本實(shí)用新型涉及一種晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)能電池。

背景技術(shù)：

量子點(diǎn)太陽(yáng)電池，被稱為第三代太陽(yáng)能光伏電池，也是目前光伏電池研發(fā)領(lǐng)域最新、最前沿的太陽(yáng)電池之一。量子點(diǎn)太陽(yáng)電池一般是將量子點(diǎn)鑲嵌在太陽(yáng)能電池片的半導(dǎo)體薄膜中，利用量子點(diǎn)的光電特性能夠大幅提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

現(xiàn)有技術(shù)公開了一種多結(jié)量子點(diǎn)太陽(yáng)電池，包括依次層疊的金屬層、Si襯底、第一子電池、隧道結(jié)、第二子電池、隧道結(jié)、第三子電池、窗口、減反射層、電極。該多結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，制備工序較多而不易操作，且其公開的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較單一，發(fā)揮量子點(diǎn)材料發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和作用相對(duì)有限，不能有效吸收各個(gè)波段不同能量的光子。

因此，亟需開發(fā)一種新的量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)電池，以提高量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)提供的多結(jié)量子點(diǎn)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)效率性能較低的缺陷的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種可充分吸收紫外區(qū)和可見光區(qū)不同能量的光子，增強(qiáng)電池光生電流，有效提高電池的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換性能好的晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)能電池。

基于上述目的，本實(shí)用新型提供的一種晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)能電池，其中，包括依次層疊的鋁背電場(chǎng)、晶體硅襯底、發(fā)射結(jié)、硅化物層、透明膜層和金屬電極，其中，所述硅化物層包括隧道結(jié)和子電池，所述子電池中含有硅量子點(diǎn)，所述隧道結(jié)和子電池交替堆疊形成多層結(jié)構(gòu)，從發(fā)射結(jié)至透明膜層所述多層結(jié)構(gòu)中隧道結(jié)的層厚度漸變，從發(fā)射結(jié)至透明膜層所述多層結(jié)構(gòu)中子電池的層厚度漸變。

優(yōu)選的，每層子電池中硅量子點(diǎn)的粒徑隨著子電池厚度的變化而變化。

優(yōu)選的，每個(gè)子電池中的硅量子點(diǎn)的粒徑大小大致相同。

優(yōu)選的，每層子電池包括依次層疊的p層、i層和n層，所述p層、i層和n層中分別含有硅量子點(diǎn)。

優(yōu)選的，子電池中多個(gè)所述硅量子點(diǎn)有序排列，所述p層、i層和n層中相鄰所述硅量子點(diǎn)的間距為1-8 nm。優(yōu)選的，相鄰p層、i層和n層中，p層中的硅量子點(diǎn)在i層上的投影是在相鄰的硅量子點(diǎn)之間的空隙上；i層中的硅量子點(diǎn)在n層上的投影是在相鄰的硅量子點(diǎn)之間的空隙上。

優(yōu)選的，從發(fā)射結(jié)至透明膜層所述多層結(jié)構(gòu)中隧道結(jié)的層厚度逐漸減薄，多層結(jié)構(gòu)中子電池的層厚度逐漸減薄。

優(yōu)選的，隧道結(jié)的層厚度最厚為6-8nm，最薄為1-3 nm；所述子電池的層厚度最厚為8-10 nm，最薄為1-3nm。

優(yōu)選的，從發(fā)射結(jié)至透明膜層所述子電池中硅量子點(diǎn)的粒徑逐漸減??；所述硅量子點(diǎn)的粒徑最大為6-8 nm，最小為1-3 nm。

優(yōu)選的，交替堆疊的隧道結(jié)和子電池中第一層所述隧道結(jié)與發(fā)射結(jié)接觸。

優(yōu)選的，發(fā)射結(jié)的層厚度為50-500 nm；所述硅化物層的層厚度為20-200 nm；所述透明膜層的層厚度為20-100nm。

本實(shí)用新型的發(fā)明人在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在晶體硅量子點(diǎn)太陽(yáng)電池中將隧道結(jié)和含硅量子點(diǎn)的子電池交替堆疊形成多層結(jié)構(gòu)，且由發(fā)射結(jié)至透明膜層，隧道結(jié)和子電池的層厚度漸變，即將硅化物層內(nèi)部設(shè)計(jì)成漸變厚度的多層結(jié)構(gòu)，可充分吸收紫外區(qū)和可見光區(qū)不同能量的光子，從而增強(qiáng)電池光生電流；在優(yōu)選情況下，含硅量子點(diǎn)的硅化物層中硅量子點(diǎn)的顆粒密度由發(fā)射結(jié)至透明膜層依次增大可以有效提高電池的開路電壓。

