光伏電池、特別是太陽能電池、以及制造光伏電池的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光伏電池，特別是太陽能電池，包括吸收層(12)，防反射層(16)被布置在所述吸收層的前方，其中防反射層(16)包括納米結(jié)構(gòu)層(20)，所述納米結(jié)構(gòu)層具有周期性布置的由導(dǎo)電材料形成的天線元件(22)，所述納米結(jié)構(gòu)層被布置在與吸收層(12)相距1納米至50納米的距離(d)處。
【專利說明】
光伏電池、特別是太陽能電池、從及制造光伏電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光伏電池，特別是太陽能電池，其包括吸收層，防反射層定位在吸收層 前方。
[0002] 本發(fā)明還設(shè)及制造光伏電池的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在太陽能電池的制造過程中，數(shù)年來全世界已經(jīng)嘗試改善效率。直到現(xiàn)在，太陽能 電池主要由娃制備，其中標(biāo)準(zhǔn)的厚層太陽能電池通常具有約達(dá)到200微米的厚度，并且由單 晶娃制備。盡管在單晶太陽能電池中，娃必須是具有較高質(zhì)量的并且沒有缺陷，但是近來也 正在研制具有幾微米或甚至更少厚度的薄層太陽能電池。
[0004] 關(guān)于大幅提高太陽能電池的效率，設(shè)及如下獨(dú)立的物理過程：
[0005] -首先，需要將光最佳禪合進(jìn)入電池中，并且盡可能長時(shí)間地保持在電池中，即在 電池內(nèi)盡可能多地吸收光子。因此，優(yōu)化的光子管理是個(gè)問題。
[0006] -另一方面，（在光吸收之后)所生成的電荷必須盡可能好地從電池提供至消費(fèi)者。 意圖是最小化損耗過程，即改進(jìn)的電子管理是個(gè)問題。
[0007] 光子管理的任何改進(jìn)直接地導(dǎo)致太陽能電池內(nèi)被吸收光子的數(shù)量的增加。因而， 光子管理越好，太陽能電池的效率越高，而不依賴于電池內(nèi)的實(shí)際電子管理。
[000引為了改進(jìn)太陽能電池的吸收，通常使用防反射層(AR層），防反射層被幾何地構(gòu)造， 尤其是被構(gòu)造成棱錐結(jié)構(gòu)或倒棱錐結(jié)構(gòu)的形式。從而，太陽能電池的光子管理的較大改進(jìn) 可W被實(shí)現(xiàn)，并且從而效率因子可W被(相對(duì)地)大致提高10%，即，例如，具有20%的效率 因子的太陽能電池通過使用具有棱錐結(jié)構(gòu)的AR層可W被改進(jìn)到22%的效率因子。
[0009] AR層通常由氮化娃組成，并且被構(gòu)造成正棱錐結(jié)構(gòu)，其中二次方形棱錐的基部通 常為2微米到10微米長。具有二次基部表面的錐體的頂錐角約是70°。
[0010] 該AR層特別具有W下缺點(diǎn)，即，該結(jié)構(gòu)僅在太陽光譜的非常小的波長范圍內(nèi)才能 最佳地工作。
[0011] 由于該原因，已經(jīng)嘗試通過等離子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的光子管理。
[0012] 根據(jù) V.E.Ferry, J.M.Munday，H.A.Atwater 的 "Design Considerations for Plasmonic F*hotovoltaics(等離子光伏的設(shè)計(jì)考慮)"，Advanced Materials(《高級(jí)材料》） 20104(^.1曰16'.2010,22,4794-4808，通過包括等離子納米結(jié)構(gòu)，特別地在薄層電池中的吸 收問題將被避免。表面等離子激元被位于金屬和電介質(zhì)材料之間的界面表面處的電子的電 磁振蕩限定。表面等離子激元可W引導(dǎo)光并且在較小的容積內(nèi)聚積。
[0013] 因而，通過等離子結(jié)構(gòu)增加太陽能電池的第一方法是，納米粒子被施加于現(xiàn)有技 術(shù)的娃太陽能電池的表面，運(yùn)通過沉積薄金屬層和通過在氮?dú)猸h(huán)境下退火而實(shí)現(xiàn)，使得結(jié) 構(gòu)被轉(zhuǎn)換成離散的島狀結(jié)構(gòu)。然而，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的。根據(jù)第二方法，膠態(tài)的銀和 金納米粒子被用作分散性元件的源。運(yùn)導(dǎo)致粒子在表面處的均勻的量和單一的密度分布。 該沉積方法與晶體娃、非晶娃一起使用，并且用于InPAnGaAsP電池中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用 銀納米粒子，效率因子部分地增加了8%。另外還研究了，在將作為蒸發(fā)掩膜的AAO掩膜("陽 極氧化侶"）用作用于控制被沉積的納米粒子的高度和密度的裝置的同時(shí)，GaAs太陽能電池 的納米粒子的量和密度分布的影響。通過采用粒子的密集的、高量布置，發(fā)現(xiàn)了效率因子的 最大增加，運(yùn)與粒子之間的近場禪合有關(guān)。
[0014] 還研究了在娃表面上的銀納米結(jié)構(gòu)AR層的影響。納米結(jié)構(gòu)的分散性物體是從電池 的背面進(jìn)入半導(dǎo)體中的100納米寬和50納米高的肋部。研究了 6微米W及300納米的距離，并 且本文中發(fā)現(xiàn)了特定的吸收改進(jìn)。
[0015] 根據(jù)H.A.Atwater和A.Polman的 "Plasmonics for improved photovoltaic devices(用于改進(jìn)的光伏器件的等離子體)"，Nature Materials!；《自然材料》），Vol .9， 2010年3月，205-213,等離子太陽能電池結(jié)構(gòu)被考慮，其中在金屬納米粒子周圍采用強(qiáng)近場 振幅W用于改進(jìn)周圍半導(dǎo)體材料的吸收的同時(shí)，在薄膜太陽能電池中進(jìn)行諧振等離子激 勵(lì)。然后，納米粒子用作入射太陽光的天線，入射太陽光W局域表面等離子模式被存儲(chǔ)。運(yùn) 對(duì)于5納米至20納米直徑的較小的粒子將特別有效。
