CN102097497A

CN102097497A - 一种高转换效率的太阳能电池

Info

Publication number: CN102097497A
Application number: CN2010106071888A
Authority: CN
Inventors: 朱永; 王宁; 陈建君; 韦玮; 李平; 文玉梅
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-06-15

Abstract

一种高转换效率的太阳能电池，属于半导体材料应用领域。本发明是在太阳能电池原有的增透膜中形成有周期性的纳米结构（如纳米线光栅、纳米孔阵列）。这种纳米结构能够降低增透膜的等效折射率，使增透膜的折射率能够与衬底相匹配从而提高膜的抗反性，增加太阳能电池的光吸收，从而提高太阳能电池的转换效率；理论分析表明采用纳米结构增透膜后太阳能电池的转换效率在400nm-1000nm有较大的提高，特别是在短波段有很大的提高；本发明只需要在传统太阳能电池加工工艺的基础上使用光刻和刻蚀就能够实现，和传统的太阳能电池的加工工艺相兼容，能够广泛应用于光伏产业。

Description

一种高转换效率的太阳能电池

技术领域

本发明涉及的是一种提高太阳能转换效率的技术，特别是一种具有周期性纳米结构的增透膜太阳能电池，属于半导体材料应用领域。

背景技术

由于硅材料具有低成本、储藏丰富、无毒性，稳定性以及加工工艺成熟等优点，使其成为制作光伏器件的最好选择。目前商用的光伏器件通常具有200-300mm的硅有源层，约占光伏器件成本的40%，对于大范围的应用，代价非常高。为了降低大范围应用的成本，研究人员提出了只有几个微米硅有源层的薄膜太阳能电池，但是有源层越薄光伏器件的光吸收就越弱，从而导致光伏器件转换效率的降低，因此如何提高光伏器件的光吸收就成为了光伏器件研究的热点内容。Walheim等人首次提出使用纳米结构来提高光伏器件对光的增透性，随后硅纳米颗粒、金、银纳米颗粒以及其他一些等离子体结构涂敷在光伏器件表面用来提高器件的光吸收；光伏器件表面或是背面的周期性结构也能提高器件的光吸收；最近美国科学家提出用将有源层做成纳米线或是纳米棒来提高器件的光吸收；将有源层做成纳米孔阵列同样能够提高器件的光吸收且效果比纳米棒阵列效果好，但是其加工工艺和传统的光伏器件加工工艺不能完全兼容。

发明内容

本发明的目的在于提出利用周期性纳米结构将太阳能电池的表面增透膜做纳米结构的方法来提高太阳能电池的转换效率，且纳米结构可以通过光刻和刻蚀的工艺进行加工，解决和现有工艺不兼容的问题。

本发明通过以下措施来达到：

一种高转换效率的太阳能电池，其基本材料为P型单晶硅片，上表面为N+型区构成一个PN+结，在PN+结上表面形成有栅状金属电极，栅状金属电极的表面还均匀覆盖着增透膜，在P型单晶硅片的下表面形成有金属底电极，在所述增透膜上形成有周期性的纳米结构。

本发明只对太阳能电池的增透膜进行纳米级的结构化。所采用的周期性的纳米结构为纳米周期的一维线光栅和二维纳米孔阵列。

对于单层增透膜，当满足如下两个条件时出现零反射：1)膜层的光学厚度为入射光波长的四分之一，它使膜层两边的反射振幅矢量方向相反；2) 膜层的折射率大小满足，n ₀为入射介质的折射率，n ₂为基底的折射率，这个条件保证了膜层的反射振幅大小相等。对于单层增透膜条件1）容易满足，但是条件2)不容易满足，如：Si₃N₄的折射率为2.01，空气和Si基底的折射率采用1.00和3.42。计算可得n ₁为1.85，Si₃N₄的折射率大于计算值，这样就会导致增透效果不够理想。如果氮化硅薄膜上面存在纳米孔阵列，且孔的尺寸小于工作波长，则其等效折射率为：

(1)

P为孔隙率，此时带纳米孔的氮化硅薄膜的等效折射率小于氮化硅薄膜的折射率，通过改变孔隙率P的大小可以使等效折射率的大小满足条件ⅱ)。

基于以上分析，本发明将一维线光栅的周期设计在10nm-100nm之间，占空比在0.1-0.9之间，其中使太阳能电池转换效率最高的周期为：50nm，占空比为：0.7。二维纳米孔阵列可为矩形孔阵列（图3.a）或是圆孔整列（图3.b），其阵列形式可为矩形阵列（图4.a）或是三角阵列（图4.b），其中使太阳能电池转换效率最高的晶格常数d为：500nm，填充率为f (f=πa ²/4d ², a 是纳米孔的直径)为：0.4。

