一種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，利用微米尺度周期結(jié)構(gòu)作為電池陷光部分，或微米尺度周期結(jié)構(gòu)與絨面織構(gòu)共同做為電池陷光部分。陷光結(jié)構(gòu)制備在襯底材料上，薄膜電池可直接沉積在陷光襯底上，也可把陷光玻璃片覆蓋在電池上，可有效提高電池的陷光能力，從而提高光子吸收，增加薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率。光電效率測試表明，本陷光技術(shù)可使雙結(jié)非晶硅/微晶硅電池相對效率提高9.95%。本發(fā)明與現(xiàn)有薄膜電池制備技術(shù)兼容，不改變工藝參數(shù)情況下有效提高薄膜電池效率，并適合大面積量產(chǎn)。
【專利說明】—種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納加工、能源技術(shù)和光電子器件領(lǐng)域，具體地說，涉及的是一種硅基薄膜太陽電池陷光技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人類對能源的需求量持續(xù)增加，傳統(tǒng)的化石能源日益枯竭，與此同時，因化石能源而產(chǎn)生的大量廢氣使我們的居住環(huán)境不斷惡化。為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染，必須開發(fā)利用可再生且清潔無污染的新能源，走可持續(xù)發(fā)展道路，以確保人類穩(wěn)定、持久的能源供應(yīng)。太陽通過氫核聚變，源源不斷向外輻射能量。每秒鐘照射到地球的能量相當(dāng)于燃燒500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的熱量。對地球來說，太陽能是取之不盡，用之不竭的能源。太陽能電池吸收陽光，可以把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，沒有污染也沒有噪音，因此被視作綠色能源之一。
[0003]從所用材料多少和制備工藝來說，太陽能電池通?？煞譃轶w硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。由于體硅電池具有效率高、工藝成熟等優(yōu)點，長久以來一直在太陽能電池市場占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，體硅電池也有自身的發(fā)展瓶頸，首先是硅原料消耗過大，導(dǎo)致電池價格居高不下；其次是電池制備需要高溫，所耗能量回收周期長。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，薄膜太陽能電池占據(jù)越來越重要的地位。
[0004]相比傳統(tǒng)的體硅太陽能電池，薄膜太陽能電池具有成本低、工藝簡單及能耗少等優(yōu)點(Vivian E.Ferry, MarcA.Verschuuren, “Light trapping in ultrathin plasmonicsolar cells”，OPTICS EXPRESS, 2010)。目前已經(jīng)能進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有3種:硅基薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池(CIGS)、碲化鎘薄膜太陽能電池(C d T e )。硅基薄膜太陽能電池一般選用多晶硅、微晶硅或非晶硅為原料，通過P VD、CVD、E⑶等方法沉積在玻璃、金屬或塑料襯底上。薄膜太陽能電池吸收層厚度一般在幾百納米到幾個微米，在這樣小的厚度內(nèi)，入射光很難被充分吸收，因此，薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率要比體硅電池低得多。為了提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，需要采用陷光技術(shù)(ErikGarnett and Peidong Yang, “Light Trapping in Silicon Nanowire SolarCells”，NANO LETTERS, 2010)。所謂陷光技術(shù)，就是在電池上制備納米或微米尺度的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)時，光束會發(fā)生散射。散射光以較大的入射角進(jìn)入薄膜電池的吸收層，由于吸收層材料的折射系數(shù)通常比周圍材質(zhì)的折射率要高，大角散射的光束在吸收層中易于發(fā)生全反射。全反射光束在吸收層中來回振蕩，直至被吸收層吸收生成光生載流子。這樣，通過陷光技術(shù)，可以有效提高薄膜太陽能電池的光吸收，從而提高電池的轉(zhuǎn)化效率。
