CN102044575B - 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池 - Google Patents

一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池 Download PDF

Info

Publication number
CN102044575B
CN102044575B CN201010569962A CN201010569962A CN102044575B CN 102044575 B CN102044575 B CN 102044575B CN 201010569962 A CN201010569962 A CN 201010569962A CN 201010569962 A CN201010569962 A CN 201010569962A CN 102044575 B CN102044575 B CN 102044575B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
plasma
solar cell
nano
silicon hydride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201010569962A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102044575A (zh
Inventor
祝俊
郭立强
丁建宁
程广贵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nantong Reda Electronic Material Co.,Ltd.
Original Assignee
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN201010569962A priority Critical patent/CN102044575B/zh
Publication of CN102044575A publication Critical patent/CN102044575A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102044575B publication Critical patent/CN102044575B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及氢化硅薄膜太阳电池开发技术领域，特指一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于：在ITO透明电极和氢化硅薄膜之间设有周期为T的等离子体；等离子体由纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜组成，等离子体对于入射光的反射率尽可能为零，等离子体和氢化硅薄膜中开有通孔。本发明利用表面等离子体材料增强硅薄膜电池对光的吸收量，制备一种由表面等离子体和硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池体系。

Description

一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池
技术领域
本发明涉及氢化硅薄膜太阳电池开发技术领域，特指一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，利用表面等离子体材料增强硅薄膜电池对光的吸收量，制备一种由表面等离子体和硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池体系。
背景技术
半导体太阳电池是根据光生伏特效应把太阳光通过P-N结直接转换为电能的一种能量转换器件，随着科学技术的提高，尤其近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的晶硅片上作出的电池转换效率超过14％；据报道，目前在50～60微米晶硅衬底上制作的电池效率超过16％。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17％，无机械刻槽在同样面积上效率达到16％，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的晶硅上电池效率达到15.8％；而氢化硅薄膜太阳电池转校效率相对较低；目前在晶硅电池里，能量低于带隙的光子和能量高出带隙的光子仅这两项损失就损失掉百分之六十几的光照能量，这个数字相当可观；在非晶硅电池里，这个数字应该略有不同，但相信差不了多少，道理是一样的。研究人员正在寻求提升电池效率的方法；2008年取得突破的技术是通过干法绒面优化上表面的结构和在外延层/衬底界面处插入一个中间多孔硅反射镜。采用这两种方式仅可将太阳能电池的效率提升到约14%。
本发明提出创造一种被称为“表面等离子体”的微电干扰可以得到更好的效果。当光照射到金属层时它能够在金属表面形成光波。这些电子光波在太阳能池表面像波纹一样移动。如果金属是造成缺陷形式，射入的光能够使微波振动，因此可以有效地散射光，而且，光在特定的共振色内这种散射过程更强，本发明根据表面等离子体和硅薄膜电池特点，设计了一种由表面等离子体和硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池体系，即一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池（如图1），该结构薄膜电池相比普通氢化硅薄膜太阳电池，增加了太阳光的吸收量，避免了电池直接暴露在空气当中，尤其有效阻止了来自自然环境对电池的损害，如：酸雨腐蚀、氧化等；并且该结构太阳电池稳定性能优越、电压输出和电流输出都得到相应的提高，又可以根据需要制作成单结（图2和图3)、叠层等结构的优点。
发明内容