[0016] 對(duì)于等離子太陽能電池結(jié)構(gòu)的較大表面制備，考慮通過該金屬層的熱蒸發(fā)形成金 屬納米粒子，金屬納米粒子隨后被加熱W在表面上形成附聚物。運(yùn)導(dǎo)致具有100納米至150 納米直徑的不規(guī)則定位的納米粒子。通過沖頭使用光刻法，其中借助于軟光刻法的溶膠-凝 膠-掩膜板與橡膠沖頭一起使用，隨后通過銀蒸汽沉積和隨后的移除，將獲得小于0.1納米 的分辨率。從而，獲得具有300納米的粒子直徑和大致半球形形狀的銀納米粒子的六角形陣 列，其中顆粒具有約500納米的間距。
[0017] 具有成錐體形狀的光學(xué)防反射層的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)還和使用等離子結(jié)構(gòu)的較新方 法在一定程度上導(dǎo)致光子管理的改進(jìn)，然而運(yùn)種改進(jìn)不足W被開發(fā)W獲得實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 鑒于此，本發(fā)明的目的是公開改進(jìn)的光伏電池，特別是太陽能電池，借助于所述電 池可W獲得光子管理的較大改進(jìn)。
[0019] 另外，將公開制造該光伏電池的方法。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，該目標(biāo)是通過一種光伏電池獲得的，特別是太陽能電池，該電池包括 吸收層，防反射層定位在吸收層的前方，其中防反射層包括納米結(jié)構(gòu)層，所述納米結(jié)構(gòu)層具 有周期性布置的由導(dǎo)電材料形成的天線元件，所述納米結(jié)構(gòu)層被布置在與吸收層相距1納 米至50納米的距離處，并且所述納米結(jié)構(gòu)層至少部分地被容納在所述防反射層中。
[0021 ]本發(fā)明的目的完全地用運(yùn)種方法實(shí)現(xiàn)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使用具有由導(dǎo)電材料構(gòu)成的周期性定位的天線元件的納米結(jié)構(gòu)層 并且天線元件被設(shè)置成與吸收層相距1納米至50納米時(shí)，能夠獲得光子管理的較大的改進(jìn)， 即太陽能電池中的吸收的較大改進(jìn)。天線元件可W W寬頻帶方式將(從280納米至1100納米 波長的）全部太陽光譜禪合進(jìn)入太陽能電池中，并且因?yàn)榧{米天線元件在太陽能電池中再 次接收被吸收的光并且發(fā)射返回到太陽能電池中，因此與當(dāng)前使用的微米結(jié)構(gòu)相比，可W 將光更長時(shí)間地保持在太陽能電池中。運(yùn)樣，通過采用運(yùn)種新穎的納米結(jié)構(gòu)層，與現(xiàn)有技術(shù) 的錐體形狀的AR層相比，光可W W2倍的系數(shù)更好地吸收（效率因子可W改進(jìn)約20% (相對(duì) 地））。在根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)層中，周期性布置的天線元件用作具有限定的近場特性的 表面等離子激元。
[0023] 現(xiàn)有技術(shù)中直到現(xiàn)在已知的具有納米結(jié)構(gòu)層的等離子結(jié)構(gòu)均不包括周期性布置 的天線元件或未確定到運(yùn)樣一種程度，即不能獲得用于較寬范圍的優(yōu)化特性。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的特定優(yōu)點(diǎn)在于W下事實(shí)，即具有周期性布置的天線元件 的納米結(jié)構(gòu)層可用于所有種類的光伏電池，而與光伏電池自身的結(jié)構(gòu)無關(guān)。
[0025] 在根據(jù)本發(fā)明的光伏電池中，由于等離子體激元用作天線，因此光在更大角度范 圍中被收集，并且然后被發(fā)射進(jìn)入基板中。在W紅外光照射的過程中，通過模式形成，非銳 焦點(diǎn)被減少，即，模式在傳感器層的范圍中演變，借此對(duì)所生成的電子的改進(jìn)的收集是可能 的。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選新構(gòu)想，納米結(jié)構(gòu)層連同背接觸部的光伏電池形成光學(xué)諧振 器。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一新構(gòu)想，納米結(jié)構(gòu)層被布置在與吸收層相距2納米至20納米的 距離處，優(yōu)選地在相距5納米至15納米的距離處，特別優(yōu)選地在相距7納米至12納米的距離 處。
[0028] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過該距離，可W在較寬的波長范圍中獲得特別良好的特性，尤其是特 別良好的吸收改進(jìn)。
[0029] 優(yōu)選地，天線元件被周期地相對(duì)于布置成彼此相距200納米至800納米的距離，優(yōu) 選地相距250納米至750納米的距離。本文中，各個(gè)天線元件相對(duì)于彼此優(yōu)選地被周期性地 正交地或六角形地布置。
[0030] 天線元件的高度優(yōu)選地是10納米至200納米，更優(yōu)選地為20納米至150納米，特別 優(yōu)選地為30納米至120納米。
[0031] 天線元件在側(cè)向方向上的最大延伸量優(yōu)選地是20納米至400納米，更優(yōu)選地為40 納米至250納米，特別優(yōu)選地為100納米至250納米。
[0032] 天線元件在側(cè)向方向上的最小延伸量優(yōu)選地是25納米，更優(yōu)選地為30納米，特別 優(yōu)選地為至少50納米。
