一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池

摘要

本发明涉及一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池，该陷光结构包括二维直角四棱锥形陷光硅层(4)，所述二维直角四棱锥形陷光硅层(4)由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。本发明公开的陷光结构是具有较强的耦合特性，拥有宽光谱吸收增强、角度敏感性好的特点，吸收增强效果比传统倒金字塔等结构的效果更佳。

说明书

技术领域

本发明涉及一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池。

背景技术

近年来，随着科技的进步、经济的发展，各国对能源的需求越来越大，电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，促进了光伏产业的迅速发展。太阳能光伏发电的核心器件是太阳能电池，硅太阳能电池由于来源广泛，成本低，占据着太阳能电池的主导地位。目前太阳能电池主要包括晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。与晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有成本低，可大面积生产，弱光性更佳等优势。但是薄膜太阳能电池由于减少了吸收层厚度，吸收长度也相应减少，从而导致薄膜硅太阳能电池光电转换效率不高。大量研究表明在硅片表面制备某种特定形状的周期性、规则性纳米结构，不但可以增加太阳光在硅片内部的有效运动长度，造成入射光之间的耦合，还可以减小入射光从空气向硅片传播路径中的折射率，从而有效提高了太阳电池的转换效率。

目前，工业生产上为了提高硅基薄膜太阳能电池的效率，主要的方法是采用表面无序结构和金字塔结构。第一种是利用表面无序的介质纹理结构或者金属颗粒作为前向或后向散射体。例如，RahulDewan研究了表面无序陷光结构的陷光能力。他首先利用原子力显微镜(AFM)扫描了表面无序结构的形状，为了更清楚显示表面的结构，分别列出了幅度值增大三倍和缩小三倍的曲线。在得到曲线形状的基础上，他进一步用严格耦合波算法(RCWA)方法计算了结构的陷光能力。虽然用这种结构能够提升薄膜电池的吸收能力，但是从该研究结果可以看出。无序结构是先制作面型结构再进行参数分析。因此对于表面无序陷光结构的设计研究存在一定偶然性，无法重复某些较好的结构面型，更无法基于特定面型做改进。第二种是使用周期性的介质结构或光子晶体来俘获光，利用光栅耦合作用能有效地提升一定带宽的光子吸收。例如，GangChen等人运用湿法刻蚀的方法在5μm厚的硅基太阳能电池中制备出了倒金字塔结构，并且达到了37.1mA/cm2的短路电流密度。但是，湿法刻蚀得制备方法往往也会形成杂乱无序的结构。虽然随机无序的陷光结构可以获得宽光谱范围内吸收增长，但由于结构排列无序难以实现最大化增强吸收。为了使纳米结构排列的整齐有序，他们采用掩膜光刻和湿法刻蚀相结合的方法，然而这一方法也只适用于单晶硅太阳能电池。

整体来说，现有技术利用无序结构或金字塔所能起到的光谱吸收范围增加有限，吸收效率不高，制作工艺复杂，成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池，起到不但具有周期性面型耦合来增强宽光谱吸收效率，增强光谱吸收，并且制作无需掩膜版、简单、快速且成形面积大的作用。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种陷光结构，包括二维直角四棱锥形陷光硅层，所述二维直角四棱锥形陷光硅层由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。

更进一步的，所述硅吸收层的厚度为1000nm，所述二维直角四棱锥的周期变化范围为300nm到1300nm，高度变化范围为100nm到1000nm。

更进一步的，二维直角四棱锥的单个周期的周期为700nm，高度是900nm。

一种制备陷光结构的方法，包括以下步骤：用双光束干涉在硅上刻制作直角四棱锥形陷光结构，单个周期的二维直角四棱锥的形成方式是：两束具有同样光强的干涉光，当两束相干光到达有一定倾斜角度的倾斜基板面上时，所述两束干涉光的光程约波长的整数倍，使得原本对称的余弦干涉图样削掉一半，变成非完全对称结构，然后通过转动基板90°第二次曝光，被曝光的正性光刻胶经显影过后形成所述二维直角四棱锥结构。

一种薄膜太阳能电池，包括金属电极，所述金属电极的外层依次设置有第一透明导电氧化物薄膜层、硅吸收层、二维直角四棱锥形陷光硅层和第二透明导电氧化物薄膜层，其中所述二维直角四棱锥形陷光硅层由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开的陷光结构是有序的周期性非完全对称二维结构，具有较强的耦合特性，拥有宽光谱吸收增强、角度敏感性好的特点，吸收增强效果比传统倒金字塔等结构的效果更佳，可以通过简单双光束干涉光刻方法直接进行制备，成形面积大、不受吸收层材料限制，无需掩膜版，能够简单快速的制成。

