本發(fā)明涉及納米材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種通過(guò)飛秒激光脈沖刻蝕方法制備太陽(yáng)能電池表面減反射層以增強(qiáng)非晶硅薄膜太陽(yáng)能(a-SiTFSCs)電池性能的方法。
背景技術(shù)：
：目前環(huán)境污染和傳統(tǒng)能源(包括石油、煤和天然氣)短缺，成為限制世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩大難題。太陽(yáng)能電池作為一種可以把太陽(yáng)輻射光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中，既不需要消耗傳統(tǒng)能源，同時(shí)，也完全沒(méi)有環(huán)境污染物產(chǎn)生，是一種非常有前景的光電半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化器件。目前各國(guó)正在研究的太陽(yáng)能電池類型主要有硅基太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池、多元化合物太陽(yáng)能電池(如CdS/CdTe、Cu(In,Ga)Se2/CdS等)，以及有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池等。綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等性能，非晶硅太陽(yáng)能電池雖然轉(zhuǎn)換效率略低，但成本更低廉，因而成為更有發(fā)展前途的新型硅基太陽(yáng)能電池。目前情形，p-i-n結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池耗材更少，且光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高的特點(diǎn)，決定了它仍是薄膜太陽(yáng)能電池的主流。當(dāng)前，如何進(jìn)一步提高非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(η)仍是該領(lǐng)域亟待研究的問(wèn)題之一。到目前為止，通過(guò)硅基太陽(yáng)能電池硅膜表面“光俘獲”增強(qiáng)光吸收的方法，主要包括減反射吸收層絨面的制備、貴金屬納米粒子等離激元共振增強(qiáng)光吸收和金屬狹縫非局域等離激元增強(qiáng)光吸收等。制備減反射層絨面相對(duì)于等離激元增強(qiáng)薄膜電池表面光吸收而言，具有制作工藝簡(jiǎn)單成熟，性能相對(duì)穩(wěn)定，造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)。PythonM等人通過(guò)化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)的方法在微晶硅太陽(yáng)電池硅表面上形成“V型”和“U型”絨面結(jié)構(gòu)使電池的反向飽和電流有顯著增加，并且Voc(open-circuitvoltage，開(kāi)路電壓)和FF(fillfactor，填充因子)也有明顯提高。Sandeep等人通過(guò)高溫退火的方式，在半導(dǎo)體硅材料表面成功制備了“倒金字塔型”絨面結(jié)構(gòu)，使得硅表面光吸收性能得到顯著提升。然而，上述減反射層絨面制備方法，并不適應(yīng)于吸收層厚度僅為1-2μm的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。Maliheh等人采用納秒Nd:YAG激光脈沖輻照條件下，誘導(dǎo)拋光硅表面“樹(shù)突狀”光俘獲微納結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而達(dá)到減反射的目的。激光微納加工技術(shù)以其加工過(guò)程簡(jiǎn)單、制備精度高、以及精確操控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，日益受到人們關(guān)注。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，光電轉(zhuǎn)換性能提高顯著，且沒(méi)有任何污染物的飛秒激光刻蝕增強(qiáng)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池性能的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種飛秒激光刻蝕增強(qiáng)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池性能的方法，其具體步驟如下：將p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，固定于飛秒激光微納加工平臺(tái)，飛秒激光脈沖經(jīng)10倍物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射，聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上；設(shè)置飛秒激光脈沖能量密度為0.5J/cm2～1.25J/cm2和激光脈沖刻蝕周期間隔為8μm～30μm，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。進(jìn)一步的，飛秒激光微納加工平臺(tái)，移動(dòng)速率為1mm/s恒速移動(dòng)，平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm。進(jìn)一步的，飛秒激光脈沖能量密度(W)為0.75J/cm2；激光脈沖刻蝕周期間隔(T)為15μm。進(jìn)一步的，所述飛秒激光脈沖經(jīng)10倍物鏡的數(shù)值孔徑為0.25。進(jìn)一步的，所述p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備步驟如下：1.1、制備TCO層首先，通過(guò)射頻磁控濺射方法在玻璃基底一側(cè)濺射厚度為200nm由SnO2構(gòu)成的TCO層；1.2、制備p型非晶硅半導(dǎo)體通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在TCO層上面沉積厚度為600nm的p型非晶硅半導(dǎo)體；1.3、制備i型非晶硅半導(dǎo)體在p型非晶硅半導(dǎo)體層上面，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，沉積厚度為600nm的i型非晶硅半導(dǎo)體；1.4、制備n型非晶硅半導(dǎo)體在i型非晶硅半導(dǎo)體層上面，還是通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，沉積厚度為600nm的n型非晶硅半導(dǎo)體；1.5、制作鋁電極通過(guò)真空蒸鍍的方式，在制備的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池頂部，制作鋁電極，得到p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。