[0033] 通過該定尺寸，可W在較寬的范圍內(nèi)向特定的電池結(jié)構(gòu)提供特別有利的特性，W 在整個(gè)特定頻譜內(nèi)獲得改進(jìn)的吸收，或可W放大特定的頻率范圍，使得在光學(xué)傳感器的領(lǐng) 域中利用光伏電池也是可能的。
[0034] 具有天線元件的納米結(jié)構(gòu)層優(yōu)選地至少部分地被容納在防反射層中，防反射層優(yōu) 選地由SiOxNy(例如Si化N4)、氧化鐵或ITO(氧化銅錫)組成。就納米結(jié)構(gòu)層而言，由于其高度 部分地突出超過防反射層，因而納米結(jié)構(gòu)層優(yōu)選地位于被施加到其上方的保護(hù)層內(nèi)，保護(hù) 層例如可W由氧化娃組成。
[0035] 納米結(jié)構(gòu)層可W由彼此組合成規(guī)則的圖案的不同形狀和/或量的天線元件或相同 的天線元件組成。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的另一新構(gòu)想，納米結(jié)構(gòu)層：由圓形的、多邊形的、S角形的或方形的 天線元件（22)組成；由相對(duì)于彼此對(duì)稱布置的條塊形式的交叉形的天線元件組成；為正方 形形狀，并且較小的正方形W對(duì)稱布置的形式附接到該正方形形狀的每個(gè)外側(cè)面;為正方 形形狀，并且具有在每個(gè)角部區(qū)域處對(duì)稱布置的方形凹部;或?yàn)閳A形形狀，并且具有對(duì)稱布 置的切向地附接的四個(gè)矩形，其中，所述矩形或者在單元電池的方向上延伸或者相對(duì)于所 述單元電池偏轉(zhuǎn)45%或由W六角形形式地布置在單元電池上的具有六個(gè)尖端的星形元件 組成，其中每個(gè)星形天線元件的尖端指向彼此，或尖端之間的側(cè)邊指向彼此。
[0037] 通過使用運(yùn)種天線元件，當(dāng)被用作傳感器時(shí)，可W實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的從屬結(jié)果，即特 別是特定太陽能電池的吸收改進(jìn)，或特定頻率范圍的特定放大，或特定頻率范圍的濾波。
[0038] 優(yōu)選地，天線元件被構(gòu)造成圓柱體或直的棱柱體，所述圓柱體或直的棱柱體沿與 光伏電池的主延伸方向垂直的方向延伸。
[0039] 此外優(yōu)選地，天線元件由從W下列各項(xiàng)組成的組中選擇的金屬組成，即銀、銅、侶、 金和其合金。
[0040] 大多數(shù)情況下，銀是特別優(yōu)選地，然而對(duì)于特定應(yīng)用，其它的金屬也可能是有利 的。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)，天線元件由從W下列各項(xiàng)組成的組中選擇的金屬組成， 即銀、銅、侶、金和其合金，并且其中天線元件的面向吸收器或背離吸收器的至少一側(cè)涂覆 有從由W下各項(xiàng)組成的組中選擇的不同材料，即銀、銅、侶、金和其合金。
[0042] 通過在天線元件的一側(cè)或另一側(cè)或兩側(cè)上的運(yùn)種涂層，?？诟倪M(jìn)的特性可W被獲 得。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)，納米結(jié)構(gòu)層由直圓柱體組成。當(dāng)光伏電池被構(gòu)造成太陽 能電池、特別是娃太陽能電池時(shí)，運(yùn)是特別有利的。
[0044] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有直圓柱體的納米結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)導(dǎo)致在太陽光在總光譜范圍內(nèi)的特 別良好的吸收增加。
[0045] 根據(jù)該構(gòu)造的另一改進(jìn)，納米結(jié)構(gòu)層由圓柱體組成，所述圓柱體具有150納米至 250納米的直徑，優(yōu)選地具有180納米至200納米的直徑，和50納米至90納米的高度，所述圓 柱體優(yōu)選地W400納米至600納米的間距、優(yōu)選地450納米至510納米的間距布置成正交圖 案，并且與吸收層的距離為5納米至13納米、優(yōu)選地為8納米到10納米。
[0046] 從而，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池，即約180微米至200微米的厚度的單晶太陽能電池， 能夠獲得優(yōu)化的特性。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的改進(jìn)，太陽能電池被構(gòu)造成厚度達(dá)200微米的標(biāo)準(zhǔn)的厚 層太陽能電池，其中納米結(jié)構(gòu)層的圓柱體具有185納米至195納米、優(yōu)選地約190納米的直 徑，具有68納米至72納米、優(yōu)選地約70納米的高度，并且被布置成與吸收層相距8.5納米至 9.5納米、優(yōu)選地約9納米的正交圖案，并且相對(duì)于彼此的間距為460納米至470納米、優(yōu)選地 約46?內(nèi)米。
[0048] 從而獲得了對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的厚層太陽能電池的優(yōu)化條件。
[0049] 根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)，太陽能電池被構(gòu)造成厚度達(dá)200微米的HIT厚層太陽能電 池，其中納米結(jié)構(gòu)層的圓柱體具有185納米至195納米、優(yōu)選地約190納米的直徑，具有68納 米至72納米、優(yōu)選地約70納米的高度，與吸收層的距離為8.5納米至9.5納米、優(yōu)選地約9納 米，并且W彼此相距485納米至495納米、優(yōu)選地相距約490納米的間距被布置成正交圖案。 從而獲得了化t厚層太陽能電池（"具有本征薄層的異質(zhì)結(jié)"-mT)的最優(yōu)特性。