附图说明

图1为本发明一种陷光结构在电池中单个周期二维直角四棱锥的立体示意图。

图2为本发明一种陷光结构不同周期和高度的短路电流密度。

图3为本发明一种陷光结构在电池在垂直入射时的吸收光谱。

图4为本发明一种陷光结构随角度变化的吸收光谱。

图5为发明一种制备陷光结构的方法中利用双光束干涉光刻制作一维时直角四棱锥结构的半成品结构示意图。

图6为发明一种制备陷光结构的方法中利用双光束干涉光刻制作二维直角四棱锥结构的成品结构示意图。

图7为本发明一种薄膜太阳能电池的剖面示意图。

图中：1-金属电极，2-第一透明导电氧化物薄膜层，3-硅吸收层，4-二维直角四棱锥形陷光硅层，5-第二透明导电氧化物薄膜层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一种陷光结构的一个实施例：一种陷光结构，包括二维直角四棱锥形陷光硅层4，所述二维直角四棱锥形陷光硅层4由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。

二维直角四棱锥形陷光层的吸收效果可通过以下方式体现：周期性二维直角四棱锥形陷光结构的吸收增强效果可以根据垂直入射时的短路电流密度J_sc来评估，其表达式如下：

$>J_{sc}=\frac{q}{hc}\int \lambda ·A\left(\lambda \right)·I_{AM1.5G}\left(\lambda \right)d\lambda ---\left(1\right)$>

其中q是电荷量，λ是入射光波长,h是普朗克常量,c是光速,I_AM1.5G(λ)为AM1.5G太阳光谱辐射，A(λ)为电池的吸收光谱,其与光子结构紧密相关，计算时电池的吸收光谱A(λ)将在300nm到1100nm的太阳光谱内展开。

根据本发明一种陷光结构的一个优选实施例，所述硅吸收层3的厚度为1000nm，所述二维直角四棱锥的单个周期的周期(宽度)P变化范围为300nm到1300nm，高度H变化范围为100nm到1000nm，。

图2示出了本发明一种陷光结构的一个优选实施例，二维直角四棱锥的单个周期的周期P为700nm，高度H是900nm，其对应的短路电流密度为31.01mA/cm²。同理，通过该优化方法也可以得到一个最佳的倒金字塔陷光结构，其周期为600nm，高度为700nm，短路电流密度为28.27mA/cm²。

为了体现这种最佳陷光结构对电池吸收增强的影响，同时与传统的金字塔陷光结构的电池、没有陷光结构平板电池，以及理论吸收极限进行比较。如图3所示，具有陷光结构的电池明显地在整个太阳能光谱范围上都要比平板电池的吸收效果好，而且都趋近于极限。同时，最佳直角四棱锥形陷光结构在700nm以上的长波段对电池的吸收增强效果明显好于最佳倒金字塔陷光结构。

图4示出了本发明一种陷光结构的角谱分析实施例，入射角在0°到85°变化时，最佳直角四棱锥形陷光结构的吸收光谱也表明了该直角四棱锥形陷光结构对角度并不敏感，与倒金字塔类似。考虑到陷光结构制备的过程，直角四棱锥形的陷光结构可以通过简单双光束干涉进行制备，并且成形积大。因此，这样的周期性二维直角四棱锥形陷光结构更实用。

图5和图6还示出了本发明一种制备陷光结构的方法，包括以下步骤：用双光束干涉在硅上刻制作直角四棱锥形陷光结构，单个周期的二维直角四棱锥的形成方式是：两束具有同样光强的干涉光，当两束相干光到达有一定倾斜角度的倾斜基板面上时，所述两束干涉光的光程约波长的整数倍，使得原本对称的余弦干涉图样削掉一半，变成非对称结构，然后通过转动基板90°第二次曝光，被曝光的正性光刻胶经显影过后形成所述二维直角四棱锥结构。

图7示出了本发明一种薄膜太阳能电池的一个实施例，结合图1可知：一种薄膜太阳能电池，包括金属电极1，其特征在于：所述金属电极1的外层依次设置有第一透明导电氧化物薄膜层2、硅吸收层3、二维直角四棱锥形陷光硅层4和第二透明导电氧化物薄膜层5，其中所述二维直角四棱锥形陷光硅层4由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。