[0005]常見的陷光技術(shù)有兩種。首先是絨面織構(gòu)(Olindo Isabella, Janez Krc,, andMiro Zeman, “Modulated surface textures for enhanced light trapping in thin-filmsilicon solar cells”，APPLIED PHYSICS LETTERS, 2010)，通過在薄膜電池中制作絨面層來散射入射光束。通常絨面織構(gòu)制作在透明導(dǎo)電層，一般通過濺射和酸蝕技術(shù)來制絨。絨面的粗糙度決定了對入射光的散射能力，即陷光能力。絨面織構(gòu)的缺陷在于其織構(gòu)尺寸一般在納米數(shù)量級，這就決定了其對短波的散射能力很強(qiáng)，而對長波散射作用弱甚至不起作用；另一種陷光技術(shù)則是通過規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)(Angelo Bozzola, MarcoLiscidini, Lucio Claudio Andreani, “Photonic light-trapping versus Lambertianlimits in thin film silicon solar cells withlD and2D periodic patterns，，, OPTICSEXPRESS, 2012)。常見的幾何結(jié)構(gòu)有矩形、三角形、球形等，結(jié)構(gòu)呈周期陣列，類似光子晶體和衍射光柵。幾何結(jié)構(gòu)的形狀、周期及排布的陣列都能影響陷光效果。相比絨面織構(gòu)，幾何結(jié)構(gòu)更容易制備和控制，通過對幾何結(jié)構(gòu)的周期等優(yōu)化設(shè)計，可有效提高薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率。
[0006]目前的薄膜太陽能電池，不管是采用絨面織構(gòu)還是幾何結(jié)構(gòu)陷光，其陷光結(jié)構(gòu)尺寸大多在幾十到幾百個納米之間。納米尺度的結(jié)構(gòu)不但制備成本昂貴，而且對長波段光子不敏感。這就要求研究更大尺度的陷光結(jié)構(gòu)，如微米量級的陷光結(jié)構(gòu)，在提高電池長波段光吸收率同時簡化制備工藝。
[0007]本 申請人:之前申請的一份發(fā)明專利:“一種薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)玻璃的制備及其應(yīng)用”，申請?zhí)?201310039891.7，申請日:2013-02_01，該發(fā)明公開了一種陷光玻璃片的制備工藝，并提出可在陷光玻璃片的陷光面沉積薄膜電池，但在陷光面沉積電池有兩個不足:首先，傳統(tǒng)的薄膜電池都是沉積在平板面，在陷光結(jié)構(gòu)上沉積電池需要重新摸索工藝參數(shù);第二，由于陷光結(jié)構(gòu)的存在，沉積的薄膜層易刺穿變廢品，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上，提出把電池沉積在陷光玻璃的拋光面，這樣既可不改變傳統(tǒng)的電池制備工藝，又能降廢品率，實驗測量也表明，此種方法可有效提高薄膜電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是采用新型陷光技術(shù)制備高效薄膜太陽電池，在提高電池效率的同時降低生產(chǎn)成本。
[0009]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明提供一種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，具體為:
[0011]第一步，利用微米尺度周期結(jié)構(gòu)作為電池陷光部分，或微米尺度周期結(jié)構(gòu)與絨面織構(gòu)共同做為電池陷光結(jié)構(gòu)；
[0012]第二步，將所述陷光結(jié)構(gòu)制備在襯底上，然后薄膜電池直接沉積在陷光襯底上即電池沉積在陷光襯底的拋光面；或者進(jìn)一步將陷光襯底覆蓋在電池上，陷光結(jié)構(gòu)和電池中的絨面織構(gòu)共同起陷光作用，絨面織構(gòu)對短波作用強(qiáng)，陷光襯底對長波陷光作用強(qiáng)，二者互補(bǔ)，有效提聞薄月旲電池的光吸收。
[0013]所述陷光結(jié)構(gòu)是周期排列的幾何圖形，尺寸在I μ m—10 μ m微米左右，常用于陷光的幾何結(jié)構(gòu)有矩形、三角形及球形等，優(yōu)選為球狀或凹坑狀結(jié)構(gòu)。一般在平板玻璃上制備幾何結(jié)構(gòu)，但不局限于玻璃，塑料、金屬等也可作為襯底。
[0014]進(jìn)一步的，所述方法具體包括如下步驟:
[0015](a)陷光結(jié)構(gòu)制備:該工藝經(jīng)過3次圖形轉(zhuǎn)移。選用太陽能級平板玻璃，首先通過光刻和顯影，將模板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠中，之后通過去鉻溶液，將圖形轉(zhuǎn)移到鉻層中，最后通過刻蝕，在平板玻璃上得到微米尺度幾何結(jié)構(gòu)?？涛g包括濕法刻蝕和干法刻蝕。
[0016](b)薄膜電池沉積:把上述制備的陷光玻璃片作為襯底，首先沉積一層TC0，作為電池的前電極，然后沉積P-1-n，再沉積一層AZO，作為緩沖層，最后沉積鋁，作為電池的背電極。