[0050] 在超薄層太陽能電池的情況下，納米結(jié)構(gòu)層有利地由圓柱體組成，所述圓柱體具 有200納米至300納米、優(yōu)選地約250納米的直徑，具有50納米至90納米、優(yōu)選地約70納米的 高度化），所述圓柱體W400納米至600納米、優(yōu)選地約525納米的間距布置成正交圖案，并且 與吸收層的距離(d)為5納米到13納米、優(yōu)選地約9納米。
[0051] 從而獲得了對(duì)于超薄層太陽能電池的理想條件。
[0052] 超薄層太陽能電池例如可W是具有在約達(dá)到1000納米范圍內(nèi)的厚度的電池，例如 具有200納米厚度的銀背接觸層，具有約150納米厚度的娃吸收層，例如約45納米厚度的氮 化娃AR層，并且具有約64納米厚度的二氧化娃保護(hù)層。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明的另一構(gòu)造，光伏電池被用作太陽能電池，所述太陽能電池在選定頻 率范圍內(nèi)對(duì)入射福照的吸收增加。
[0054] 同樣地，尤其取決于太陽能電池的厚度，能夠獲得相對(duì)于入射福射的選定的頻率 范圍的吸收增加，W使得對(duì)逐漸增加的部分未使用的紅外部分的利用稱為可能，從而獲得 對(duì)入射光的總頻帶內(nèi)的福射的整體的均勻利用。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明的另一改進(jìn)，光伏電池用作傳感器，所述傳感器在選定頻率范圍內(nèi)的 吸收增加和/或在選定頻率范圍內(nèi)的光學(xué)信號(hào)衰減。
[0056] 根據(jù)納米結(jié)構(gòu)層的被選擇的參數(shù)，特性可W在較大范圍內(nèi)改變W獲得所選頻率范 圍的特定的吸收增加，例如用于影響單個(gè)頻率范圍的特定的放大。相反地，還可W在特定頻 率范圍內(nèi)獲得光學(xué)信號(hào)衰減，即光學(xué)濾波功能。
[0057] 通過制造具有吸收器和位于吸收器上的防反射層(非結(jié)構(gòu)化的）的光伏電池，可W 有利地制造根據(jù)本發(fā)明的光伏電池，其中具有納米結(jié)構(gòu)層的防反射層被制備成與吸收表面 相距1納米至50納米，其中納米結(jié)構(gòu)層具有周期性布置的由導(dǎo)電材料形成的天線元件。
[0058] 本文中，優(yōu)選地，至少天線元件的形狀、量、布置、周期性和離吸收器的表面的距離 根據(jù)光伏電池的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)參數(shù)變化，W在選定的第一頻率范圍內(nèi)確保特定的吸收增加 和/或在第二頻率范圍內(nèi)確保光學(xué)衰減。
[0059] 因而，通過調(diào)節(jié)天線元件，納米結(jié)構(gòu)層的特性可W根據(jù)需要的應(yīng)用而進(jìn)行特別的 調(diào)整。
[0060] 基本上通過使用適于所需應(yīng)用的已知過程可W完成納米結(jié)構(gòu)層的制備。
[0061] 制造根據(jù)前述設(shè)計(jì)的光伏電池的方法包括在施加(非結(jié)構(gòu)化的）吸收層和保護(hù)層 之后制備納米結(jié)構(gòu)層，包括至少W下步驟：
[0062] -將光刻膠層施加到保護(hù)層上；
[0063] -借助于納米結(jié)構(gòu)模具壓紋光刻膠層；
[0064] -借助于紫外光的照射而顯影光刻膠層，W用于生成納米結(jié)構(gòu)光刻膠層；
[00化]-蝕刻W生成凹部；
[0066] -W導(dǎo)電材料對(duì)納米結(jié)構(gòu)層進(jìn)行二維涂覆；
[0067] -移除光刻膠層。
[0068] 本文中，納米結(jié)構(gòu)層的制備是納米壓印過程，即所謂的納米壓印光刻法。本文中， 在室溫下使用軟壓印沖頭。接觸壓力小于1000牛頓。當(dāng)顯影光刻膠層時(shí)，使用350納米至450 納米的波長范圍的紫外光。小于15納米的分辨率可W被獲得，并且10毫米至200毫米的基板 可W被處理。運(yùn)是所謂的紫外納米壓印光刻法(UV-NIL)。
[0069] 可選地，所謂的納米干設(shè)光刻法也可W用于生成光刻膠層的圖案。
[0070] 其余步驟與上述步驟對(duì)應(yīng)，即：
[0071 ]-蝕刻，W在防反射層中生成凹部；
[0072] -通過使用導(dǎo)電材料對(duì)納米結(jié)構(gòu)層進(jìn)行二維涂覆；
[0073] -移除光刻膠層。
[0074] 基本上，有利地，在經(jīng)完全處理的太陽能電池上執(zhí)行納米結(jié)構(gòu)層的生成，然而，在 那里，防反射層被制備成非結(jié)構(gòu)化的，即，成為沒有錐體結(jié)構(gòu)的連續(xù)的層。
[007引運(yùn)樣，在制造太陽能電池的過程中，已知的制造工藝不必進(jìn)行修改。因而，納米結(jié) 構(gòu)層還能夠隨后被生成，并且隨后能夠通過施加優(yōu)選地由二氧化娃組成的保護(hù)層而再次被 密封。
[0076] 運(yùn)樣，納米結(jié)構(gòu)層的生產(chǎn)可W被容易地調(diào)節(jié)成已知的生產(chǎn)工藝。
[0077] 將會(huì)理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本發(fā)明的前述特征和在下文描 述的特征不僅能用于指定的組合，還可W用于不同的組合或被獨(dú)立地使用。
【附圖說明】
[0078] 參照附圖，可W通過隨后的參照附圖的對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述獲得本發(fā)明的其他特 征和優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)些附圖示出了：
[0079] 圖1:根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的簡化的橫截面；
[0080] 圖2a至2c:執(zhí)行用于生成納米結(jié)構(gòu)層的紫外光納米光刻過程中的不同的步驟；
[0081] 圖3a至3s:天線元件的不同的構(gòu)造和空間布置；W及