進(jìn)一步的，制備TCO層時(shí)，將In2O3-SnO2陶瓷靶放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)內(nèi)，將清洗干凈的玻璃基底水平放置于襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室，進(jìn)行濺射鍍膜；其中，濺射腔的真空度為10-2Pa，通入純度為99.99％的氬氣作為反應(yīng)氣體，氬氣流速為15.3sccm，襯底溫度為300℃，濺射功率為600W，In2O3-SnO2陶瓷靶濺射電壓為-110V，濺射時(shí)間為20分鐘，沉積速率10nm/min。進(jìn)一步的，制備p型非晶硅半導(dǎo)體時(shí)，將表面沉積TCO導(dǎo)電層的玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室，進(jìn)行增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積；其中，反應(yīng)室真空度為10-5Pa，襯底溫度為250℃，向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4、B2H6和H2，SiH4、B2H6和H2的流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，沉積時(shí)氣壓控制在80Pa，射頻功率為160W，濺射時(shí)間為15分鐘，沉積速率40nm/min。進(jìn)一步的，制備i型非晶硅半導(dǎo)體時(shí)，將最上表面沉積p型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；其中，反應(yīng)室真空度為10-5Pa，襯底溫度為350℃，向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4和H2，SiH4和H2的流速分別為6sccm和24sccm，沉積時(shí)氣壓控制在80Pa，射頻功率為160W，濺射時(shí)間為15分鐘，沉積速率40nm/min。進(jìn)一步的，制備n型非晶硅半導(dǎo)體時(shí)，將最上表面沉積i型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；其中，反應(yīng)室真空度為10-5Pa，襯底溫度為300℃；通入SiH4、PH3和H2，SiH4、PH3和H2的流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，沉積時(shí)氣壓控制在80Pa，射頻功率為160W，濺射時(shí)間為15分鐘，沉積速率40nm/min。本發(fā)明的有益效果：1、極短的脈沖持續(xù)時(shí)間(10-15s)，使得飛秒激光脈沖與非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池相互作用過(guò)程中，基本上不需要考慮流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響。激光能量直接沉積在硅膜固體密度的趨膚層內(nèi)，使能量的吸收更為集中，大大降低了材料的燒蝕閾值。再加上光與物質(zhì)相互作用時(shí)間的縮短，熱傳導(dǎo)作用的熱效應(yīng)體積大大減少，當(dāng)激光能流密度被調(diào)整到等于或剛剛超過(guò)硅膜半導(dǎo)體材料的燒蝕閾值時(shí)，材料中的熱影響區(qū)實(shí)際上比聚焦會(huì)更小，這不僅極大的提高了加工的精度，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“冷”加工；2、基于飛秒激光微納加工技術(shù)加工精度高、熱效應(yīng)小和損傷閾值低的特點(diǎn)，以及聚焦飛秒激光脈沖附近具有超高電場(chǎng)強(qiáng)度，能夠誘導(dǎo)多光子吸收、離子化等非線性效應(yīng)；飛秒激光脈沖刻蝕非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池時(shí)，主要是以蒸發(fā)汽化的方式進(jìn)行，半導(dǎo)體材料熔化、液相流動(dòng)以及再凝結(jié)等過(guò)程的影響被大大減小，甚至可以忽略，使得表面絨化非晶硅太陽(yáng)能電池的表面更為平整和光滑，提高了微納加工過(guò)程的可控性和精密性；3、操作過(guò)程簡(jiǎn)單，全程自動(dòng)化，通過(guò)預(yù)先設(shè)定激光微納加工系統(tǒng)的刻蝕參數(shù)，激光脈沖能量和刻蝕周期間隔，在半導(dǎo)體材料表面，精確、靈活的誘導(dǎo)形成周期性微結(jié)構(gòu)；4、通過(guò)飛秒激光微納加工，制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池表面減反射層，光吸收增強(qiáng)效果明顯，得到的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14.9％，是未經(jīng)處理非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的2倍。附圖說(shuō)明圖1(a)是本發(fā)明制備的p-i-n非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)以及(b)飛秒激光刻蝕電池表面“凹槽”結(jié)構(gòu)SEM照片；圖2(a)-(f)是本發(fā)明(實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3)未經(jīng)飛秒激光刻蝕(0J/cm2)和不同激光脈沖能量刻蝕(0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM照片；圖3是本發(fā)明(對(duì)比例2)飛秒激光脈沖能量為2J/cm2時(shí)，a-SiTFSCs硅膜表面XRD圖譜；圖4是本發(fā)明(實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3)相同刻蝕周期間隔，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)a-SiTFSCs的I-V特性測(cè)試；圖5是本發(fā)明(實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3)a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕能量的變化關(guān)系；圖6是本發(fā)明(實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3)相同刻蝕周期間隔，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2)a-SiTFSCs的紫外-可見(jiàn)反射吸收譜；圖7是本發(fā)明(實(shí)施例4-實(shí)施例6、對(duì)比例4、對(duì)比例5)相同飛秒激光脈沖W，不同刻蝕周期T(5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)a-SiTFSCs的表面絨化SEM圖片；圖8是本發(fā)明(實(shí)施例4-實(shí)施例6、對(duì)比例4、對(duì)比例5)相同飛秒激光脈沖能量W，不同激光脈沖刻蝕周期T(0μm、5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)a-SiTFSCs的I-V特性測(cè)試；圖9是本發(fā)明(實(shí)施例4-實(shí)施例6、對(duì)比例4、對(duì)比例5)表面絨化a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕周期間隔的變化關(guān)系。