本发明属于光伏电池领域，具体涉及一种铸造纵列多结光伏电池。
背景技术：
硅基光伏电池的一个重要弱点是间接跃迁光电效应发电。受到硅禁带宽度的影响，能够参与发电的波长受到限制，对于能量大于1.12ev的波长反而不参与光伏发电过程，对提高光伏电池的转换效率没有贡献，参见图1。传统纵列式光伏电池构造将明显增加电池厚度，不同禁带宽度的半导体晶体具有不同的晶格常数，一般来说晶格常数大的晶体具有相对小一些的禁带宽度。特别当不同晶格常数的晶体结合时在异质结界面的两侧将形成晶格失配，产生异质结界面处应力等对发电产生负面影响的因素，比如成为少数载流子的复合中心。
传统纵列式电池已经有很多物理模型，比如三纵列模型：ingap/gaas/ge，ingap/gaas/ingaas构造，可以实现纵列电池需要的禁带宽度需求，但是其晶体生长技术困难，成本巨高，除了用于宇航军事等不计成本的用途外，几乎没有市场商业价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服传统纵列式电池的上述不足，提供一种生产操作简单易控、成本低的铸造纵列多结光伏电池。
为实现上述目的，本发发明采取的技术方案如下；
一种铸造纵列多结光伏电池，所述光伏电池包括：
电池基板，所述电池基板具有若干贯穿孔；
晶硅pn结；
禁带宽度为1.5～2.5ev的第二pn结，所述晶硅pn结位于所述电池基板与所述第二pn结之间；
背面电极，所述背面电极通过填充在所述电池基板的贯穿孔中的导体与所述硅pn结电连接；
以及，表面电极，所述表面电极与所述第二pn结电连接。
优选地，所述晶硅pn结为单晶硅pn结或多晶硅pn结。
更优选地，所述晶硅pn结的厚度为40～60微米。
优选地，所述第二pn结为cdte、ca1.7fe0.3te、ca2si、znte、os2si3、zn0.75sn0.25te、cd0.5zn0.5te或非晶硅pn结。
更优选地，所述第二pn结的厚度为0.4～2微米。
更优选地，所述第二pn结为ca2si或os2si3pn结，且在所述第二pn结与所述硅pn结之间具有形成硅浓度梯度的过渡层。
优选地，所述过渡层的厚度不大于0.1微米。
更优选地，所述过渡层的厚度为0.01～0.05微米。
优选地，所述电池基板为陶瓷基板，填充在所述电池基板的贯穿孔中的导体为导电玻璃。
优选地，所述光伏电池具有以下层状结构之一：
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/n型ca2si/p型ca2si；
电池基板/p型晶硅/n型晶硅/p型ca2si/n型ca2si；
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/具有形成硅浓度梯度的过渡层/n型ca2si/p型ca2si；
或者，电池基板/p型晶硅/n型晶硅/具有形成硅浓度梯度的过渡层/p型ca2si/n型ca2si。
本发明的铸造纵列多结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤。
具体地，包括以下步骤：
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成n型晶硅的步骤；
对n型晶硅进行硼扩散形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上溅射n型第二半导体的步骤；
在n型第二半导体上溅射p型第二半导体形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤；
或者，
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成p型晶硅的步骤；
对p型晶硅进行磷扩散形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上溅射p型第二半导体的步骤；
在p型第二半导体上溅射n型第二半导体形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤。