[0082] 圖4a至41:在天線元件的被選擇的構(gòu)造中用于根據(jù)波長計(jì)算吸收增加的不同模擬 結(jié)果的概要。
【具體實(shí)施方式】
[0083] 在圖1中，此本文中被構(gòu)造成太陽能電池的光伏電池都總體上用數(shù)字10圖示。運(yùn)例 如是(單晶)娃的標(biāo)準(zhǔn)的厚層太陽能電池，其包括吸收層12、銀的背接觸層14、氮化娃(Si3N4) 的前側(cè)防反射層16和位于其上的二氧化娃保護(hù)層。另外，包括天線元件22的納米結(jié)構(gòu)層20 被部分地被容納在AR層16中并且部分地突出進(jìn)入保護(hù)層18中。納米結(jié)構(gòu)層20具有高度h并 到吸收層12的距離為d。
[0084] 各個(gè)天線元件可W例如由銀、或者諸如銅、侶、金或它們的合金的各種不同材料分 別組成，并且可W可能位于AR層16的一側(cè)或在較遠(yuǎn)側(cè)被涂覆有不同的材料，可W，例如，由 銀組成并且可W在AR側(cè)涂覆金。天線元件22的形狀、量、布置和其他參數(shù)可W在較寬界限內(nèi) 變化W根據(jù)各自的應(yīng)用生成納米結(jié)構(gòu)層的被調(diào)整的特性。天線元件22連同背接觸部14形成 光學(xué)諧振器，其中天線元件22用作等離子體激元。
[0085] 通過模擬多個(gè)參數(shù)，可W針對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用情況確定最優(yōu)的一組設(shè)計(jì)參數(shù)。本文中， 可W通過模擬計(jì)算依賴于波長的吸收增加，吸收增加被限定為g(A)=具有納米結(jié)構(gòu)層的吸 收/不具有納米結(jié)構(gòu)層的吸收。只要通過借助于納米結(jié)構(gòu)層，因子g大于1，就導(dǎo)致吸收的改 進(jìn)。該模擬結(jié)果被示例性地示出在下文所描述的圖4a到4e中。
[0086] 基本上，通過使用針對(duì)相應(yīng)的過程進(jìn)行調(diào)節(jié)的、在現(xiàn)有技術(shù)中已知的工藝來完成 納米結(jié)構(gòu)層20的制備。優(yōu)選地，本文中，分別根據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)中已知的工藝完全地制備光伏 電池或太陽能電池，并且僅隨后施加納米結(jié)構(gòu)層。僅防反射層(AR層）16被生成為二維層，并 且未被構(gòu)造為在現(xiàn)有技術(shù)中已知的錐體圖案。
[0087]隨后生成納米結(jié)構(gòu)層20的的優(yōu)點(diǎn)在于，光伏電池可W根據(jù)已知工藝完全地處理， 從而沒有必要進(jìn)行工藝修改。
[008引在下文參照?qǐng)D2簡要地描述根據(jù)UV-NIL工藝的納米結(jié)構(gòu)層20的制備。
[0089] 本文中，如在現(xiàn)有技術(shù)中所知和如上所述，首先，太陽能電池被制備成具有二維AR 層16。隨后例如通過旋涂將光刻膠層施加到保護(hù)層18上。形成根據(jù)圖2(a)的具有光刻膠層 26的基板24。在運(yùn)種情況下，基板24是太陽能電池10的保護(hù)層18(也可想到直接在施加 AR層 16之后、施加保護(hù)層18之前開始）。隨后，借助于具有納米結(jié)構(gòu)層20的圖案的沖頭28,光刻膠 層26被隨后圖案化。根據(jù)圖2(b)的由橡膠組成的軟沖頭28在室溫下通過小于1000牛頓的接 觸力被壓印，如圖2(b)中的箭頭30所示。從而，沖頭28的結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)印到光刻膠層26上。在根 據(jù)圖2(b)的該步驟中，借助于具有約350納米到450納米的光的紫外光照射，光刻膠層26被 固化。在根據(jù)圖2(c)移除沖頭28之后，具有納米結(jié)構(gòu)光刻膠層26的基板24保持在其表面處。
[0090] 隨后，借助于蝕刻(干法蝕刻）的進(jìn)一步理被執(zhí)行，隨后用期望的金屬(例如，銀)層 進(jìn)行二維涂覆，并且最后移除光刻膠層。納米結(jié)構(gòu)層20與離散的天線元件22保持在理想的 布置中，具有到吸收層12的所需要的距離。根據(jù)在蝕刻過程中、在涂覆過程中執(zhí)行的工藝， 并且根據(jù)通過沖頭所施加的進(jìn)入光刻膠層中的印記的深度，納米結(jié)構(gòu)層可W被生成為具有 所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)各個(gè)天線元件22的高度，運(yùn)些天線元件從AR層16向上突出或被完全 地容納在其中。作為最終步驟，接下來通常通過使用二氧化娃在表面上施加保護(hù)層。
[0091] 在W上描述中，因?yàn)樵谔柲茈姵氐那皞?cè)上的接觸指的說明被省略，運(yùn)是因?yàn)樗?們是借助于太陽能電池10的相應(yīng)的制造方法W常規(guī)方式生成的。
[0092] 本發(fā)明不設(shè)及用于運(yùn)種納米結(jié)構(gòu)層20的制備方法，但是大致設(shè)及納米結(jié)構(gòu)層的結(jié) 構(gòu)、布局和設(shè)計(jì)。
[0093] 在圖3a到圖3s中，圖示了天線元件22的一系列設(shè)計(jì)變化。所示出的都是一個(gè)單元 電池(周期P)的頂視圖。
[0094] 應(yīng)該說明的是，在所有描述的情況下，相應(yīng)的天線元件在高度方向上直線地延伸， 即天線元件被分別地構(gòu)造成直的圓柱體或棱柱體。
[00M]在圖3a和3b中，示出了六角形天線元件的六角形布局。根據(jù)圖3曰，側(cè)表面彼此平 行，而根據(jù)圖3b，角部指向彼此。
[0096] 在圖3c和3d中，示出了中屯、處的六角形天線元件和處于正交布局下的每個(gè)均為= 角形天線的組合。根據(jù)圖3c，六角形的尖端朝向=角形，而根據(jù)圖3d，六角形的側(cè)表面朝向 S角形。
[0097] 圖3e和3f分別地對(duì)應(yīng)于圖3b和3曰。