本實(shí)用新型提供的晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)電池能有效提高光生電流和開路電壓且制備工藝簡(jiǎn)單易行，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

本實(shí)用新型的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

附圖是用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限制。在附圖中：

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1中晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1中硅化物層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1-圖2中：

1、鋁背電場(chǎng)，2、晶體硅襯底，3、發(fā)射結(jié)，4、硅化物層，5、透明膜層，6、金屬電極，7、硅量子點(diǎn)，41、隧道結(jié)，42、子電池，421、p層，422、i層，423、n層。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本實(shí)用新型的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)、三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本實(shí)用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本實(shí)用新型中的具體含義。

在本實(shí)用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過(guò)中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。

本實(shí)用新型提供了一種晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)能電池，包括依次層疊的鋁背電場(chǎng)1、晶體硅襯底2、發(fā)射結(jié)3、硅化物層4、透明膜層5和金屬電極6，硅化物層4一般含有硅量子點(diǎn)，采用硅量子點(diǎn)的光電特性能夠大幅提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)施例1

如圖1所示，從下至上的順序依次是鋁背電場(chǎng)1、晶體硅襯底2、發(fā)射結(jié)3、硅化物層4、透明膜層5和金屬電極6，如圖1至圖2所示，硅化物層4包括隧道結(jié)41和子電池42，子電池42含有硅量子點(diǎn)7。其中，隧道結(jié)41和子電池42交替堆疊形成多層結(jié)構(gòu)，如圖2所示本實(shí)施例含有4層結(jié)構(gòu)具體可以是，第一層隧道結(jié)41/第一層子電池42/第二層隧道結(jié)41/第二層子電池42；從下至上的順序依次是將第一層隧道結(jié)41的背光面與發(fā)射結(jié)3接觸，并覆蓋發(fā)射結(jié)3的向光面；將第一層子電池42的背光面與第一層隧道結(jié)41接觸，并覆蓋第一層隧道結(jié)41的向光面；將第二層隧道結(jié)41的背光面與第一層子電池42接觸，并覆蓋第一層子電池42的向光面；將第二層子電池42的背光面與第二層隧道結(jié)41接觸，并覆蓋第二層隧道結(jié)412的向光面；依次將隧道結(jié)41和子電池42交替堆疊1-20次，本實(shí)施例中具體交替堆疊2次。具體的，透明膜層5可以與子電池42接觸，透明膜層5也可以與隧道結(jié)41接觸；本實(shí)施例中第二層子電池42相較于第二層隧道結(jié)41更接近透明膜層5，優(yōu)選第二層子電池42的受光面與透明膜層5的背光面接觸。

將隧道結(jié)41和含硅量子點(diǎn)的子電池42交替堆疊形成漸變層厚度的多層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有量子點(diǎn)帶隙可調(diào)的功能，起到有效吸收太陽(yáng)光譜中紫外區(qū)的高能量光子的效果。所述層厚度是指每一層本身的厚度，例如，子電池42的層厚度為子電池42中最接近發(fā)射結(jié)層的邊緣至最接近透明薄膜層邊緣的距離；例如，硅化物層4的層厚度為硅化物層4中最接近發(fā)射結(jié)層的邊緣至最接近透明薄膜層邊緣的距離。

所述隧道結(jié)為采用重?fù)诫s的納米晶硅薄膜。一個(gè)半導(dǎo)體器件，在與金屬接觸（或形成PN結(jié)）時(shí)，重?fù)诫s的情況下，金屬與半導(dǎo)體之間的電阻非常小，也不再出現(xiàn)整流效應(yīng)，因?yàn)殡娮涌梢砸罁?jù)隧道效應(yīng)穿透金半接觸時(shí)的勢(shì)壘層，這個(gè)叫歐姆接觸，形成的結(jié)也叫隧道結(jié)。所述子電池是相對(duì)于硅襯底作為主電池而言的。