优选地，用导体填充电池基板的贯穿孔的具体操作包括：在真空和氩气气氛中，将熔融的导体吸入电池基板的贯穿孔中。
优选地，采用铸造法在电池基板上形成n型或p型晶硅，具体操作是将液态硅滴在温度为1250～1400℃的电池基板上，转动电池基板，待液态硅在电池基板上被甩开形成一层薄膜后，再在薄膜的上表面增加冷源，使薄膜凝固。
优选地，对n型晶硅进行硼扩散或对p型晶硅进行磷扩散之前，对n型晶硅或p型晶硅的表面进行制绒处理。
优选地，形成第二pn结之前，先在晶硅pn结上形成具有硅浓度梯度的过渡层。
优选地，所述具有硅浓度梯度为硅与第二半导体的摩尔比由1:0逐步过渡到0:1。
优选地，形成背面电极的步骤包括在电池基板背面蒸镀一层金属薄层。
本发明发电薄层极薄，可以重新设计载流子产生机制和光伏发电构造，具有潜在的突破理论光伏发电效率极限的可能。进一步可以以此硅基电池为基板，在其上生长宽禁带(widegap,wg:1.5～2.5ev)光伏材料制作多层串联电池，初期效率可超40％(理论值超50％)。由于在电池机械构造上进行了全面补强设计，可以安全地用于电动汽车、马路发电等用途。
附图说明
图1为太阳光波长对光伏发电的贡献示意图。
图2为本发明的铸造纵列多结光伏电池的结构示意图。
图3为本发明的铸造纵列多结光伏电池的制备工艺流程示意图。
图4为本发明溅射ca2si示意图。
图5为非等厚度菲涅尔透镜示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
图2为本发明的铸造纵列多结光伏电池的结构示意图，该光伏电池包括：
电池基板10，所述电池基板具有若干贯穿孔；
晶硅pn结(21、22)；
禁带宽度为1.5～2.5ev的第二pn结(31、32)，所述晶硅pn结位于所述电池基板与所述第二pn结之间；
背面电极，所述背面电极通过填充在所述电池基板的贯穿孔中的导体11与所述晶硅pn结电连接；
以及，表面电极40，所述表面电极与所述第二pn结电连接。
需要说明地是，本发明中用“第二”限定pn结，只是为了将该pn结与晶硅pn结相区别，并不明示或暗示其具有顺序、位置或数量等含义。
本发明的第二pn结，亦指第二半导体pn结，由p型第二半导体和n型半导体构成，第二半导体的禁带宽度为1.5～2.5ev。
本发明的铸造纵列多结光伏电池具有以下层状结构之一：
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/n型第二半导体/p型第二半导体；
电池基板/p型晶硅/n型晶硅/p型第二半导体/n型第二半导体。
本发明的电池基板为碳化硅和二氧化硅组成的复合陶瓷，其上密布有针状的贯穿孔，贯穿孔与基板法线基本平行，基板厚度约为5～15mm，密布的贯穿孔一方面可以缓和或去除基板应力，另一方面可利用该贯穿孔吸入不易与晶硅相互扩散的导电物质，使基板作为光伏电池另一极的作用起到双重保险作用。
电池基板上的贯穿孔可以通过陶瓷压铸时一体成型，也可以利用大功率激光开孔。可以选择导电玻璃作为填充贯穿孔的导电物质。
本发明的铸造纵列多结光伏电池的晶硅pn结可以为单晶硅pn结，也可以为多晶硅pn结。
本发明的晶硅pn结可通过在n型晶体硅上进行硼(b)元素扩散形成，也可通过在p型晶体硅上进行磷(p)元素扩散形成。
本发明的晶硅pn结的厚度可控制在40～60微米，在该范围内光谱能量为1.5ev的光吸收最佳，48微米左右时可达95％。厚度低于40微米，会明显降低对光谱能量为1.5ev的光吸收，厚度高于60微米，光谱能量为1.5ev的光吸收增加地非常有限。
本发明的铸造纵列多结光伏电池选择禁带宽度为1.5～2.5ev的半导体材料作为第二pn结，以吸收近紫外线为主，与晶硅pn结互补，可以覆盖地球表面太阳光谱的主要波长。所述第二pn结可选自以下半导体材质：cdte(eg＝1.44ev)、ca1.7fe0.3te(eg＝1.75ev)、ca2si(eg＝1.9ev)、znte(eg＝2.26ev)、os2si3(eg＝2.3ev)、zn0.75sn0.25te(eg＝1.85ev)、cd0.5zn0.5te(eg＝1.74ev)或非晶硅(α-si，eg＝1.7ev)。亦可选择禁带宽度为1.5～2.5ev的氧化物或硫化物半导体。