[0017]所述薄膜電池沉積，其中:電池可以是單結(jié)的，也可以是雙結(jié)的。對單結(jié)電池，材料可選用多晶硅、微晶硅或非晶硅；而雙結(jié)電池一般選用非晶硅作為頂層電池，多晶硅或微晶硅作為底部電池。陷光玻璃片既可作為超襯底，對入射光束起散射作用，也可在底部，作為電池的背散射層。
[0018]所述單結(jié)和雙結(jié)電池，其具體參數(shù)如下:對單結(jié)電池，非晶硅構(gòu)成的p-1-n結(jié)構(gòu)最
優(yōu)化值是250-300nm ;對雙結(jié)電池,頂層非晶娃結(jié)構(gòu)一樣,底部微晶娃構(gòu)成的p_i_n結(jié)構(gòu)
最優(yōu)化值是1.5——2.5um。
[0019]本發(fā)明的核心是采用微米量級周期結(jié)構(gòu)作為薄膜太陽能電池的陷光部分，其優(yōu)勢首先在于微米尺度陷光結(jié)構(gòu)更容易制備，且制備成本更低，第二微米尺度陷光結(jié)構(gòu)對長波有更強(qiáng)的散射和衍射能力，可有效提高近紅外和紅外光子吸收；在此基礎(chǔ)上，把電池沉積在襯底的拋光面，這樣既可不改變傳統(tǒng)的電池制備工藝，又能降廢品率，實驗測量也表明，此種方法可有效提高薄膜電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明通過在具有微米尺度陷光結(jié)構(gòu)的襯底上沉積薄膜電池，或者把陷光襯底覆蓋在薄膜電池上，可有效提高電池的陷光能力，從而提高光子吸收，增加薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率。光電效率測試表明，本陷光技術(shù)可使雙結(jié)非晶硅/微晶硅電池相對效率提高9.95%。本發(fā)明與現(xiàn)有薄膜電池制備技術(shù)兼容，不改變工藝參數(shù)情況下有效提高薄膜電池效率,并適合大面積量產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0023]圖1陷光玻璃為襯底制備高效薄膜電池示意圖。
[0024]圖2陷光玻璃片SEM圖。
[0025]圖3薄膜電池I——V曲線測試圖。
[0026]圖中:1.陷光玻璃2.透明電極3.電池結(jié)構(gòu)4.緩沖層5.金屬背電極6.入射光?！揪唧w實施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]實施例1 (單結(jié)電池制備)
[0029]1.通過光刻、顯影及刻蝕等工藝，在適用于太陽能電池的平板玻璃上制備尺寸10 μ m，周期排列的半球凹坑結(jié)構(gòu)，作為薄膜太陽能電池的陷光結(jié)構(gòu)。
[0030]2.把步驟I中制備陷光結(jié)構(gòu)玻璃作為襯底，在其上沉積0.3μπι TC0，作為前電極。
[0031]3.沉積0.3μπι a-Si，作為電池的p-1-n結(jié)構(gòu)。[0032]4.沉積0.1 μ m AZO作為背面電極及過渡層。
[0033]5.最后0.3μπι Ag作為背面反射層，得到單結(jié)高效陷光薄膜太陽能電池，其示意圖如圖1所示。
[0034]實施例2 (雙結(jié)電池制備)
[0035]1.在實施例1步驟I——4基礎(chǔ)上，再沉積2 μ m微晶娃，作為底部電池的p_i_n結(jié)構(gòu)。
[0036]2.沉積0.1 μ m AZO作為背面電極及過渡層。
[0037]3.最后0.3μπι Ag作為背面反射層，得到雙結(jié)高效陷光薄膜太陽能電池。
[0038]實施例3 (陷光結(jié)構(gòu)覆蓋薄膜電池)
[0039]1.按實施例1步驟I所示方法，制備尺寸10 μ m和尺寸2 μ m陷光玻璃片各一塊。
[0040]2.按實例I步驟I——3制備薄膜電池。
[0041 ] 3.1Oym陷光玻璃片覆蓋在電池表面，起抗反射作用，2 μ m陷光玻璃片覆蓋電池底部，可有效提高紅外及近紅外光子吸收率。
[0042]在上述實施中，首先制備微米尺度的陷光玻璃片，然后以陷光玻璃片為襯底沉積薄膜電池，或者把陷光玻璃片覆蓋在薄膜電池上，即可有效提高薄膜電池的光吸收，從而提高電池效率。陷光玻璃片做為薄膜電池襯底，沉積時，在陷光玻璃拋光面依次沉積電池每層結(jié)構(gòu)，陷光結(jié)構(gòu)面作為太陽光入射面，如圖1所示。由于電池是沉積在陷光玻璃拋光面，與現(xiàn)有薄膜電池制備技術(shù)相同，因此工藝參數(shù)可與一般電池制備工藝保持一致。周期結(jié)構(gòu)通常為球狀或凹坑狀，周期1-10微米左右。除玻璃襯底外，陷光結(jié)構(gòu)也可以制備在塑料等其他襯底上。
[0043]在實施例中，陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和制備工藝是其中關(guān)鍵。首先需要設(shè)計合適的幾何結(jié)構(gòu)和周期，設(shè)計時，既要考慮結(jié)構(gòu)的陷光能力，又要考慮工藝制備的難易程度。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，選用10微米的半球凹坑作為陷光結(jié)構(gòu)，凹坑結(jié)構(gòu)呈周期緊密排列，如圖2所示。選用薄膜太陽能級石英玻璃和相應(yīng)尺度的模板，經(jīng)光刻、顯影及刻蝕等工藝，即可在平板玻璃上得到緊密排列的半球凹坑結(jié)構(gòu)。