[0098] 在圖3g和化中，星形天線元件被示出，其中圖3g示出了六角形布局，其中星形天線 元件的尖端指向彼此。相比之下，根據(jù)圖化，星形天線元件的側(cè)邊指向彼此。
[0099] 圖3i示出了方形天線元件的六角形布局。
[0100] 在圖3j和3k中，示出了正方形和S角形的組合，每個(gè)都具有位于中屯、處的正方形 和成正交布局的位于表面的=角形。根據(jù)圖3j，正方形被布置成具有其側(cè)面平行于單元電 池的側(cè)表面，而根據(jù)圖3k，正方形轉(zhuǎn)動(dòng)45°，使得尖端指向=角形。
[0101] 在圖31到化中，示出了不同的交叉結(jié)構(gòu)。運(yùn)些交叉結(jié)構(gòu)中的每個(gè)都是正交布局。根 據(jù)圖31，在中屯、處具有較大的正方形，其中每個(gè)較小的正方形都W對(duì)稱配置施加到較大正 方形的側(cè)面。
[0102] 圖3m示出了由彼此交叉的兩個(gè)條塊組成的交叉結(jié)構(gòu)。
[0103] 圖化示出了在每個(gè)角部處具有較小的正方形切口的較大正方形形成的交叉結(jié)構(gòu)。
[0104] 圖3〇示出了具有中屯、圓的交叉結(jié)構(gòu)，較小正方形W彼此90°的角間距施加于圓的 外側(cè)。根據(jù)圖3〇,正方形被轉(zhuǎn)動(dòng)45°并且因而指向單元電池的角部。根據(jù)圖化，所施加的正方 形平行指向單元電池的側(cè)面。
[0105] 圖3q示出了圓柱體的六角形布局。
[0106] 圖化示出了等邊S角形的六角形布局。
[0107] 圖3s示出了正交布局的圓柱體。
[0108] 所使用的設(shè)計(jì)參數(shù)被總結(jié)在表格1中。本文中總是參照相應(yīng)的圖。
[0109] 表格 1
[0110]
[0111]
[0112]
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117]
[011 引
[0119]
[0120] 在表格I中，其他模擬結(jié)果被總結(jié)在額外的系列19到28中。其他模擬結(jié)果設(shè)及根據(jù) 圖3s的具有正交布局的相應(yīng)的圓柱體。
[0121] 設(shè)及根據(jù)波長的計(jì)算出的吸收增加的被選擇的模擬結(jié)果被總結(jié)在圖4a到41中。如 從各個(gè)視圖中可W看出的那樣，在被選擇的波長范圍中導(dǎo)致部分地強(qiáng)的吸收增加。因而，防 反射層中的等離子體激元的特性不僅能夠?qū)崿F(xiàn)改進(jìn)的光子管理，還通過使用特定的設(shè)計(jì)參 數(shù)能夠分別地實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波功能或信號(hào)衰減，W及能夠?qū)崿F(xiàn)特定波長范圍的同步放大。因 而，納米天線元件22可W相對(duì)于其設(shè)計(jì)參數(shù)而改變W影響與光學(xué)傳感器有關(guān)的特定特性。
[0122] 圖4a示出了根據(jù)系列11的關(guān)于交叉結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果，見表格1。取決于波長的吸收 增加的視圖示出了位于約1050納米處和725納米處的放大高達(dá)6倍的兩個(gè)強(qiáng)峰。其余的頻率 范圍分別保持不被影響或僅被相對(duì)較弱地放大，達(dá)約550納米的范圍。運(yùn)些峰的位置和其高 度分別地可W被設(shè)計(jì)參數(shù)影響。
[0123] 圖4b示出了根據(jù)系列12和13的關(guān)于交叉結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。可W看到，其呈現(xiàn)了放 大達(dá)到16倍的、位于1050和825納米處的兩個(gè)強(qiáng)峰。其余頻率區(qū)域保持不被影響或僅被相對(duì) 較弱地放大。峰的位置和高度分別地可W被設(shè)計(jì)參數(shù)影響。
[0124] 圖4c示出了根據(jù)系列16的用于交叉結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果?？蒞看到放大達(dá)至化倍的、在 約1050納米和約725納米處的兩個(gè)強(qiáng)峰。其余頻率區(qū)域分別保持不被影響或僅被相對(duì)較弱 地放大，直到約550納米的區(qū)域。峰的位置或其高度分別地可W被設(shè)計(jì)參數(shù)影響。
[0125] 圖4d示出了根據(jù)系列15的用于交叉結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果?？蒞看到，放大達(dá)到4倍的、 位于約1000納米和約750納米處的兩個(gè)非常強(qiáng)的峰被示出。其余頻率區(qū)域分別保持不被影 響或僅被相對(duì)較弱地放大，直到約550納米的區(qū)域。峰的位置或其高度分別地可W被設(shè)計(jì)參 數(shù)影響。
[0126] 圖4e示出了根據(jù)系列17的關(guān)于S角形結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果?？蒞看到，產(chǎn)生了放大高 達(dá)19倍的、位于約1050納米處非常強(qiáng)的峰。其余頻率區(qū)域分別保持不被影響或僅被相對(duì)較 弱地放大。峰的位置和其高度分別地可W被設(shè)計(jì)參數(shù)影響。
[0127] 圖4f示出了根據(jù)系列6和7的關(guān)于星形結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果?？蒞看到，產(chǎn)生了放大高 達(dá)3.3倍的、位于約825納米處的非常強(qiáng)的峰。其余頻率區(qū)域分別保持不被影響或僅被相對(duì) 較弱地放大。峰的位置和其高度分別地可W被設(shè)計(jì)參數(shù)影響。
