本發(fā)明涉及一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及光伏器件、微納加工。

背景技術(shù)：

1、硅作為太陽能電池的主要材料，卻具有36％的反射率，較高的反射率降低了電池對太陽光的利用率。為提高電池對光的吸收，陷光結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。傳統(tǒng)制備陷光結(jié)構(gòu)的技術(shù)包括表面制絨技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、光子晶體技術(shù)等，通過在電池表面形成納米線，納米球等納米結(jié)構(gòu)來增加入射光的散射，讓更多的光耦合進電池，從而增加太陽能電池對入射光的吸收。太陽能電池表面的納米結(jié)構(gòu)可以減少太陽光的反射，增加入射光的光程，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率和短路電流密度等光電性能。

2、對于硅基薄膜電池來講，陷光是指讓更多的入射光進入電池內(nèi)部而被光響應(yīng)層有效利用而轉(zhuǎn)換成電子。陷光技術(shù)主要作用于三方面：第一，減少表面反射，讓更多的光子進入太陽電池內(nèi)的半導(dǎo)體光響應(yīng)層；第二，增加內(nèi)部吸收，其意義在于讓進入電池的光子能夠更加有效地被吸收，減少光子的逃逸；第三，光譜轉(zhuǎn)化，旨在將半導(dǎo)體材料響應(yīng)較差的光子轉(zhuǎn)化成響應(yīng)更好的光子，擴展吸收光譜寬度，提高全光譜的利用率。陷光技術(shù)不僅可以改善薄膜電池對全光譜光子的吸收率，提高光電轉(zhuǎn)換效率，還可進一步地減小光伏器件中響應(yīng)層厚度，為降低成本提供更多可能。郭小偉等人于2016年公開的一種陷光結(jié)構(gòu)和其制作方法以及應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池(中國專利：201510815200.7)提供一種具有二維直角四棱錐形陷光硅層的陷光結(jié)構(gòu)和其制作方法以及應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池，來增強寬光譜吸收效率；劉俊星等人于2023年公開的一種利用雙層金屬超材料的新型薄膜太陽能電池(中國專利：202321213444.4)利用兩層二維納米光柵結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄膜薄膜形成界面接觸，形成陷光結(jié)構(gòu)，減少出射面的透射，最大限度的將入射光限制在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄膜內(nèi)；李躍龍等人于2024年公開的一種三維陷光電極背接觸太陽能電池(中國專利：202410247198.7)將背接觸太陽能電池的平面電極設(shè)計成三維陷光結(jié)構(gòu)，改進后的三維陷光電極在避免遮光損耗的同時顯著提升整體的光電轉(zhuǎn)換效率。上述陷光技術(shù)都提升了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，但目前仍沒有探討將硅基薄膜太陽能電池材料依次沉積在陷光結(jié)構(gòu)表面，使硅基薄膜太陽能電池的表面陷光結(jié)構(gòu)與內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)同時作用，這就限制了陷光技術(shù)提升硅基薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的更多可能性。

3、本發(fā)明公開了一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。該發(fā)明以紋理玻璃為襯底，將薄膜太陽能電池材料依次沉積在所述紋理玻璃底面構(gòu)筑出一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。與在先技術(shù)相比，表面陷光結(jié)構(gòu)能夠使入射光在其凹陷結(jié)構(gòu)中多次反射，內(nèi)部的紋理結(jié)構(gòu)將進一步“捕獲”入射光于有源層中，增加光有效吸收面積、優(yōu)化光的散射提高電池對光的捕獲能力，并增大載流子傳輸層面積、縮短電荷傳輸距離降低電荷復(fù)合率，從而提升整體的光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。

2、本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

3、一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，它由前電極層2、非晶硅層3、空穴傳輸層4、背電極層5依次沉積在制備好的紋理結(jié)構(gòu)玻璃1的下表面組成。在受到太陽光6照射時，紋理結(jié)構(gòu)玻璃1為較高的抗反射結(jié)構(gòu)，減少入射光在電池表面的反射，讓更多的太陽光耦合進電池從而提高太陽能電池的總體光吸收量，從而為活化層提供更多的入射光子，前電極層2為銦錫氧化物，作為電池的前觸點收集電子。然后，非晶硅層3通過產(chǎn)生電子-空穴對來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，作為整個器件的主要光吸收層；空穴傳輸層4用以阻止電子的通過；背電極層5阻止未被充分利用的長波長的光透過電池，為增加太陽光的利用率，背反射層將溢出的光反射回非晶硅層3來增加太陽能電池的吸收。在此過程中，入射太陽光6先通過頂部的陷光結(jié)構(gòu)發(fā)生散射，不再沿著原來與平面垂直的方向傳播，光程被延長。然后接觸到凹陷結(jié)構(gòu)前電極層2，光線再次發(fā)生散射，光能通過折射被匯集到非晶硅層中，增強電池對入射光的光能吸收，從而提高短路電路，進一步提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

