一種二維硅基光子晶體太陽能電池的制作方法
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，涉及一種新型的光子晶體太陽能電池結構，特別是一種蜂窩狀團簇、六邊形區(qū)域分割、厚度小、結構特性好、光子相對禁帶較寬、前電極沿分割區(qū)域嵌入、遮光少、具有一定慢光效應、載流子光電轉換效率高的二維硅基光子晶體太陽能電池。
【背景技術】
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[0002]太陽能作為一種清潔、無污染、取之不盡用之不竭的能源，是新能源開發(fā)的重要方面。世界氣象組織公布的太陽常數(shù)是1367±4W.πΓ2，每年到達地球表面的太陽能且便于人類利用的能量約為1.9Χ 122J,這些輻射主要集中在可見光區(qū)域(400-750nm)。太陽能已在電力、交通、航海、航空等很多領域有廣泛應用。2010年我國的太陽能電池產(chǎn)量已達到8000兆瓦，占全球產(chǎn)量的50%。2030年以后，常規(guī)的石化能源消費將逐漸減少，新能源的占比會逐步增大，到2050年新能源會成為能源消費的主流。
[0003]太陽能電池是一種將光能轉換為電能的半導體器件，是太陽能利用的重要形式，按照基體材料分，太陽能電池可分為晶體硅太陽能電池、砸光太陽能電池、化合物太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、有機薄膜太陽能電池和燃料敏化太陽能電池等，影響太陽能光電轉化效率的因素很多，例如材料厚度、電池接線、表面光的反射率等，具體包括以下因素:
[0004](I)半導體材料因素:研宄表明半導體材料的帶隙寬度為Eg= 1.4eV時，太陽能電池具有最高的轉換效率，由于硅材料300K時，帶隙寬度為Eg= 1.12eV，而且其可利用的太陽光譜為300?llOOnm，所以娃材料是一般太陽能電池首選的材料，另外，娃原料材料豐富，光電轉換效率高，光電性能穩(wěn)定性和可靠性高，加工工藝技術成熟，不含有毒元素，不對環(huán)境造成污染；
[0005](2)光強因素:光強對太陽能電池的轉換效率有較大影響，通過增強光線投射或者聚光等方式，可以提高單位面積上的太陽能電池的輸出效率。太陽能電池前表面的金屬柵線不能透光，在結構表面，會降低光的利用率和短路電流，為了提高太陽能電池的轉換效率，一般采用減少金屬柵線占有面積的方法；
[0006](3)光生載流子復合壽命:非平衡載流子產(chǎn)生后，不是穩(wěn)定的，往往有復合發(fā)生。半導體材料的光生載流子復合壽命越長，短路電流就會越大，太陽能電池的轉換效率就越高，一是在硅太陽能電池中，即使距離PN結在100 μπι處的光生載流子，只要其壽命大于
Iμ S，也會被PN結收集，從而提高載流子的收集率；二是長壽命的光生載流子能夠增大開路電壓，從而提尚太陽能電池的轉換效率；
[0007](4)表面復合速率:在半導體材料的表面，由于晶格結構的不連續(xù)性或者非本征雜質的影響，會在表面形成晶體缺陷和雜質能級，從而形成表面復合中心。半導體材料表面低的復合效率，會極大提尚太陽能電池的短路電流，并使開路電壓有所升尚，從而提尚太陽能電池的轉換效率，現(xiàn)在多采用表面鈍化層來降低表面復合速率；
[0008]另外，溫度因素、串聯(lián)電阻(金屬柵線、體電阻和引線等都會產(chǎn)生串聯(lián)電阻)等因素，也會對太陽能電池的轉換效率產(chǎn)生影響，這些影響太陽能電池效率的主要因素又可以歸結為光學損失和電學損失兩方面，其中最主要因素是光學吸收，在傳統(tǒng)太陽能電池中，這光學損失和電學損失兩種效應會造成電池70%的能量損失，人們普遍認為太陽能電池的光轉換效率最大為31%，所以硅太陽能電池研宄的重點方向之一提高光電轉換效率，特別是材料對光子的有效吸收方面。
[0009]硅太陽能電池研宄的另一個重點方向是降低成本，初期的硅太陽能電池襯底厚度較厚，現(xiàn)在娃襯底的厚度可以從350?400 μm降低到150?200 μπι，英國BT公司實驗證明:單晶娃太陽能電池降為175 μπι時，電池的效率沒有附加損失。德國Fraunhofer公司制作的75 μ m厚的太陽能電池，效率仍可達到23.1%。而有的研宄指出，只要厚度大于50 μ m帶有陷光結構的硅太陽能電池就有較好的轉換效率，可見，如果采用適當?shù)慕Y構，可以在減少材料的厚度的同時，保證不降低硅太陽能電池的光電轉換效率?，F(xiàn)有的陷光方式主要是在光線射入電池體內后，增加光在吸收層的路徑，使吸收層的折射率大于其上下層織構材料，使沒有吸收的光再次返回電池吸收層，進行二次吸收。
