本發(fā)明涉及新型清潔能源和微納光子領(lǐng)域，具體涉及了一種太陽(yáng)能電池的復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的光伏電池為晶體硅電池。它具有工藝成熟、性能穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，商業(yè)生產(chǎn)的組件效率目前已超過(guò)19%，電池片的最高效率也已經(jīng)達(dá)到25.6%。盡管經(jīng)過(guò)多年的努力，電池的生產(chǎn)成本已經(jīng)大幅下降，但是仍超過(guò)傳統(tǒng)煤電成本。為了進(jìn)一步降低成本，電池發(fā)展到第二代，即薄膜硅電池。

薄膜硅太陽(yáng)能電池由于光損失較大，轉(zhuǎn)換效率降低。目前，采用陷光結(jié)構(gòu)是解決光學(xué)損失的有效方法之一。陷光結(jié)構(gòu)就是在太陽(yáng)能電池的表面做出一些特殊的結(jié)構(gòu)，這可以增加太陽(yáng)光的吸收率。

現(xiàn)在國(guó)際上所研究的用于薄膜硅太陽(yáng)能電池的陷光結(jié)構(gòu)可以分為兩種：隨機(jī)表面透明導(dǎo)電玻璃和倒金字塔周期性結(jié)構(gòu)。

隨機(jī)表面陷光結(jié)構(gòu)雖然其工藝簡(jiǎn)單，成本低，可以延長(zhǎng)在吸收層中的光程，但對(duì)光增強(qiáng)吸收能力較差。

倒金字塔納米結(jié)構(gòu)是一種周期結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化周期結(jié)構(gòu)，可以很好的得到光譜與角譜響應(yīng)都較好的光吸收效果。但該種結(jié)構(gòu)有局限性，一是只能適用于單晶硅電池，二是通常采用深紫外光刻的方法獲得，因而制備成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)缺點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)，理論上比倒金字塔結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的性能，并且該結(jié)構(gòu)可以低成本地制備到大面積硅片上。不僅是單晶硅，多晶硅與非晶硅也可以使用此結(jié)構(gòu)。

為了提高對(duì)不同波段光的吸收率，本結(jié)構(gòu)的每個(gè)周期中都存在著四個(gè)不同的曲面，這樣就能將整個(gè)太陽(yáng)光波段的吸收率全面提高。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于薄膜太陽(yáng)能電池的陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于，其結(jié)構(gòu)表面具有周期性的復(fù)合曲面，且在曲面上覆蓋有一層鈍化膜。

除最外側(cè)的曲面以外，每個(gè)曲面與其最相近的8個(gè)同樣的曲面之間又間隔著3組曲面（x方向的兩個(gè)為一組，y方向的兩個(gè)為一組，傾斜方向的4個(gè)為一組），這三組曲面互相不同，任意兩個(gè)相鄰曲面之間在各自的最低點(diǎn)平順地互相連接。

而且，本發(fā)明復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)的制備方法的特征在于，該復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)的制造方法具有以下工序：

使用干涉方法制造表面具有復(fù)合曲面的陷光結(jié)構(gòu)的工序，以及，

在上述復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)上形成鈍化層的工序。

在在制備陷光結(jié)構(gòu)所需要的抗蝕劑掩膜中，除最外側(cè)的曲面以外，每個(gè)曲面與其最相近的8個(gè)同樣的曲面之間又間隔著3組曲面（x方向的兩個(gè)為一組，y方向的兩個(gè)為一組，傾斜方向的4個(gè)為一組），這三組曲面互相不同，任意兩個(gè)相鄰曲面之間在各自的最低點(diǎn)平順地互相連接。

該結(jié)構(gòu)置于電池的迎光面，用于減少表面光的反射率，并且增加光在太陽(yáng)能電池內(nèi)部的光程，從而增加電池的短路電流密度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)良性質(zhì)：

一、該結(jié)構(gòu)由多個(gè)曲面復(fù)合而成，能增強(qiáng)多個(gè)波段光的吸收率，整體提高太陽(yáng)能電池的吸收率。

二、該結(jié)構(gòu)的曲面連接十分平順，有效避免的由于尖銳面而導(dǎo)致的對(duì)某一個(gè)角度的反射率增強(qiáng)。

三、本發(fā)明提出的制備復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)方法為多步干涉方法，可以制備大面積（大于1m²）上的均勻性好的陷光結(jié)構(gòu)，這是之前的方法達(dá)不到的。

四、該結(jié)構(gòu)不依賴于材料本身的性質(zhì)，因此可以制備于各種材料之上。

附圖說(shuō)明

圖1為復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池示意圖。

圖2為結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)。

圖3為結(jié)構(gòu)的角度譜響應(yīng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述：