本发明的第二pn结的厚度可控制在0.4～2微米，超过该厚度，透明度下降，会明显降低下层晶硅pn结的光吸收，低于该厚度，则会明显降低对近紫外线的吸收。
本发明优选ca2si或os2si3半导体作为第二pn结的材质。这类半导体适合在上层的第二pn结与下层的晶硅pn结之间生长具有硅浓度梯度的过渡层(该过渡层在图2中省略未画)。该过渡层可以大幅降低上层与下层之间的晶格界面不匹配问题，保证晶格的准连续性，防止载流子散乱及复合，维持各层间电流密度相当，显著降低界面电阻(这是迄今为止一直没有得到妥善解决)，有效控制上层pn结的厚度，可以大范围内调整其光伏发电效率。在生长过程中，可通过梯度调节si与ca2si或os2si3的比例来获得形成硅浓度梯度的过渡层。
所述过渡层的厚度可控制在不大于0.1微米，最好控制在0.01～0.05微米。
背面电极为锡(sn)、银(ag)、铝(al)或铜(cu)等金属层，再通过背面电极引出线12引出。
表面电极40为银(ag)、铝(al)或铜(cu)等金属，在其上蒸镀约2～5微米厚的ito膜50，再通过表面电极引出线41引出。
本发明的铸造纵列多结光伏电池具有以下层状结构之一：
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/n型ca2si/p型ca2si；
电池基板/p型晶硅/n型晶硅/p型ca2si/n型ca2si；
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/具有形成硅浓度梯度的过渡层/n型ca2si/p型ca2si；
或者，电池基板/p型晶硅/n型晶硅/具有形成硅浓度梯度的过渡层/p型ca2si/n型ca2si。
本发明的铸造纵列多结光伏电池的制作工艺包括如下步骤：
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤。
本发明的铸造纵列多结光伏电池在形成晶硅pn结时，可先在电池基板上形成n型晶硅层，也可先形成p型晶硅层。
具体地步骤包括：
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成n型晶硅的步骤；
对n型晶硅进行硼扩散形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上溅射n型第二半导体的步骤；
在n型第二半导体上溅射p型第二半导体形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤；
或者，
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成p型晶硅的步骤；
对p型晶硅进行磷扩散形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上溅射p型第二半导体的步骤；
在p型第二半导体上溅射n型第二半导体形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤。
用导体填充电池基板的贯穿孔的具体操作包括：在真空和氩气气氛中，将熔融的导体吸入电池基板的贯穿孔中。
本发明采用铸造法(甩片)在电池基板上形成n型或p型晶硅层，具体操作是将液态硅滴在温度为1250～1400℃的电池基板上，转动电池基板，使液态硅在电池基板上被甩开后形成一层薄膜，再在薄膜的上表面增加冷源，使薄膜自表面向下凝固，冷源为低于1000℃的固体或者惰性气体。
将电池基板温度控制在1250～1400℃，防止液态硅在基板上瞬间发生部分凝固。
在电池基板上甩片获得n型或p型晶硅后，再进行硼扩散或磷扩散，得到晶硅pn结。
本发明采用传统工艺进行硼扩散或磷扩散，扩散深度为3～7微米。