[0010]硅介質柱(或孔)結構被認為是最有陷光潛力的太陽能電池器件材料之一，但是現(xiàn)有研宄中，采用的納米結構多為一維結構，采用的機理也是通過漫反射陷光，有些研宄提出了徑向硅納米線二維結構，也沒有與光子晶體結構的禁帶和慢光理論結合起來。因此，設計一種新型二維硅基光子晶體太陽能電池，有效實現(xiàn)低成本、高效率的光電轉換結構，首先，太陽光作為自然光包括等量的TE模式和TM模式的電磁波，可以采用光子晶體禁帶理論，通過蜂窩狀團簇結構(孔狀或柱狀)設計，讓垂直于硅納米孔或柱的方向，對TE模式或者TM模式電磁波具有很好的禁帶，基本包括300?IlOOnm的范圍，這樣結構就可以更好地實現(xiàn)陷光；其次，根據(jù)光子晶體慢光理論，將蜂窩狀團簇的硅納米柱或孔，進行六邊形區(qū)域分割，形成慢光波導，使某些頻率的光在這些波導中傳輸很慢，波導的慢光效應能保證載流子的穩(wěn)定性和方向性；將前電極嵌入這些波導的底部，這樣不僅可以遮光少、減少對光吸收的影響，而且由于電極嵌入到加工底部，載流子只需擴散很短的距離就可達到結區(qū)；另外，還要兼顧結構力學穩(wěn)定性和加工等方面的因素。

【發(fā)明內容】

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[0011]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點，尋求設計提供一種二維硅基光子晶體太陽能電池，將光子晶體的禁帶特性、慢光特性與硅納米結構的優(yōu)勢相結合，采用蜂窩狀團簇結構作為單元，通過模擬計算設計二維硅基蜂窩狀團簇的光子晶體太陽能電池結構；并進行六邊形區(qū)域分割，將每組蜂窩狀團簇單元周圍形成網(wǎng)狀慢光波導，前電極則嵌入波導底部形成網(wǎng)狀結構，而且通過前接觸層對入射光減反，二維硅基蜂窩狀團簇、六邊形區(qū)域分割的光子晶體太陽能電池結構進行有效陷光和光電轉換，前電極和背電極的搭建，以及背接觸層對入射光增反幾個方面有機結合，達到提高電池效率的目的。
[0012]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結構包括前接觸層、前電極、蜂窩狀太陽能電池結構、背電極和背接觸層；透明導電氧化物(TCO)材料制成前接觸層的下側面上設有前電極；前電極和背電極之間設有蜂窩狀太陽能電池結構，蜂窩狀太陽能電池結構的上層為N型硅半導體層，下層為P型硅半導體層，N型硅半導體層和P型硅半導體層形成PN結；背電極的底部設有背接觸層，背接觸層的材料與前接觸層的材料相同；鋁薄層結構的背電極設置在P型硅半導體層的慢光區(qū)域或禁帶區(qū)域，背電極的形狀與前電極的形狀相同，均為條形狀；入射光通過前接觸層照射在蜂窩狀太陽能電池結構上，前電極和背電極為光伏效應的載流子構成電路，背接觸層對入射光增反，提高電池效率。
[0013]本發(fā)明所述N型硅半導體層為有禁帶和慢光效應的納米光子晶體介質柱或空氣孔結構，包括禁帶區(qū)構建基元、禁帶區(qū)構建基元間隙和線缺陷波導；禁帶區(qū)構建基元之間為均勻分布的禁帶區(qū)構建基元間隙，19行以上的禁帶區(qū)構建基元和禁帶區(qū)構建基元間隙組成禁帶區(qū)，以便入射光或其分量不能向垂直于介質柱或空氣孔的方向傳播，具有很好的陷光作用；相鄰禁帶區(qū)構建基元交接處為線缺陷波導，線缺陷波導則構成網(wǎng)狀慢光波導結構，前電極嵌入網(wǎng)狀慢光波導結構的底部；納米光子晶體介質柱或空氣孔結構的加工高度或深度為50 μπι，整個N型娃半導體層的厚度為70 μπι ;Ρ型娃半導體層的結構與N型娃半導體層的結構相同，或為單一的半導體結構，P型硅半導體層與N型硅半導體層結構相同時，其厚度為70 μπι ;Ρ型娃半導體層為單一的半導體結構時，其厚度為200 μπι ；Ρ型娃半導體層與背電極在同一平面上，此時背電極為網(wǎng)狀結構，與前電極的結構對應。
[0014]本發(fā)明所述蜂窩狀太陽能電池結構的晶格常數(shù)為a，六邊形邊長1，參數(shù)a、I根據(jù)禁帶和慢光的要求而變化，β代表六邊形邊長I與晶格常數(shù)a的比值，S卩β = 1/a,從O到I變化。
[0015]本發(fā)明所述蜂窩狀太陽能電池結構由具有禁帶和慢光效應的六邊形空氣孔或介質柱結構構成的二維硅基光子晶體蜂窩狀團簇結構排列組成，蜂窩狀太陽能電池結構由內外完全對稱的兩個六邊形組成，或由外面六邊形、內部同心圓形組成，禁帶區(qū)構建基元形成的每個結構單元的邊長不少于禁帶區(qū)構建基元邊長的9倍，此時每個單元有252個以上禁帶區(qū)構建基元8