具體實(shí)施方式本發(fā)明的飛秒激光微納加工平臺(tái)采用的激光器為商業(yè)化集成再生放大Ti:sapphire飛秒激光系統(tǒng)(CoherentInc.)，包括顯微鏡聚焦系統(tǒng)(Nikon，SonyInc.)和精密微加工平臺(tái)(PriorInc.)。飛秒激光經(jīng)OPA(光參量放大器)系統(tǒng)后，最終可以輸出脈沖FWHM(半值寬度)為120fs，中心波長(zhǎng)為800nm的脈沖序列，可調(diào)諧重復(fù)頻率1Hz～1kHz，峰值能量30J/cm2，光斑直徑約為6mm；飛秒激光脈沖刻蝕能量可通過(guò)調(diào)諧衰減片進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)0～30J/cm2連續(xù)輸出，所有飛秒激光微納加工試驗(yàn)均在千級(jí)凈化超凈環(huán)境中完成。實(shí)施例如圖2所示，飛秒激光脈沖絨面刻蝕周期T為一定值，改變飛秒激光脈沖能量W，制備非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池表面多孔微結(jié)構(gòu)減反射層方法如下：1.1、將非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池相同飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，不同激光脈沖能量W(0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。對(duì)比例11.1、制備TCO層首先，通過(guò)射頻磁控濺射方法，在玻璃基底上濺射厚度為200nm由SnO2構(gòu)成的TCO導(dǎo)電層，玻璃基底面積為1.5×1.5cm2；a.將In2O3-SnO2陶瓷靶放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)內(nèi)，清洗干凈的玻璃基底水平放置于襯底座中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過(guò)真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-2Pa，同時(shí)設(shè)置襯底溫度為300℃；c.向反應(yīng)室內(nèi)通入氬氣，氬氣流速為15.3sccm，壓力穩(wěn)定后打開(kāi)射頻系統(tǒng)，進(jìn)行輝光放電濺射，射頻功率為600W，In2O3-SnO2陶瓷靶濺射電壓為-110V，濺射時(shí)間為20分鐘，沉積速率10nm/min；d.TCO薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉氬氣氣路、射頻電源和加熱裝置，冷卻至室溫后，打開(kāi)反應(yīng)室取出；1.2、制備p型非晶硅半導(dǎo)體通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在TCO導(dǎo)電層上面沉積厚度約為600nm的p型非晶硅半導(dǎo)體；a.將表面沉積TCO導(dǎo)電層的玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過(guò)真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-5Pa，同時(shí)設(shè)置襯底溫度為250℃；c.打開(kāi)電磁截止閥向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4、B2H6和H2，其流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，氣壓穩(wěn)定為80Pa，打開(kāi)射頻系統(tǒng)進(jìn)行輝光放電濺射，射頻功率為160W，濺射時(shí)間為15分鐘，沉積速率40nm/min；d.薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiH4和B2H6氣路、射頻電源和加熱裝置，保持通H2直至冷卻至室溫后，然后關(guān)閉H2氣路，打開(kāi)反應(yīng)室取出；1.3、制備i型非晶硅半導(dǎo)體在p型非晶硅半導(dǎo)體層上面，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法，制備厚度約為600nm的i型非晶硅半導(dǎo)體；a.將最上表面沉積p型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過(guò)真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-5Pa，同時(shí)設(shè)置襯底溫度為350℃；c.打開(kāi)電磁截止閥向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4和H2，其流速分別為6sccm和24sccm，氣壓穩(wěn)定為80Pa，打開(kāi)射頻系統(tǒng)進(jìn)行輝光放電濺射，射頻功率為160W，濺射時(shí)間為15分鐘，沉積速率40nm/min；d.薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiH4氣路、射頻電源和加熱裝置，保持通H2直至冷卻至室溫后，然后關(guān)閉H2氣路，打開(kāi)反應(yīng)室取出；1.4、制備n型非晶硅半導(dǎo)體在i型非晶硅半導(dǎo)體層上面，還是通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法，沉積厚度約為600nm的n型非晶硅半導(dǎo)體；a.將最上表面沉積i型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過(guò)真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-5Pa，同時(shí)設(shè)置襯底溫度為300℃；c.