本发明的目的将具有表面效应的三维等离子体，应用于pin结构的氢化硅薄膜太阳电池，以提高氢化硅薄膜太阳电池的整体性能，最终研制出一种由表面等离子体和氢化硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池，即表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池；为保证太阳电池达到或接近光的完全吸收性，选用不同介电常数的纳米金属材料。它具有稳定性好、完全吸光特性、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及I-V特性良好等优点。
一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，包括ITO透明电极、ZnO/Al背电极，其特征在于：从顶层到底层依次为：ITO透明电极、周期为T的等离子体、氢化硅薄膜和ZnO/Al背电极；等离子体由纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜组成，等离子体对于入射光的反射率尽可能为零，等离子体和氢化硅薄膜中开有通孔，通孔的直径R小于入射光最小入射波长的十份之一，通孔间距L大于等于通孔的直径（                                                )。
所述的等离子体对于入射光的反射率尽可能为零指使纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜满足完全匹配关系式
Figure 747811DEST_PATH_IMAGE002
，式中是金属的横向电导率,是金属的横向磁导率;
Figure 915026DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 928594DEST_PATH_IMAGE006
分别是真空的介电常数和磁导率。
所述入射光的波长范围为太阳光中可见光的波长范围。
本发明解决其关键问题所采用的技术方案是根据不同薄膜制备技术，制备所需纳米金属薄膜和半导体薄膜，按照本发明设计的电池结构（如图1所示）制定加工路线和加工方案。其核心加工工艺如下：
1）衬底玻璃清洗；
　　2）制备ITO透明电极；
3）利用溅射工艺依次制备纳米氧化铝或纳米银薄膜、纳米金薄膜；以上纳米金属薄膜满足完全匹配关系式,式中
Figure 762000DEST_PATH_IMAGE008
是金属的横向电导率,
Figure 585075DEST_PATH_IMAGE009
是金属的横向磁导率;和
Figure 570797DEST_PATH_IMAGE011
分别是真空的介电常数和磁导率．根据需要设计呈周期性排列结构，周期为T；
4）利用等离子体化学气相沉积系统依次制备p、i、n薄膜层；
如果电池为N结叠层电池，继续重复步骤2）至4）直至完成要求为止；
5）采用激光打孔技术在上述步骤2）~4）中制备的薄膜，进行激光钻孔（作为光路通道）。为使光在孔口发生衍射现象，通孔的直径小于入射光最小入射波长的十份之一，通孔间距尽可能接近通孔的直径；
6）制备ZnO/Al背电极；
7）进行太阳电池版刻蚀、采用键合装置，在真空环境下将透明玻璃与上述过程制备的电池芯片进行键合。
本发明的有益效果是设计表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，研制出稳定性好、吸光完全、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及I-V特性好的氢化硅薄膜太阳电池。
附图说明
图1是本发明的等离子体氢化硅薄膜太阳电池芯片结构示意图；
0，ITO电极；1，纳米氧化铝薄膜；2，纳米金薄膜；3，pin氢化硅薄膜；4，ZnO/Al
图2是本发明的pin氢化硅薄膜横向剖面图；
图3是本发明的单结等离子体氢化硅薄膜纵向剖面图。
具体实施方式
1. 太阳电池的结构设计
采用透明玻璃衬底，设计ITO/Al2O3/Au/p/i/n/ZnO/Al电池芯片结构，在两侧增加周期性排列的等离子体，并与芯片薄膜形成完全匹配的三维等离子体硅薄膜电池。增加周期性排列的表面等离子体，它表面存在的自由振动电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，这种利用表面等离子体效应的新型结构可有效提高氢化硅薄膜太阳电池的光电转换效率。
2、氢化硅薄膜太阳电池的制备
2.1 衬底玻璃的清洗
一、用比例为1：2：5的氨水、双氧水、去离子水混合煮沸5~10分钟；
二、分别依次用甲苯、丙酮、酒精超声波清洗15分钟；
三、用去离子水冲洗玻璃表面；
四、用高纯氮气吹干。
2.2 实验设备及实验材料
   实验设备：PECVD沉积系统、超声波清洗设备、溅射台；
   实验材料：浓度为5%高氢稀释硅烷、浓度为0.5%高氢稀释硼烷、浓度为0.5%高氢稀释磷烷、氢气、氩气；丙酮、酒精、甲苯、棉絮、高纯氮气等。
2.3   膜利用溅射技术制备透明电极为ITO。
2.4   等离子体层制备
氧化铝或银薄膜：氩气流量80sccm，射频功率源激励 100W，厚度5nm-20nm；
金薄膜：氩气流量80sccm，射频功率源激励 300W，厚度5nm-20nm。
2.5  利用PECVD方法在透明电极上生长pin结构 
沉积条件：本底真空在1.6×10-4Pa，射频功率在200~300W（频率是13.56 MHz），沉积温度在280 ℃，直流偏压200 V，反应压强200pa；
p层：硅烷流量10sccm，氢气流量90sccm，硼烷流量10 sccm，厚度大约80 nm；
i层：硅烷流量10sccm，氢气流量90sccm，厚度大约1000 nm-1200nm；
n层：硅烷流量10sccm ，氢气流量90sccm，磷烷流量10sccm，厚度大约80 nm。
2.6 界面缺陷的处理
PECVD沉积每层硅薄膜后进行15分钟的氢钝化处理，以降低表面载流子的复合率。
2.7 背反射电极的制备
在室温下利用掺铝ZnO靶材，通过控制氧气流量40-60sccm，氩气80sccm，利用直流电源激励100V制备100nm厚度的氧化锌薄膜；然后改换铝靶，控制氩气流量80sccm，直流电压激励100V，厚度为300nm铝薄膜。
3、后续加工
3.1   三维等离子体激光打孔
本底真空2.0×10-4Pa，对等离子体和氢化硅薄膜进行激光打孔，通孔直径R为20nm，孔间距L为30nm。
3.2电池刻蚀、键合加工
本底真空1.0×10-4Pa，以保证孔内形成真空状态。
与普通单结结构氢化硅薄膜太阳电池相比，单节等离子体氢化硅薄膜太阳电池的开路电压在1.0V，短路电流30mA/cm2、转换效率提高至20%左右，填充因子基本不变。 

Claims (3)