本實(shí)施例中晶體硅襯底2可以為n型也可以為P型，優(yōu)選情況下有兩種1、當(dāng)晶體硅襯底2為P型時(shí)，發(fā)射結(jié)3為n型， 隧道結(jié)41具有發(fā)射結(jié)3與p層421形成的p-n結(jié)；2、當(dāng)晶體硅襯底2為n型時(shí)，發(fā)射結(jié)3為P型；隧道結(jié)41具有發(fā)射結(jié)3與n層423形成的p-n結(jié)，本實(shí)施例優(yōu)選第1種。

如圖2所示，子電池42包括依次層疊的p層421、i層422和n層423，且p層421中含有硅量子點(diǎn)7、i層422中含有硅量子點(diǎn)7和n層423中含有硅量子點(diǎn)7，充分發(fā)揮量子點(diǎn)材料發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和作用的同時(shí)，共同形成具有p-i-n結(jié)的量子點(diǎn)子電池，優(yōu)選第二層子電池42中的n層423受光面與透明膜層5的背光面接觸。

本實(shí)施例所述的電池結(jié)構(gòu)是在晶體硅襯底2與發(fā)射結(jié)3接觸形成p-n結(jié)；每個(gè)子電池42的p層、i層和n層依次層疊形成p-i-n結(jié)與隧道結(jié)42交替堆疊形成4層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中制備多個(gè)具有p-i-n結(jié)的量子點(diǎn)子電池，每個(gè)子電池42中的p層、i層和n層均為硅化物量子點(diǎn)薄膜構(gòu)建，隨著p層、i層和n層從發(fā)射結(jié)3至透明膜層5其硅量子點(diǎn)7的直徑逐漸減小，以充分吸收各個(gè)波段上不同能量的光子，從而提高電池的光生電流帶隙寬度逐漸增大。子電池42與發(fā)射結(jié)3之間采用隧道結(jié)42作為緩沖層，多個(gè)子電池串聯(lián)與其他結(jié)構(gòu)共同形成了晶體硅量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，從發(fā)射結(jié)3至透明膜層5，多層結(jié)構(gòu)中隧道結(jié)41的層厚度逐漸減薄，其中，子電池42中硅量子點(diǎn)7的粒徑隨著子電池42層厚度的變化而變化，同時(shí)多層結(jié)構(gòu)中子電池42的層厚度也逐漸減薄。本實(shí)施例的4層結(jié)構(gòu)中具體可以是，第一層即最下一層中的第一層隧道結(jié)41的層厚度為7nm；第二層中的第一層子電池42的層厚度為9 nm，該層中的p層、i層和n層中的硅量子點(diǎn)7的平均粒徑大小大致相同為7 nm，相鄰硅量子點(diǎn)7之間的間距為7nm；第三層中的第二層隧道結(jié)41的層厚度為2nm；第四層中第二層子電池42的層厚度為3 nm，該層中的p層、i層和n層中的硅量子點(diǎn)7的平均粒徑大小大致相同為3nm，相鄰硅量子點(diǎn)7之間的間距為3nm。優(yōu)選，隨著子電池42中硅量子點(diǎn)7的粒徑逐漸減小，子電池42中的硅量子點(diǎn)7的顆粒密度由發(fā)射結(jié)3至透明膜層5逐漸增大。

本實(shí)施例中硅化物層4中的硅化物材質(zhì)選自氮化硅（Si₃N₄）、氧化硅（SiO₂）和碳化硅（SiC）中的一種或幾種，其中，子電池42中的p層、i層和n層還含有高純硅（7N）和摻磷硅，即，子電池42為富鋰硅層。經(jīng)過(guò)高溫退火后在p層、i層和n層中分別形成硅量子點(diǎn)7。