4、所述的紋理結(jié)構(gòu)玻璃上表面凹陷結(jié)構(gòu)的具體制備流程為：其一，采用標(biāo)準(zhǔn)清洗法步驟對實驗玻璃基片進行徹底的清洗，去除玻璃表面的雜質(zhì)，保證玻璃的高清潔度，放進干燥箱中備用；其二，由于銅或金與玻璃襯底間的結(jié)合力較差，先采用磁控濺射方法在清潔玻璃表面先濺射一層鉻，再濺射一層銅或金，形成復(fù)合金屬種子層結(jié)構(gòu)；其三，旋涂光刻膠，涂膠完成后進行烘干處理，使膠膜硬化；其四，采用紫外光照射光刻膠，然后在顯影液中顯影，將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)到襯底表面的光刻膠上，然后在烘箱中進行烘烤；其五，采用離子束刻蝕方法刻蝕種子層，接著將樣品浸泡在丙酮中進行去膠處理；其六，采用氫氟酸溶液刻蝕帶結(jié)構(gòu)金屬種子層掩膜的玻璃襯底；其七，將刻蝕后的玻璃基片浸沒在硝酸鈰銨和高氯刻蝕液中，直至將殘留的金屬種子層去除干凈，得到一面有紋理結(jié)構(gòu)的玻璃。所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃凹坑陣列尺寸為微納米級別。

5、所述的紋理結(jié)構(gòu)玻璃下表面凸包結(jié)構(gòu)的具體制備流程為：以pdms為澆注材料，以上述凹坑陣列結(jié)構(gòu)玻璃為模擬，通過澆注工藝，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的“復(fù)制”，形成表面凸包陣列的pdms膠模，并將其應(yīng)用到硅薄膜太陽能電池上。具體步驟為：其一，制備好干凈的微納結(jié)構(gòu)玻璃基片并清潔玻璃襯底；其二，制備結(jié)構(gòu)玻璃模板；其三，澆鑄pdms膠；其四，脫模，形成帶結(jié)構(gòu)的pdms膠。所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃凹坑陣列尺寸為微納米級別。

6、所述硅基薄膜太陽能電池沉積在紋理玻璃的下表面的具體步驟為：其一，采用磁控濺射法，在紋理玻璃的下表面濺射前電極層；其二，采用電子束蒸發(fā)法，在電池前電極層上沉積電子傳輸層；其三，在透明電極上，沉積非晶硅薄膜形成非晶硅層；其四，采用電子束蒸發(fā)法，在非晶硅層上沉積空穴傳輸層；最后采用磁控濺射法，在空穴傳輸層上濺射背電極層。

技術(shù)特征：

1.一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：包括紋理結(jié)構(gòu)玻璃1，所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃1的上下表面均設(shè)有陷光結(jié)構(gòu)，上下結(jié)構(gòu)的參數(shù)相同，所述陷光結(jié)構(gòu)的下表面依次沉積有前電極層2、非晶硅層3、空穴傳輸層4、背電極層5。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃1采用熔融石英玻璃基板制備，所述陷光結(jié)構(gòu)為周期排列的半球凹坑陣列。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：所述前電極層2的材料為氧化銦錫(ito)，是一種透明導(dǎo)電玻璃，具有良好的導(dǎo)電性和透明性，厚度為50-150nm；所述非晶硅層3的材料為a-si，厚度為200-500nm；所述空穴傳輸層4的材料為氧化鋅(zno)，厚度為50-100nm；所述背電極層5的材料可以是金、銀、鋁中的一種，厚度為100-300nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半球凹坑陣列，其特征是：半徑為0.2μm-0.4μm，其深度和直徑的比值為0.5。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供的是一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：它由前電極層2、非晶硅層3、空穴傳輸層4、背電極層5依次沉積在制備好的紋理結(jié)構(gòu)玻璃1的底部組成。本發(fā)明的硅基薄膜太陽能電池，其頂部的紋理結(jié)構(gòu)表面形成高效的抗反射，入射太陽光6發(fā)生散射后進入電池內(nèi)部，然后底部的紋理結(jié)構(gòu)將進一步“捕獲”入射光于非晶硅層3中，增強電池對入射光的吸收能力，降低電池器件的反射率，減少光能逃逸，延長光程，最終提升電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)研發(fā)人員：陳樂,吳鋆
受保護的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19