CN102097518A - 太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池，包括：一背电极、一硅片衬底、一掺杂硅层以及一上电极。其中，所述硅片衬底包括一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面，所述硅片衬底的第二表面设置有多个阶梯状的三维纳米结构；所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，并与该第一表面欧姆接触；所述掺杂硅层形成于所述三维纳米结构的表面以及相邻三维纳米结构之间的硅片衬底的第二表面；所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面。本发明还涉及一种所述太阳能电池的制备方法。

Description

太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是当今最清洁的能源之一，取之不尽、用之不竭。太阳能的利用方式包括光能-热能转换、光能-电能转换和光能-化学能转换。太阳能电池是光能-电能转换的典型例子，是利用半导体材料的光生伏特原理制成的。根据半导体光电转换材料种类不同，太阳能电池可以分为硅基太阳能电池(请参见太阳能电池及多晶硅的生产，材料与冶金学报，张明杰等，vol6，p33-38(2007))、砷化镓太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等。
目前，太阳能电池以硅基太阳能电池为主。请参阅图1，图1为现有技术中的太阳能电池400，该太阳能电池400包括：一背电极40、一硅片衬底42、一掺杂硅层44和一上电极46。所述硅片衬底42采用多晶硅或单晶硅制成，具有第一表面41以及与该第一表面41相对设置的第二表面43，该第二表面43为一平面结构。所述背电极40设置于所述硅片衬底42的第一表面41，且与该硅片衬底42的第一表面41欧姆接触。所述掺杂硅层44形成于所述硅片衬底42的第二表面43，作为光电转换的材料。该掺杂硅层44的表面为一平整的平面结构。所述上电极46设置于所述掺杂硅层44的表面。所述太阳能电池400中硅片衬底42和掺杂硅层44形成P-N结，所述P-N结在太阳光的激发下产生多个电子-空穴对(激子)，所述电子-空穴对在静电势能作用下分离并分别向所述背电极40和上电极46移动。如果在所述太阳能电池400的背电极40与上电极46两端接上负载，就会有电流通过外电路中的负载。
然而，现有技术中，由于形成于所述硅片衬底42第二表面43的掺杂硅层44的表面为一平整的平面结构，其表面积较小，因此，使所述太阳能电池400的取光面积较小。另外，太阳光线从外部入射到掺杂硅层44的表面时，由于该掺杂硅层44的表面为一平面结构，因此照射到所述掺杂硅层44的光线一部分被吸收，一部分被反射，而被反射的光线不能再利用，因此所述太阳能电池400对光线的利用率较低。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有较大取光面积的太阳能电池及其制备方法。
一种太阳能电池，包括：一硅片衬底，所述硅片衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面，所述硅片衬底的第二表面设置有多个三维纳米结构，该三维纳米结构为阶梯状结构；一背电极，所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，并与该第一表面欧姆接触；一掺杂硅层，所述掺杂硅层形成于所述三维纳米结构的表面以及相邻三维纳米结构之间的硅片衬底的第二表面；以及一上电极，所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面。
一种太阳能电池，包括从下至上依次设置的一背电极，一硅片衬底，一掺杂硅层，以及一上电极，其中，所述硅片衬底靠近上电极的表面设置有多个三维纳米结构，该三维纳米结构为阶梯状结构，所述掺杂硅层设置于三维纳米结构的表面
一种太阳能电池的制备方法，包括：提供一硅片衬底，所述硅片衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面，所述硅片衬底的第二表面设置有多个阶梯状三维纳米结构；在所述三维纳米结构表面及相邻三维纳米结构之间的硅片衬底的表面形成一掺杂硅层；提供一上电极，并将所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面；以及提供一背电极，将所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，使所述背电极与所述硅片衬底的第一表面欧姆接触。
相较于现有技术，所述太阳能电池通过在所述硅片衬底的第二表面设置多个阶梯状的三维纳米结构，可以提高所述太阳能电池的取光面积。此外，当光线照射到所述三维纳米结构的侧面时，该照射的光线一部分被吸收一部分被反射，被反射的光线中大部分光线再一次入射至相邻的三维纳米结构，被该相邻的三维纳米结构吸收和反射，因此所述照射的光线在所述的三维纳米结构中发生多次反射及吸收，从而可以进一步提高所述太阳能电池对光线的利用率。所述太阳能电池的制备方法，该方法工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为现有技术中的太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的太阳能电池中硅片衬底的结构示意图。
