聚合物或其混合物。

在辐射转换层14中的无机荧光粉的化学式为(Ca_aSr_bBa_cMg_d)₈Si₄O₁₆:Eu⁺²_xCe⁺³_yDy⁺³_z，其中0.01≤a≤0.1，0.01≤b≤0.2，0.01≤c≤0.8，0.01≤d≤0.1，0.0005≤x≤0.05，0＜y≤0.0001，0＜z≤0.0001。

所述无机荧光粉采用本领域技术人员公知的溶胶凝胶法制得，如以全文引用的方式并入本文的US 2006/0027781所述。使碱土金属氯化物(即CaCl₂、SrCl₂、BaCl₂、MgCl₂)、稀土氯化物(即EuCl₂或CeCl₃或DyCl₃)以及四乙氧基硅烷(Si(OC₂H₅)₄，缩写为TEOS)进行溶胶凝胶反应，得到分散体。将分散体过滤，用乙醇洗涤，然后在还原气氛下在900-1100℃下进行烧结4-6小时。冷却烧结后的荧光粉，用稀释盐酸洗涤并干燥。最终得到尺寸为50-200纳米的片状荧光粉粒子。

所述无机荧光粉可吸收波长为300-460nm的辐射，然后发射波长为500-580nm的辐射，这增加了多晶硅的光敏感区域的辐射，有利于增加太阳能电池的光电转换效率以及电学参数。图2显示了本发明的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001的无机荧光粉的发射光谱。该无机荧光粉由395nm的波长激发，在蓝绿可见光区域发光，其峰值波长为507.5nm。

在本发明的辐射转换层14中，所述无机荧光粉的含量以聚合物重量计为0.25-10重量％，当无机荧光粉的含量低于0.25重量％时，所增加的有效绿色可见光辐射非常少，对所得太阳能电池的电学参数的影响不大；当无机荧光粉的含量高于10重量％时，该辐射转换层14的透明度降低，无法提高效率。优选地，所述无机荧光粉的含量为1-5v。

在本发明的辐射转换层14中还含有硅粉，其可改变多晶硅太阳能电池10的导电性(或者电阻)。合适的硅粉的尺寸为2-50nm，优选为10-30nm。在本发明的辐射转换层14中，硅粉的含量以聚合物重量计为0.01-1重量％，当硅粉的含量低于0.01重量％时，尽管开路电压Voc得以增加，但同时短路电流Isc会减少；当硅粉的含量高于1重量％时，多晶硅太阳能电池10的电阻明显增加，同时开路电压Voc会减少。优选地，所述硅粉的含量为0.4-0.7重量％。

图3A和3B分别显示了本发明的多晶硅太阳能电池在设置本发明的辐射转换层之前和之后的反射率随波长的变化，其中辐射转换层中所用的无机荧光粉的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。比较图3A及图3B可以看出，本发明的辐射转换层的使用使得波长300-500nm区域的反射率由约50％下降至约30％，波长500-700nm区域的反射率保持为30-33％，波长700-1000nm区域的反射率略微下降5-10％。反射率下降表示反射光比例的下降，更多比例的入射光进入光电转换层，因此将会有更多的光被转换为电。由此可知，辐射转换层14的使用可提高多晶硅太阳能电池10的光电转换效率。

本发明的辐射转换层14的使用不仅可以改善多晶硅太阳能电池10的反射光谱特性，还可以改善多晶硅太阳能电池10的电学特性。图4为多晶硅太阳能电池在设置辐射转换层之前与之后的电流-电压特性曲线(I-V特性曲线)，其中辐射转换层中所用的无机荧光粉的化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。比较图4中的两条曲线可知，本发明在多晶硅太阳能电池10设置辐射转换层14之后可以有效提高开路电压Voc和短路电流Isc。如下表1为本发明多晶硅太阳能电池10在设置不同组成下的辐射转换层14的之前与之后，在标准测试条件下测量，以1000W/m²的模拟太阳光照射所得到的太阳能电池的电学参数，其中所述辐射转换层所使用的荧光粉化学式为(Ca_0.1Sr_0.2Ba_0.6Mg_0.1)₈Si₄O₁₆:Eu_0.02Ce_0.0001Eu_0.0001。

表1

由表1可以看出：当使用本发明的辐射转换层之后，对于样品1-4、6-7和9，开路电压、短路电流、填充因子以及光电转换效率均得以增加，开路电压增加了0.1-2.5％，短路电流增加了1-22％，填充因子增加了1-21％，光电转换效率提高了5-47％；而对于样品5和8，尽管开路电压略微下降，但短路电流、填充因子以及光电转换效率仍然得以增加。由此可知本发明的表面设置有辐射转换层的多晶硅太阳能电池的确可以提升多晶硅太阳能电池的效率。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作少许的改变与润饰，因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定的为准。