[0128] 圖4g到41示出了根據(jù)系列8的用于正方形結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果?？蒞看到放大高達(dá)7倍 的、位于約1100納米、850納米和725納米處的=個(gè)強(qiáng)峰。其余頻率區(qū)域分別保持不被影響或 僅被相對(duì)較弱地放大。峰的位置和其高度分別地可W被設(shè)計(jì)參數(shù)影響。
[0129] 從圖4a到41的模擬結(jié)果可W總體地看到，通過多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化，吸收特性可 W被具體地影響W用于放大特定的頻率范圍，運(yùn)對(duì)于作為傳感器的應(yīng)用是有利的。
[0130] 對(duì)于具有150納米厚度的娃吸收層、具有約200納米厚度的銀背接觸部、具有約45 納米厚度的Si3M防反射層16和具有約64納米厚度的二氧化娃保護(hù)層的超薄層太陽能電池 來說，W下參數(shù)被確定為最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)：
[0131] 天線元件22是具有525納米周期的正交布局的圓柱形。半徑是125納米，并且高度h 為70納米。與吸收層12的距離d是9納米。
[0132] 用于具有約180微米到200微米厚度的標(biāo)準(zhǔn)的厚層太陽能電池的最優(yōu)參數(shù)被確定 如下：
[0133] 正交布局的天線元件的圓柱形形狀，具有464.75納米的周期。圓柱體的半徑是95 納米并且高度h為70納米。與吸收層12的距離d是9納米。
[0134] 對(duì)于厚層HIT電池而言，周期最佳為490納米。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光伏電池，特別是太陽能電池，包括吸收層（12)，防反射層（16)被布置在所述吸 收層的前方，其中防反射層（16)包括納米結(jié)構(gòu)層(20)，所述納米結(jié)構(gòu)層具有周期性布置的 由導(dǎo)電材料形成的天線元件(22)，所述納米結(jié)構(gòu)層被布置在與吸收層（12)相距1納米至50 納米的距離(d)處，并且所述納米結(jié)構(gòu)層至少部分地被容納在所述防反射層(16)中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中： 納米結(jié)構(gòu)層(20)與光伏電池（10)的背接觸部（14) 一同形成光學(xué)共振器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光伏電池，其中，納米結(jié)構(gòu)層（20)被布置在與吸收層（12) 相距2納米至20納米的距離處，優(yōu)選地在相距5納米至15納米的距離處，特別優(yōu)選地在相距7 納米至12納米的距離處。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，天線元件（22)被周期性地布 置成彼此相距200納米至800納米的距離，優(yōu)選地相距250納米至750納米的距離。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，天線元件(22)具有10納米至200 納米的高度，優(yōu)選地具有20納米至150納米的高度，更優(yōu)選地具有30納米至120納米的高度。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，天線元件（22)在側(cè)向方向上具 有20納米至400納米的最大延伸量，優(yōu)選地具有40納米至250納米的最大延伸量，特別優(yōu)選 地具有1〇〇納米至250納米的最大延伸量。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，天線元件（22)在側(cè)向方向上具 有25納米的最小延伸量，優(yōu)選地具有30納米的最小延伸量，特別優(yōu)選地具有50納米的最小 延伸量。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，納米結(jié)構(gòu)層由SiOxNy、氧化鈦或 IT0組成。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，納米結(jié)構(gòu)層(20)由彼此組合成 規(guī)則圖案的不同形狀和/或量的天線元件或相同的天線元件組成。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，所述納米結(jié)構(gòu)層： 由圓形的、多邊形的、三角形的或方形的天線元件(22)組成； 由相對(duì)于彼此對(duì)稱布置的條塊形式的交叉形的天線元件組成； 為正方形形狀，并且較小的正方形以對(duì)稱布置的形式附接到該正方形形狀的每個(gè)外側(cè) 面； 為正方形形狀，并且具有在每個(gè)角部區(qū)域處對(duì)稱布置的方形凹部;或 為圓形形狀，并且具有對(duì)稱布置的切向地附接的四個(gè)矩形，其中，所述矩形或者在單元 電池的方向上延伸或者相對(duì)于所述單元電池偏轉(zhuǎn)45° ;或 由以六角形形式地布置在單元電池上的具有六個(gè)尖端的星形元件組成，其中每個(gè)星形 天線元件的尖端指向彼此，或尖端之間的側(cè)邊指向彼此。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光伏電池，其中，天線元件(22)被構(gòu)造成圓柱體或直的棱柱 體，所述圓柱體或直的棱柱體沿與光伏電池(1 〇)的主延伸方向垂直的方向延伸。12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中，天線元件由從銀、銅、鋁、金及 它們的合金組成的組中選出的金屬組成。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中， 天線元件由從由銀、銅、鋁、金及它們的合金組成的組中選擇的金屬組成，并且其中，天 線元件的面向吸收器或背離吸收器的至少一側(cè)涂覆有從由銀、銅、鋁、金及它們的合金組成 的所述組中選擇的不同的材料。