1.一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，包括ITO透明电极、氢化硅薄膜和ZnO/Al背电极，其特征在于：在ITO透明电极和氢化硅薄膜之间设有周期为T的等离子体；等离子体由纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜组成，等离子体对于入射光的反射率尽可能为零，等离子体和氢化硅薄膜中开有通孔；所述通孔的直径R小于入射光最小入射波长的十份之一，通孔间距L大于等于通孔的直径；所述的等离子体对于入射光的反射率尽可能为零指使纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜满足完全匹配关系式                                               
Figure 174938DEST_PATH_IMAGE002
，式中
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
是金属的横向电导率，
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
是金属的横向磁导率；
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
分别是真空的介电常数和磁导率。
2.如权利要求1所述的一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于：所述通孔间距
Figure 685554DEST_PATH_IMAGE012
。
3. 如权利要求1所述的一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于：所述入射光的波长范围为太阳光中可见光的波长范围。
CN201010569962A 2010-12-02 2010-12-02 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池 Active CN102044575B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010569962A CN102044575B (zh) 2010-12-02 2010-12-02 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010569962A CN102044575B (zh) 2010-12-02 2010-12-02 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102044575A CN102044575A (zh) 2011-05-04
CN102044575B true CN102044575B (zh) 2012-08-29

Family

ID=43910562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010569962A Active CN102044575B (zh) 2010-12-02 2010-12-02 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102044575B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066136A (zh) * 2012-12-27 2013-04-24 东南大学 一种提高量子效率的光转换薄膜

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1744331A (zh) * 2005-08-01 2006-03-08 金昊 一种太阳能电池制作方法
CN101414648A (zh) * 2007-10-17 2009-04-22 财团法人工业技术研究院 结晶硅太阳能电池的快速氢钝化的方法
CN101499496A (zh) * 2008-01-29 2009-08-05 东捷科技股份有限公司 一种硅薄膜太阳能电池
CN101807613A (zh) * 2010-03-29 2010-08-18 哈尔滨工业大学 三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL1030200C2 (nl) * 2005-10-14 2007-04-17 Stichting Energie Werkwijze voor het vervaardigen van n-type multikristallijn silicium zonnecellen.
US20090242019A1 (en) * 2007-12-19 2009-10-01 Silexos, Inc Method to create high efficiency, low cost polysilicon or microcrystalline solar cell on flexible substrates using multilayer high speed inkjet printing and, rapid annealing and light trapping

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1744331A (zh) * 2005-08-01 2006-03-08 金昊 一种太阳能电池制作方法
CN101414648A (zh) * 2007-10-17 2009-04-22 财团法人工业技术研究院 结晶硅太阳能电池的快速氢钝化的方法
CN101499496A (zh) * 2008-01-29 2009-08-05 东捷科技股份有限公司 一种硅薄膜太阳能电池
CN101807613A (zh) * 2010-03-29 2010-08-18 哈尔滨工业大学 三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102044575A (zh) 2011-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108807565A (zh) 一种钝化接触电极结构，其适用的太阳能电池及制作方法
CN103107228B (zh) 光电转换装置
CN102157577B (zh) 纳米硅/单晶硅异质结径向纳米线太阳电池及制备方法
CN103681965A (zh) 柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法
CN207282509U (zh) 双面受光的晶体硅/薄膜硅异质结太阳电池
CN109638094A (zh) 高效异质结电池本征非晶硅钝化层结构及其制备方法
CN108899375A (zh) 一种硅基异质结光伏电池的制备方法
CN111554763A (zh) 一种高开压高效钙钛矿/晶硅叠层电池
CN103746013A (zh) 一种石墨烯太阳能电池及其制备方法
CN108493296A (zh) 一种柔性CdTe薄膜太阳电池及其制备方法和应用
CN107093649B (zh) 一种hjt光伏电池的制备方法
CN102315288A (zh) 薄膜太阳能电池及其制备方法
CN102130213A (zh) 具有背面钝化的选择性发射结硅太阳能电池的制备方法
CN103077981B (zh) 柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳电池及其制造方法
CN115148838B (zh) 太阳电池及生产方法、光伏组件
CN104332512B (zh) 一种微晶硅薄膜太阳能电池及其制备方法
CN103000738A (zh) 一种机械叠层碲化镉/多晶硅太阳能电池
CN108321240A (zh) 一种太阳能异质结电池及其制备方法
CN102044575B (zh) 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池
CN104409528B (zh) 一种宽光谱特性改善的hazo/azo复合透明导电前电极及应用
CN101882653B (zh) 基于纳米CdS薄膜的太阳能电池制备方法
CN101556973B (zh) 薄膜光伏器件及复合电极
CN103594527A (zh) 硅晶太阳能芯片、包括其的电池、及其制造方法
CN203733813U (zh) 一种石墨烯太阳能电池
Srivastava et al. Nanostructured black silicon for efficient thin silicon solar cells: potential and challenges

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: NANTONG RUIDA ELECTRONIC MATERIALS CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: JIANGSU UNIVERSITY

Effective date: 20140115

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 212013 ZHENJIANG, JIANGSU PROVINCE TO: 226371 NANTONG, JIANGSU PROVINCE

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20140115

Address after: 226371 Jiangsu city of Nantong province Tongzhou District Xing Dong Zhen Sun Li Qiao Cun Dong Yi Group

Patentee after: Nantong Reda Electronic Material Co.,Ltd.

Address before: Zhenjiang City, Jiangsu Province, 212013 Jingkou District Road No. 301

Patentee before: Jiangsu University