該結(jié)構(gòu)的具體形貌如圖1所示，除最外側(cè)的曲面以外，每個(gè)曲面與其最相近的8個(gè)同樣的曲面之間又間隔著3組曲面（x方向的兩個(gè)為一組，y方向的兩個(gè)為一組，傾斜方向的4個(gè)為一組），這三組曲面互相不同，任意兩個(gè)相鄰曲面之間在各自的最低點(diǎn)平順地互相連接。

本發(fā)明制備陷光結(jié)構(gòu)的步驟為：

步驟一，利用四步干涉的方法在抗蝕劑上制備出復(fù)合曲面掩膜。

步驟二，利用化學(xué)或物理方法將抗蝕劑上的圖案?jìng)鬟f到作為基底的硅片表面，包括但不限于反應(yīng)離子刻蝕方法、等離子體刻蝕方法。

步驟三，洗去殘余的反應(yīng)物，得到太陽(yáng)能電池上的復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)。

步驟四，通過(guò)真空濺射成膜等方法在復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層鈍化膜。

下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例中，需要制備出的結(jié)構(gòu)周期為1μm，結(jié)構(gòu)內(nèi)每個(gè)曲面大小為500nm*500nm,結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高度差為300nm，采用硅作為基底。

利用旋轉(zhuǎn)涂覆法在硅基底的上表面均勻涂覆一層az6112抗蝕劑薄膜，在該抗蝕劑膜上曝光四次之后，使抗蝕劑顯影而制作出復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)的掩膜。此步驟中制作干涉條紋的光源為波長(zhǎng)405nm的半導(dǎo)體激光器，第一次與第二次干涉方向垂直且干涉夾角都為23.4°，第三次與第四次干涉方向垂直且干涉夾角都為47.8°，其中第一次與第三次干涉方向相同。

利用等離子體刻蝕的方法，將抗蝕劑掩膜上的圖案成比例地打入硅基底表面，最終在硅表面形成與掩膜一樣的復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)。

在硅陷光結(jié)構(gòu)上形成鈍化膜而消除表面懸掛鍵。鈍化膜是利用真空濺射法成膜的氮化硅薄膜，厚度為30nm。

最后將此結(jié)構(gòu)形成在1μm晶硅電池上。

附圖2，3為擁有該復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)的電池相對(duì)比其他結(jié)構(gòu)的電池的光譜與角譜響應(yīng)對(duì)比。

由附圖2可以看出，在光譜響應(yīng)方面，三種結(jié)構(gòu)都有陷光功能，金字塔與余弦結(jié)構(gòu)的響應(yīng)取消比較相似，而我們復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)優(yōu)于金字塔結(jié)構(gòu)與單余弦結(jié)構(gòu)，尤其是在700到900nm波段，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他兩個(gè)結(jié)構(gòu)，這可以大大增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的近紅外吸收。這三種結(jié)構(gòu)的吸收增強(qiáng)系數(shù)分別為：復(fù)合曲面31.94，金字塔11.70，單余弦12.89。

由附圖3可以看出，在角譜方面，復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)在全角度明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，且在65°入射之內(nèi)其短路電流密度都有較好表現(xiàn)，隨角度降低率不到5%。即使入射角達(dá)到80°，復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)的短路電流密度依然能保持20ma/cm²以上，這可以減少太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的使用，進(jìn)而減少太陽(yáng)能發(fā)電的成本。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種提升薄膜硅太陽(yáng)能電池效率的復(fù)合曲面陷光結(jié)構(gòu)，整體為周期單元陷光結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)單元由復(fù)合曲面構(gòu)成，在單元陷光結(jié)構(gòu)之上覆蓋著一層透明鈍化膜。除最外側(cè)的曲面以外，每個(gè)曲面與其最相近的8個(gè)同樣的曲面之間又間隔著3組曲面（x方向的兩個(gè)為一組，y方向的兩個(gè)為一組，傾斜方向的4個(gè)為一組），這三組曲面互相不同，任意兩個(gè)相鄰曲面之間在各自的最低點(diǎn)平順地互相連接，以避免尖銳面導(dǎo)致的對(duì)某個(gè)角度的強(qiáng)反射。如圖，標(biāo)記為1的曲面是一組，標(biāo)記為2的曲面是一組，標(biāo)記為3的曲面是一組，標(biāo)記為4的曲面是一組，各組曲面都有同樣的周期而又復(fù)合在一起。本發(fā)明提出的這種結(jié)構(gòu)易于加工，而且具有角譜范圍大和光譜吸收高的特點(diǎn)，有利于提高薄膜硅電池的吸光效率。

技術(shù)研發(fā)人員：郭小偉;徐文龍;王大帥;李紹榮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.23
技術(shù)公布日：2017.09.05