在进行硼扩散或磷扩散之前，可先对晶硅进行制绒处理，从而在表面获得织构化的起伏不平的绒面，达到增加硅对太阳光的吸收，提高短路电流(isc)的目的。
制绒是用碱对晶硅表面进行腐蚀，利用不同晶面的腐蚀速度不同(即各向异性)，从而在晶硅表面形成起伏不平的绒面。
背面电极是通过在电池基板背面蒸镀一层金属(如锡、银、铝或铜)薄层得到，采用金属薄层一方面可以起到导电的作用，另一方面可以起到改善电池导热性的作用，还可起到改善电池翘曲度的作用。
表面电极的制作过程包括：在第二pn结上按预定的图案布局布设金属丝(如银、铝或铜)，然后蒸镀一层导电玻璃。导电玻璃层也可以按金属丝对应的图案进行蚀刻。
本发明的铸造纵列多结光伏电池的制作工艺还包括：
在晶硅pn结上形成具有硅浓度梯度的过渡层的步骤。
在生长该过渡层时，硅与第二半导体的摩尔比由1:0逐步过渡到0:1，从而形成具有硅浓度梯度变化的过渡层。
形成过渡层及第二pn结的步骤在真空及氩气气氛环境中进行，氩气压强为40～80kpa，电池基板的温度为420～480℃。
先在真空及氩气气氛环境中进行对电池基板进行热处理，氩气压强为30～60kpa，温度为450～550℃，以达到使电池基板贯穿孔中导电玻璃脱气的目的，再进行形成过渡层及第二pn结的步骤。
以更适合于形成硅浓度梯度过渡层的ca2si为例，一般来说，半导体pn结的空乏层厚度单纯由p型半导体与n型半导体的浓度决定，在本发明中，p型ca2si(或n型ca2si)与n型晶硅(或p型晶硅)之间的浓度空间变化辅助决定了浓度梯度，蒸镀膜结更具有控制空乏层厚度的手段。可控制浓度梯度的缓慢变化而将空乏层变厚，从应用的角度讲，空乏层适当加厚对光伏电池有利，但空乏层加厚一般需要减少掺杂浓度，反而会增加光伏电池的内容抵抗。欲解决上述通常概念下的矛盾，本发明的浓度梯度过渡层可在掺杂量和空乏层厚度间找到一个最适量，使p型ca2si与n型ca2si的比例1:1接近的浓度区域(即所谓可控空乏层区域)可精密控制实现，这个“可控空乏层区域”的厚度大一些，可显著提高太阳光吸收率。但考虑到ca2si太阳光的吸收系数，实现精密可控空乏层区域的厚度可根据具体情况再作精细协调。
实施例1
太阳能电池基板采用碳化硅和二氧化硅粉末(质量比为5:1)混合物烧结(烧结温度为1600℃)，厚度为6毫米，再用大功率激光开孔在基板上获得密布的针孔。
在负压高温和ar气氛下，将导电玻璃吸入电池基板的针孔中。
将电池基板转入1250～1400℃温度、氩气气氛(40～80kpa)的环境中，待电池基板上升到此温度，将液态硅(掺杂元素为磷)滴到电池基板上(如50微米厚度，边长210*210mm2的硅片需要硅料的重量约是5.2g)，甩片机构带动基板进行转动甩片(转速范围：300～5000rpm)，速度由慢到快，在1～10秒之内达到设定转速，使液态硅在电池基板上被甩开后形成一层薄膜，然后在薄膜上表面增加温度低于1000℃的固体冷源，使薄膜自表面向下凝固，从而在电池基板上形成n型单晶硅层。
对电池基板背面进行抛光，清洗干净后，用碱的醇溶液腐蚀硅片表面，形成绒面，再清洗烘干，按传统工艺进行硼原子扩散处理，得到扩散深度<5微米的p型单晶硅层，从而在电池基板上形成单晶硅pn结。
如图4(a-c)所示，将形成单晶硅pn结的电池基板先在氩气压强为50kpa，温度为500℃腔内进行热处理，对基板内的导电玻璃进行表面脱气。然后在氩气压强为60kpa，基板温度为450℃的腔体进行过渡层和第二pn结的制作：开启硅枪源和n-ca2si枪源，硅与ca2si的摩尔比由1:0逐步过渡到0:1，溅射得到一层0.05μm的过渡层，再继续溅射ca2si形成0.6μm的n-ca2si薄膜。然后开启p-ca2si枪源，溅射形成0.3μm的p-ca2si薄膜。
表面电极的制作：在温度环境为300℃的腔体内采用物理真空方法电池的上表面按预定的图案布设环状金属丝(与菲涅尔透镜对应)，再蒸镀厚度为2微米的ito，然后电连接表面电极引出线。
背面电极的制作：在电池基板背面镀上一层锡，然后电连接背面电极引出线。