14. 一種根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，所述光伏電池被構(gòu)造成太陽能 電池，特別是硅太陽能電池，其中納米結(jié)構(gòu)層優(yōu)選地由直圓柱體組成。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能電池，其中，納米結(jié)構(gòu)層由圓柱體組成，所述圓柱體 具有150納米至250納米的直徑，優(yōu)選地具有180納米至200納米的直徑，和50納米至90納米 的高度，所述圓柱體優(yōu)選地以400納米至600納米的間距、優(yōu)選地450納米至510納米的間距 布置成正交圖案，并且與吸收層的距離為5納米至13納米、優(yōu)選地為8納米到10納米。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光伏電池，所述光伏電池被構(gòu)造成厚度達(dá)200微米的標(biāo)準(zhǔn)的 厚層太陽能電池，其中納米結(jié)構(gòu)層的圓柱體具有185納米至195納米、優(yōu)選地約190納米的直 徑，具有68納米至72納米、優(yōu)選地約70納米的高度，與吸收層的距離為8.5納米至9.5納米、 優(yōu)選地約9納米，并且在正交圖案中相對(duì)于彼此的間距為460納米至470納米、優(yōu)選地約465 納米。17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的太陽能電池，所述太陽能電池被構(gòu)造成厚度達(dá)200微米的 HIT厚層太陽能電池（10)，其中納米結(jié)構(gòu)層(20)的圓柱體具有約185納米至195納米、優(yōu)選地 約190納米的直徑，具有68納米至72納米、優(yōu)選地約70納米的高度(h)，與吸收層（12)的距離 (d)為8.5納米至9.5納米、優(yōu)選地約9納米，并且以彼此相距485納米至495納米、優(yōu)選地相距 約490納米的間距被布置成正交圖案。18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能電池，所述太陽能電池特別地被構(gòu)造成超薄層太陽 能電池，其中納米結(jié)構(gòu)層由圓柱體組成，所述圓柱體具有200納米至300納米、優(yōu)選地約250 納米的直徑，具有50納米至90納米、優(yōu)選地約70納米的高度(h)，所述圓柱體以400納米至 600納米、優(yōu)選地約525納米的間距布置成正交圖案，并且與吸收層的距離(d)為5納米到13 納米、優(yōu)選地約9納米。19. 前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池作為太陽能電池（10)的用途，所述太陽能 電池在選定頻率范圍內(nèi)對(duì)入射輻照的吸收增加。20. 權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的光伏電池作為傳感器的用途，所述傳感器在選定頻 率范圍內(nèi)的吸收增加和/或在選定頻率范圍內(nèi)的光學(xué)信號(hào)衰減。21. -種制備光伏電池的方法，特別是制備根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的光伏電 池的方法，其中，光伏電池（10)被制成為具有吸收器（12)和布置在所述吸收器上的防反射 層（16)，其中防反射層（16)由納米結(jié)構(gòu)層(20)制備，所述納米結(jié)構(gòu)層具有周期性布置的由 導(dǎo)電材料形成的天線元件(22)，所述納米結(jié)構(gòu)層與吸收器表面(12)相距1納米到50納米。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，至少天線元件的形狀、量、布置、周期性和離吸 收器的表面的距離根據(jù)光伏電池的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)參數(shù)變化，以在選定的第一頻率范圍內(nèi)確保 特定的吸收增加和/或在第二頻率范圍內(nèi)確保光學(xué)衰減。23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的制備光伏電池的方法，其中：在施加吸收層和保護(hù)層之 后，納米結(jié)構(gòu)層的制備至少包括以下步驟： -將光刻膠層施加到保護(hù)層上； -借助于納米結(jié)構(gòu)的沖頭對(duì)光刻膠層進(jìn)行壓?。? -通過借助于紫外光進(jìn)行照射對(duì)光刻膠層進(jìn)行顯影，以生成納米結(jié)構(gòu)的光刻膠層； -進(jìn)行蝕刻以生成凹部； -用導(dǎo)電材料對(duì)納米結(jié)構(gòu)層進(jìn)行二維涂覆； -移除光刻膠層。24. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，其中，在施加吸收層和保護(hù)層之后，通過納米干 涉光刻法進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)層的制備，隨后進(jìn)行以下步驟： -蝕刻，以在防反射層中生成凹部； -通過使用導(dǎo)電材料對(duì)納米結(jié)構(gòu)層進(jìn)行二維涂覆； -移除光刻膠層。25. 根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的方法，其中： 在移除光刻膠層之后，施加優(yōu)選地由氧化硅組成的保護(hù)層。
【文檔編號(hào)】H01L31/0232GK105830224SQ201480058264
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2014年8月14日
【發(fā)明人】杰米·盧帕卡-肖姆博, 里卡多·盧帕卡-肖姆博, 喬爾格·安德烈亞斯·莫萊恩
【申請(qǐng)人】Nts納諾太陽能技術(shù)公司