图4为本发明第一实施例提供的太阳能电池中硅片衬底的扫描电镜照片。
图5为本发明第一实施例提供的太阳能电池的制备方法的流程图。
图6为本发明第一实施例提供的太阳能电池的制备方法中在硅基板的第二表面形成多个三维纳米结构的制备方法的工艺流程图。
图7为本发明第一实施例提供的太阳能电池的制备方法中在硅基板的第二表面形成六角形密堆排布的单层纳米微球的扫描电镜照片。
图8为本发明第一实施例提供的太阳能电池的制备方法中在硅基板的第二表面形成简单立方排布之单层纳米微球的扫描电镜照片。
图9为本发明第二实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
图10为本发明第三实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
图11为本发明第三实施例提供的太阳能电池中硅片衬底的结构示意图。
主要元件符号说明
太阳能电池                    100；200；300；400
背电极                        10；30；40
第一表面                      11；21；31；41
硅片衬底                      12；32；42
第二表面                      13；23；33；43
掺杂硅层                      14；34；44
三维纳米结构                  15；25；35
第一圆柱                      152；252
第二圆柱                      154；254
上电极                        16；36；46
金属层                        18
硅基板                            22
掩膜层                            24
反应性刻蚀气体                    26
第一圆柱状空间                    352
第二圆柱状空间                    354
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图2，本发明第一实施例提供一种太阳能电池100，从下至上依次包括：一背电极10、一硅片衬底12、一掺杂硅层14以及一上电极16。太阳光从所述上电极16的一侧入射。所述硅片衬底12具有一第一表面11以及与该第一表面11相对设置的一第二表面13，所述第二表面13为所述硅片衬底12靠近所述上电极16的表面，即靠近太阳光入射方向一侧的表面。所述硅片衬底的第二表面13设置有多个三维纳米结构15，该三维纳米结构15为阶梯状结构；所述背电极10设置于所述硅片衬底12的第一表面11，并与该第一表面11欧姆接触；所述掺杂硅层14形成于所述三维纳米结构15的表面以及相邻三维纳米结构15之间的硅片衬底12的第二表面13；所述上电极16设置于所述掺杂硅层14的至少部分表面。
所述背电极10的材料可以为铝、镁或者银等金属。该背电极10的厚度为10微米～300微米。本实施例中，所述背电极10为一厚度约为200微米的铝箔。
请参阅图3，所述硅片衬底12为一P型硅片衬底，该P型硅片衬底的材料可以是单晶硅、多晶硅或其他的P型半导体材料。本实施例中，所述硅片衬底12为一P型单晶硅片。所述硅片衬底12的厚度为200微米～300微米。所述硅片衬底12第二表面13设置有多个三维纳米结构15。该多个三维纳米结构15在所述硅片衬底12上的第二表面13以阵列形式设置。所述以阵列形式设置指所述多个三维纳米结构15可以按照简单立方排布、同心圆环排布或六角形密堆排布等方式排列。而且，所述以阵列形式设置的多个三维纳米结构15可以形成一个单一图案或多个图案。所述单一图案可以为三角形、平行四边形、菱形、方形、矩形或圆形等。所述相邻的两个三维纳米结构15之间的距离相等。所述相邻的两个三维纳米结构15之间的距离为10纳米～1000纳米。所述多个三维纳米结构15在所述硅片衬底12上的第二表面13排列的形式以及相邻的两个三维纳米结构15之间的距离可以根据实际需要制备。本实施例中，所述多个三维纳米结构15呈六角形密堆排布形成一单一正方形图案，且相邻两个三维纳米结构15之间的距离约为30纳米。
该三维纳米结构15为阶梯状凸起结构。所述阶梯状凸起结构为从所述硅片衬底12的第二表面13向外延伸出的阶梯状突起的实体。所述阶梯状凸起结构为一多层结构，如多层三棱台、多层四棱台、多层六棱台、多层圆柱或多层圆台等。本实施例中，所述阶梯状凸起结构为多层圆柱结构。所述阶梯状凸起结构的最大尺寸为小于等于1000纳米，即其长度、宽度和高度均小于等于1000纳米。优选地，所述阶梯状凸起结构的长度、宽度和高度范围为10纳米～500纳米。