该电池在非等厚菲涅尔透镜(如图5所示，h1≠h2……≠hn，n＝1,2,3,4……)封装条件下(电池片和菲涅尔透镜的距离是菲涅尔透镜与焦点距离的1/5～2/3)，平均光电转换效率为42％。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种铸造纵列多结光伏电池，其特征在于：所述光伏电池包括：
电池基板，所述电池基板具有若干贯穿孔；
晶硅pn结；
禁带宽度为1.5～2.5ev的第二pn结，所述晶硅pn结位于所述电池基板与所述第二pn结之间；
背面电极，所述背面电极通过填充在所述电池基板的贯穿孔中的导体与所述硅pn结电连接；
以及，表面电极，所述表面电极与所述第二pn结电连接。
2.根据权利要求1所述的铸造纵列多结光伏电池，其特征在于：所述晶硅pn结为单晶硅pn结或多晶硅pn结；
优选地，所述晶硅pn结的厚度为40～60微米。
3.根据权利要求1所述的铸造纵列多结光伏电池，其特征在于：所述第二pn结为cdte、ca1.7fe0.3te、ca2si、znte、os2si3、zn0.75sn0.25te、cd0.5zn0.5te或非晶硅pn结；
优选地，所述第二pn结的厚度为0.4～2微米；
优选地，所述第二pn结为ca2si或os2si3pn结，且在所述第二pn结与所述硅pn结之间具有形成硅浓度梯度的过渡层；
更优选地，所述过渡层的厚度不大于0.1微米；
更优选地，所述过渡层的厚度为0.01～0.05微米。
4.根据权利要求1所述的铸造纵列多结光伏电池，其特征在于：所述电池基板为陶瓷基板，填充在所述电池基板的贯穿孔中的导体为导电玻璃。
5.根据权利要求1所述的铸造纵列多结光伏电池，其特征在于：所述光伏电池具有以下层状结构之一：
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/n型ca2si/p型ca2si；
电池基板/p型晶硅/n型晶硅/p型ca2si/n型ca2si；
电池基板/n型晶硅/p型晶硅/具有形成硅浓度梯度的过渡层/n型ca2si/p型ca2si；
或者，电池基板/p型晶硅/n型晶硅/具有形成硅浓度梯度的过渡层/p型ca2si/n型ca2si。
6.权利要求1所述铸造纵列多结光伏电池的制备方法，包括：
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成n型晶硅的步骤；
对n型晶硅进行硼扩散形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上溅射n型第二半导体的步骤；
在n型第二半导体上溅射p型第二半导体形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤；
或者，
用导体填充电池基板的贯穿孔的步骤；
在电池基板上形成p型晶硅的步骤；
对p型晶硅进行磷扩散形成晶硅pn结的步骤；
在晶硅pn结上溅射p型第二半导体的步骤；
在p型第二半导体上溅射n型第二半导体形成第二pn结的步骤；
形成背面电极和表面电极的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：用导体填充电池基板的贯穿孔的具体操作包括：在真空和氩气气氛中，将熔融的导体吸入电池基板的贯穿孔中；
优选地，采用铸造法在电池基板上形成n型或p型晶硅，具体操作是将液态硅滴在温度为1250～1400℃的电池基板上，转动电池基板，待液态硅在电池基板上被甩开形成一层薄膜后，再在薄膜的上表面增加冷源，使薄膜凝固；
优选地，对n型晶硅进行硼扩散或对p型晶硅进行磷扩散之前，对n型晶硅或p型晶硅的表面进行制绒处理。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：形成第二pn结之前，先在晶硅pn结上形成具有硅浓度梯度的过渡层；
优选地，所述具有硅浓度梯度为硅与第二半导体的摩尔比由1:0逐步过渡到0:1。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：形成背面电极的步骤包括在电池基板背面蒸镀一层金属薄层。
技术总结