本发明中的周期性纳米结构可利用光刻和刻蚀加工工艺实现，也可以用聚焦离子束系统（FIB）或是电子束光刻（EBL）技术实现。

本发明采用周期性的纳米结构对太阳能电池的增透膜（即钝化层）进行结构化，改变增透膜的孔隙率P，使得增透膜的等效折射率能够比配条件2)从而增强了增透膜的抗反效果增强太阳能电池的光吸收，提高太阳能电池的转换效率。虽然黑硅和纳米多孔硅能够大大提高器件的光吸收，但是由于纳米结构改变了硅的特性使得器件不能有效的将吸收的光子转换为电子，而本发明仅仅利用周期性的纳米结构增强增透膜的增透效果提高器件的光吸收，没有改变硅的光电转换特性。

本发明可以用于有增透膜的其他太阳能电池如：多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。同样可以利用周期性的纳米结构将此类太阳能电池的增透膜结构化增强了增透膜的增透效果，提高了太阳能电池的转换效率。

附图说明

图1 硅太阳能电池结构示意图，1 金属底电极，2 PN+结，3 表面栅状电极，4 表面增透膜；

图2 周期性纳米线阵列示意图，1金属底电极，2 PN+结，3表面栅状电极，41 纳米光栅增透膜；

图2.a周期性纳米线阵列剖视图纸；

图3.a 纳米矩形孔阵列示意图，1金属底电极，2 PN+结，3 表面栅状电极，42 纳米矩形孔阵列增透膜；

图3.b 纳米圆孔阵列示意图，1金属底电极，2PN+结，3表面栅状电极，43 纳米圆孔阵列增透膜；

图4.a 纳米矩形阵列示意图；

图4.b 纳米三角阵列示意图。

具体实施方式

图1所示为一种太阳能电池结构，其基本材料为P型单晶硅片，上表面为N+型区构成一个PN+结2，在PN+结2上表面形成有栅状金属电极3，栅状金属电极3的表面还均匀覆盖着增透膜4，在P型单晶硅片的下表面形成有金属底电极1。

如图2、图2.a所示，在增透膜4中形成周期性的纳米光栅41，纳米光栅41加工在增透膜4中，孔隙率P=a/d（和光栅的占空比一致），通过改变周期d和占空比可改变光栅的孔隙率，根据式（1）可知，增透膜的等效折射率也被改变了，使增透膜的等效折射率和条件2）相匹配，从而提高太阳能电池的光吸收提高器件的转换效率。

如图3.a所示，在增透膜4中形成有周期性的纳米矩形孔阵列42，孔隙率P=a ²/d ²，通过改变孔的晶格常数和填充率可改变阵列的孔隙率，根据公式（1）可知，增透膜的等效折射率也被改变了，使增透膜的等效折射率和条件2）相匹配，从而提高太阳能电池的光吸收提高器件的转换效率。

如图3.b所示，在增透膜4中形成周期性的纳米圆孔阵列7，孔隙率P=pa ²/4d ²，通过改变孔的晶格常数和填充率可改变阵列的孔隙率，根据公式（1）可知，增透膜的等效折射率也被改变了，使增透膜的等效折射率和条件2）相匹配，从而提高太阳能电池的光吸收提高器件的转换效率。

不同纳米圆孔阵列的孔排列不同其孔隙率也不同，图4.a所示的矩形阵列其孔隙率为P=pa ²/4d ²，图4.b所示的三角形阵列其孔隙率为

Figure 2010106071888100002DEST_PATH_IMAGE003

pa ²/6d ²。

以上纳米光栅、纳米孔阵列的加工可以通过光刻和干法刻蚀工艺来实现。

Claims

1.一种高转换效率的太阳能电池，其基本材料为P型单晶硅片，上表面为N+型区构成一个PN+结（2），在PN+结（2）上表面形成有栅状金属电极（3），栅状金属电极（3）的表面还均匀覆盖着增透膜（4），在P型单晶硅片的下表面形成有金属底电极（1），其特征在于：在所述增透膜（4）中形成有周期性的纳米结构。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述周期性的纳米结构为周期为纳米级的一维线光栅或二维纳米孔阵列。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：所述一维线光栅的周期在10nm-100nm之间，占空比在0.1-0.9可调。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：所述一维线光栅的周期为：50nm，占空比为：0.7。

5.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：所述二维纳米孔阵列为矩形孔阵列或圆孔整列，其阵列形式为矩形阵列或是三角形阵列。

6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于：所述二维纳米孔阵列的晶格常数在100nm-700nm之间，占空比在0.1-0.7之间，其中最优的结构参数为晶格常数为：500nm，占空比为：0.4。

7.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：所述周期性的纳米结构利用光刻和刻蚀加工工艺实现，或是用聚焦离子束系统（FIB）或是电子束光刻（EBL）技术实现。