[0044]進(jìn)一步將上述陷光結(jié)構(gòu)具體到高效薄膜太陽能電池，可把陷光玻璃片作為襯底，首先沉積一層TC0，作為電池的前電極，再分別沉積p-1-n層，然后沉積一層AZO作為緩沖層，最后沉積一層鋁或銀，作為電池的背電極；或者把陷光玻璃片作為電池的封裝材料，與薄膜電池中的絨面織構(gòu)一起實現(xiàn)陷光作用。
[0045]為表征陷光玻璃片對硅基薄膜電池光電轉(zhuǎn)化效率改善能力，做如下2組測試:選一塊雙結(jié)非晶硅/微晶硅疊層電池作為測試樣品，一塊結(jié)構(gòu)周期為10微米的陷光玻璃。首先測試電池樣品，轉(zhuǎn)化效率為8.795% ;然后在電池的入光面放置陷光玻璃片，轉(zhuǎn)化效率為9.670%。測試結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，對非晶硅/微晶硅疊層電池，陷光玻璃片能有效提高其光電轉(zhuǎn)化效率，相比原來電池樣品，放置陷光玻璃片后，雙結(jié)薄膜電池相對效率提高了 9.95%。
[0046]以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種用于娃基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于: 第一步，利用微米尺度周期結(jié)構(gòu)作為電池陷光部分，或微米尺度周期結(jié)構(gòu)與絨面織構(gòu)共同做為電池陷光結(jié)構(gòu)； 第二步，將所述電池陷光結(jié)構(gòu)制備在襯底上，然后薄膜電池直接沉積在陷光襯底上即電池沉積在陷光襯底的拋光面；或者進(jìn)一步將陷光襯底覆蓋在電池上，陷光結(jié)構(gòu)和電池中的絨面織構(gòu)共同起陷光作用，絨面織構(gòu)對短波作用強(qiáng)，陷光襯底對長波陷光作用強(qiáng)，二者互補(bǔ)，有效提聞薄月旲電池的光吸收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于，所述陷光結(jié)構(gòu)是周期排列的幾何圖形，尺寸在I μ m—10 μ m，所述襯底材料為玻璃、塑料或金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于，所述周期排列的幾何圖形為球狀或凹坑狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于，所述周期排列的幾何圖形為10微米的半球凹坑結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于硅基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于，所述方法具體包括如下步驟: Ca)陷光結(jié)構(gòu)制備:該工藝經(jīng)過3次圖形轉(zhuǎn)移，選用太陽能級平板玻璃作為襯底，首先通過光刻和顯影，將模板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠中，之后通過去鉻溶液，將圖形轉(zhuǎn)移到鉻層中，最后通過刻蝕，在平板玻璃上得到微米尺度幾何結(jié)構(gòu)，得到陷光玻璃片； (b)薄膜電池沉積:把上述制備的陷光玻璃片作為襯底，首先沉積一層TCO，作為電池的前電極，然后沉積p-1-n，再沉積一層AZO，作為緩沖層，最后沉積鋁，作為電池的背電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的一種用于娃基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于，所述電池是單結(jié)的，或是雙結(jié)的，對單結(jié)電池，材料選用多晶硅、微晶硅或非晶娃；而雙結(jié)電池選用非晶娃作為頂層電池，多晶娃或微晶娃作為底部電池；陷光玻璃片作為超襯底，對入射光束起散射作用，或在底部，作為電池的背散射層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于娃基薄膜太陽電池的微結(jié)構(gòu)陷光方法，其特征在于，所述單結(jié)和雙結(jié)電池，其具體參數(shù)如下:對單結(jié)電池，非晶硅構(gòu)成的P-1-n結(jié)構(gòu)最優(yōu)化值是250—300nm ;對雙結(jié)電池,頂層非晶娃結(jié)構(gòu)一樣,底部微晶娃構(gòu)成的p_i_n結(jié)構(gòu)最優(yōu)化值是 1.5—2.5 μ mo
【文檔編號】H01L31/20GK103633193SQ201310544960
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】王慶康, 沈向前, 王陽培華, 黃堃, 嚴(yán)興茂 申請人:上海交通大學(xué)