本實(shí)施例中，發(fā)射結(jié)3的層厚度為50-200 nm；硅化物層4的層厚度為20-200 nm；透明膜層5的層厚度為20-100 nm。其中，硅量子點(diǎn)7的平均粒徑為1-8nm；子電池42的層厚度為1-10nm；隧道結(jié)41的層厚度為1-8 nm。

本實(shí)施例中，每個(gè)子電池42中的多個(gè)硅量子點(diǎn)7平行于第一硅化物層41延伸的方向有序排列。相鄰所述p層、i層和n層中，p層中的硅量子點(diǎn)在i層上的投影是在相鄰的硅量子點(diǎn)之間的空隙上；i層中的硅量子點(diǎn)在n層上的投影是在相鄰的硅量子點(diǎn)之間的空隙上。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的太陽(yáng)能電池，優(yōu)選地，所述透明導(dǎo)電薄膜選自摻鋁氧化鋅（AZO）、摻鈦氧化鋅（TZO）、摻氟氧化銦（IFO）和摻錫氧化銦（ITO）等透明導(dǎo)電薄膜中的至少一種，進(jìn)一步優(yōu)選為摻錫氧化銦（ITO）透明導(dǎo)電薄膜。采用該種優(yōu)選實(shí)施方式，利用ITO透明導(dǎo)電薄膜作為太陽(yáng)能電池的正面電極，有利于發(fā)射結(jié)區(qū)電子的收集，在有助于吸收紫外光的同時(shí)，又能起到減反射的作用，并且ITO透明導(dǎo)電薄膜的制備簡(jiǎn)單易行。

本實(shí)用新型對(duì)所述金屬電極6的種類沒(méi)有特別的限定，可以為本領(lǐng)域常用的各種金屬電極6，但是為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)選所述金屬電極6選自Ag、Al、Ni、Cu、Sn等金屬電極中的至少一種；進(jìn)一步的，所述各種金屬電極6為Cu/Sn復(fù)合電極。采用該種優(yōu)選實(shí)施方式可以有效地收集電池表面區(qū)域的載流子（電子和空穴），相較于常規(guī)電池所使用的Ag電極材料又能夠大大降低電池生產(chǎn)成本。

在本實(shí)用新型中，優(yōu)選地，所述Cu/Sn復(fù)合電極中Cu位于復(fù)合電極的下部，Sn位于復(fù)合電極的上部，該種方式更有利于焊接的進(jìn)行。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的太陽(yáng)能電池，優(yōu)選地，該太陽(yáng)能電池的晶體硅襯底的正反面為絨面。采用晶體硅襯底能夠有效產(chǎn)生并傳輸電子和空穴，同時(shí)正反面采用絨面結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ρ砻嫒肷涔庑纬啥啻畏瓷浜臀?，進(jìn)而達(dá)到提高電池光電轉(zhuǎn)換性能的目的。

在本實(shí)用新型中，優(yōu)選所述絨面呈凹凸結(jié)構(gòu)。

需要說(shuō)明的是，在本實(shí)用新型中所述絨面呈現(xiàn)出的凹凸結(jié)構(gòu)可以不是完全相同的，由于所述絨面的制備工藝，所述凹凸結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)略微的差異。

在本實(shí)用新型中，優(yōu)選所述正反面的各自凹凸結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的垂直平均高度為3-8μm。

本實(shí)用新型通過(guò)將隧道結(jié)和子電池交替堆疊形成多層結(jié)構(gòu)，同時(shí)由發(fā)射結(jié)至透明膜層，多層結(jié)構(gòu)中隧道結(jié)和子電池的層厚度漸變，即將硅化物層內(nèi)部設(shè)計(jì)成漸變層厚度的多層結(jié)構(gòu)，可充分吸收紫外區(qū)和可見光區(qū)不同能量的光子，從而增強(qiáng)電池光生電流，提高電池光電轉(zhuǎn)效率。在優(yōu)選情況下，硅量子點(diǎn)7的顆粒密度由發(fā)射結(jié)3至透明膜層5逐漸增大的同時(shí)，含硅量子點(diǎn)的子電池42中磷或硼的摻雜濃度由發(fā)射結(jié)至透明膜層依次增大可以進(jìn)一步提高電池的開路電壓。

在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。