打開(kāi)電磁截止閥向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4、PH3和H2，其流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，氣壓穩(wěn)定為80Pa，打開(kāi)射頻系統(tǒng)進(jìn)行輝光放電濺射，射頻功率為160W，濺射時(shí)間為15分鐘，沉積速率40nm/min；d.薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiH4和PH3氣路、射頻電源和加熱裝置，保持通H2直至冷卻至室溫后，然后關(guān)閉H2氣路，打開(kāi)反應(yīng)室取出；1.5、制作鋁電極通過(guò)真空蒸鍍的方式，在制備的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池頂部，制作鋁電極，得到p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。該非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池a-SiTFSCs表面SEM圖如圖2(a)所示。實(shí)施例11.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)0.5J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。該非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(c)所示。實(shí)施例21.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)0.75J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。該非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(d)所示，a-SiTFSCs表面絨化SEM圖如圖7(c)所示。實(shí)施例31.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)1.25J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。該非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(e)所示。對(duì)比例21.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)0.25J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。該非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(b)所示。對(duì)比例31.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)2J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。該非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(f)所示，a-SiTFSCs表面絨化SEM圖如圖12所示，a-SiTFSCs硅膜表面XRD圖譜如圖3所示。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3的表面絨化非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池I-V特性測(cè)試曲線，圖5是本發(fā)明實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3使用相同飛秒激光刻蝕周期T，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量W(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2)a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕能量的變化關(guān)系；圖6是本發(fā)明實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-對(duì)比例3使用相同飛秒激光刻蝕周期T，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量W(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池紫外-可見(jiàn)反射吸收譜。由圖2可以看出，隨著飛秒激光脈沖能量(W)的增加，由于a-SiTFSCs表面誘導(dǎo)形成多孔微結(jié)構(gòu)的孔徑逐漸增大，使得太陽(yáng)能電池n型非晶硅薄膜表面的反射光譜強(qiáng)度逐漸降低，從而非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的“光誘捕”能力逐漸增強(qiáng)。這充分驗(yàn)證了通過(guò)飛秒激光微納加工平臺(tái)，可以制備高效太陽(yáng)能電池表面減反射層。表1為本發(fā)明實(shí)施例1-實(shí)施例3、對(duì)比例1-3的相同飛秒激光脈沖刻蝕周期T，不同飛秒激光脈沖能量W(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池刻蝕處理前后的光電轉(zhuǎn)換效率；表1W(J/cm2)Jsc(mA/cm2)Voc(V)FFη(％)對(duì)比例100.510.870.188.0實(shí)施例10.50.650.930.2012.1實(shí)施例20.750.810.970.1914.9實(shí)施例31.250.710.950.1912.8對(duì)比例20.250.610.910.1810.0對(duì)比例3200--通過(guò)圖4和表1，可以清楚的觀察到，未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為8.0％；當(dāng)激光脈沖能量W增加為0.75J/cm2時(shí)，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值14.9％，近乎是未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的兩倍。這充分說(shuō)明，通過(guò)飛秒激光微納加工技術(shù)，能夠使非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的表面絨化，增強(qiáng)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池表面“光誘捕”能力，進(jìn)而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例制備非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池表面多孔微結(jié)構(gòu)減反射層方法如下：1.1、將非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池相同飛秒激光脈沖能量W為0.75J/cm2，不同飛秒激光脈沖刻蝕周期T(5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。如圖7所示，飛秒激光脈沖能量(W)為一定值，改變飛秒激光脈沖刻蝕周期T的的表面絨化SEM圖。實(shí)施例41.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為8μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。實(shí)施例51.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為15μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。實(shí)施例61.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為30μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。對(duì)比例41.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為5μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。對(duì)比例51.1、將對(duì)比例1制備的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺(tái)上平臺(tái)電機(jī)步進(jìn)精度為0.1μm，太陽(yáng)能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過(guò)計(jì)算機(jī)終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺(tái)豎直方向恒速移動(dòng)，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時(shí)設(shè)置非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為50μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型非晶硅膜表面上進(jìn)行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。圖8為本發(fā)明實(shí)施例4-實(shí)施例6、對(duì)比例4、對(duì)比例5的表面絨化非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池I-V特性測(cè)試曲線，圖9是實(shí)施例4-實(shí)施例6、對(duì)比例4、對(duì)比例5的表面絨化a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕周期間隔的變化關(guān)系。表2為實(shí)施例4-實(shí)施例6、對(duì)比例4、對(duì)比例5的相同飛秒激光脈沖能量W，不同飛秒激光脈沖刻蝕周期T(5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池刻蝕處理前后的光電轉(zhuǎn)換效率；表2T(μm)Jsc(mA/cm2)Voc(V)FFη(％)對(duì)比例100.510.870.188.0實(shí)施例180.690.910.1811.3實(shí)施例2150.810.970.1914.9實(shí)施例3300.630.890.1810.1對(duì)比例450.460.850.187.0對(duì)比例5500.560.870.188.8通過(guò)圖8和表2可以清楚的觀察到，未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為8.0％；經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，與飛秒激光脈沖刻蝕周期T的變化仍是呈非線性關(guān)系；當(dāng)飛秒激光脈沖刻蝕周期T為5μm時(shí)，太陽(yáng)能電池具有最小的轉(zhuǎn)換效率為7.0％，甚至小于未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)激光脈沖刻蝕周期T繼續(xù)增大時(shí)，表面絨化處理非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率逐漸增大；當(dāng)激光脈沖刻蝕周期T增大至15μm時(shí)，表面絨化處理非晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值14.9％；隨著飛秒激光脈沖刻蝕周期T的繼續(xù)增大，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率反而降低，最終，當(dāng)飛秒激光脈沖刻蝕周期T增大至50μm時(shí)，表面絨化處理非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低至8.8％。本發(fā)明利用飛秒激光微納加工技術(shù)，在非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池n型硅膜表面進(jìn)行“絨化”刻蝕處理，在掃描區(qū)域形成的“凹槽”結(jié)構(gòu)內(nèi)，誘導(dǎo)納米級(jí)的晶態(tài)多孔微結(jié)構(gòu)形成，這樣納米小孔的出現(xiàn)，能夠依賴入射光的衍射效應(yīng)，加強(qiáng)光量子在孔內(nèi)的振蕩，進(jìn)而增加入射光在電池內(nèi)部的光程，增大光與半導(dǎo)體的接觸機(jī)率，提高非晶硅太陽(yáng)能電池的“光俘獲”能力，因此，飛秒激光脈沖非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池表面絨化，對(duì)提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率是有益的。研究表明，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)和激光脈沖能量(W)的選取，對(duì)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓、短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率特性有直接影響；當(dāng)飛秒激光脈沖刻蝕周期間距為15μm，脈沖能量為0.75J/cm2時(shí)，太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14.9％，是未經(jīng)激光刻蝕處理非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的2倍。以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3