请一并参阅图4，本实施例中，所述三维纳米结构15为一阶梯状凸起的双层圆柱结构。具体地，所述三维纳米结构15包括一第一圆柱152以及一设置于该第一圆柱152上表面的第二圆柱154。所述第一圆柱152设置于所述硅片衬底12的第二表面13，且所述第一圆柱152的侧面垂直于硅片衬底12的第二表面13。所述第二圆柱154的侧面垂直于第一圆柱152的上表面。优选地，所述第一圆柱152与第二圆柱154同轴设置，且该第一圆柱152与第二圆柱154为一体结构，即所述第二圆柱154为第一圆柱152上表面延伸出的圆柱状结构。所述第一圆柱152的直径大于第二圆柱154的直径。所述第一圆柱152的直径为30纳米～1000纳米，高度为50纳米～1000纳米。优选地，所述第一圆柱152的直径为50纳米～200纳米，高度为100纳米～500纳米。所述第二圆柱154的直径为10纳米～500纳米，高度为20纳米～500纳米。优选地，所述第二圆柱154的直径为20纳米～200纳米，高度为100纳米～300纳米。所述第一圆柱152以及第二圆柱154的尺寸可以根据实际需要制备。本实施例中，所述第一圆柱152与第二圆柱154同轴设置，且该第一圆柱152与第二圆柱154与所述硅片衬底12为一体结构。所述第一圆柱152的直径为380纳米，高度为105纳米。所述第二圆柱154的直径为280纳米，高度为55纳米。
所述掺杂硅层14形成于所述三维纳米结构15的表面以及相邻三维纳米结构15之间的硅片衬底12的第二表面13，该掺杂硅层14的材料为一N型掺杂硅层。该掺杂硅层14可以通过向所述硅片衬底12的第二表面13及设置于所述硅片衬底12的第二表面13上的多个三维纳米结构15注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料制备而成。所述N型掺杂硅层14的厚度为10纳米～1微米。所述掺杂硅层14与所述硅片衬底12形成P-N结结构，从而实现所述太阳能电池100中光能到电能的转换。可以理解，在所述硅片衬底12的第二表面13设置多个三维纳米结构15可以使所述硅片衬底12的第二表面13具有较大的P-N结的界面面积，使所述太阳能电池具有较大的取光面积；此外，所述多个三维纳米结构15具有光子晶体的特性，因此，可以增加光子在所述三维纳米结构15的滞留时间以及所述三维纳米结构15的吸收光的频率范围，从而提高所述太阳能电池100的吸光效率，进而提高所述太阳能电池100的光电转换效率。
另外，当光线照射到所述第一圆柱152与第二圆柱154的侧面时，该照射的光线一部分被吸收一部分被反射，被反射的光线中大部分光线再一次入射至相邻的三维纳米结构15，被该相邻的三维纳米结构15吸收和反射，因此所述照射的光线在所述的三维纳米结构15中发生多次反射及吸收，也就是说，光线第一次照射到所述第一圆柱152与第二圆柱154的侧面时，被反射的光线大部分被再次利用，从而可以进一步提高所述太阳能电池100对光线的利用率。
所述上电极16可以与所述掺杂硅层14部分接触或完全接触。可以理解，所述上电极16可以通过所述多个三维纳米结构15部分悬空设置，并与所述掺杂硅层14形成部分接触；所述上电极16也可以包覆于所述掺杂硅层14表面，并与所述掺杂硅层14形成完全接触。该上电极16可以选自具有良好的透光性能以及导电性能的铟锡氧化物结构及碳纳米管结构，以使所述太阳能电池100具有较高的光电转换效率、较好的耐用性以及均匀的电阻，从而提高所述太阳能电池100的性能。所述铟锡氧化物结构可以是一氧化铟锡层，该铟锡氧化物层可以均匀地包覆于所述掺杂硅层14表面，并与所述掺杂硅层14完全接触；所述碳纳米管结构是由多个碳纳米管组成的一个自支撑结构，该碳纳米管结构可以为碳纳米管膜或碳纳米管线，所述碳纳米管膜或碳纳米管线可以通过所述多个三维纳米结构15部分悬空设置，并与所述掺杂硅层14形成部分接触。所述自支撑结构是指该碳纳米管结构可无需基底支撑，自支撑存在。本实施例中，所述上电极16为一碳纳米管膜，该碳纳米管膜是由多个碳纳米管组成的自支撑结构。该碳纳米管膜通过所述多个三维纳米结构15部分悬空设置，并与所述掺杂硅层14部分接触，该碳纳米管膜用于收集所述P-N结中通过光能向电能转换而产生的电流。
可以理解，所述太阳能电池100可以进一步包括一本征隧道层(图中未示)，该本征隧道层设置于所述硅片衬底12及掺杂硅层14之间，该本征隧道层的材料为二氧化硅或者氮化硅。该本征隧道层的厚度为1埃～30埃。所述本征隧道层的设置可以降低所述电子-空穴对在所述硅片衬底12和掺杂硅层14接触面的复合速度，从而进一步提高所述太阳能电池100的光电转换效率。
所述太阳能电池100中的硅片衬底12和掺杂硅层14的接触面形成有P-N结。在接触面上掺杂硅层14中的多余电子趋向硅片衬底12中的P型硅片衬底，并形成一个由掺杂硅层14指向硅片衬底12的内电场。太阳光从所述太阳能电池100的上电极16一侧入射，当所述P-N结在太阳光的激发下产生多个电子-空穴对时，所述多个电子-空穴对在内电场作用下分离，N型掺杂材料中的电子向所述上电极16移动，P型硅片衬底中的空穴向所述背电极10移动，然后分别被所述背电极10和上电极16收集，形成电流。
请参阅图5，本发明进一步提供一种所述太阳能电池100的制备方法，包括以下步骤：S10，提供一硅片衬底，所述硅片衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面，所述硅片衬底的第二表面设置有多个阶梯状的三维纳米结构；S11，在所述三维纳米结构表面及相邻三维纳米结构之间的硅片衬底的第二表面形成一掺杂硅层；S12，提供一上电极，并将所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面；S13，以及提供一背电极，将所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，使所述背电极与所述硅片衬底的第一表面欧姆接触。
请参阅图6，所述步骤S10进一步包括以下步骤：
步骤S101，提供一硅基板22，所述硅基板22包括一第一表面21以及与该第一表面21相对设置的第二表面23。该硅基板22为一P型硅片，该P型硅片的材料可以是单晶硅、多晶硅或其他的P型半导体材料。本实施例中，所述硅基板22为一P型单晶硅片。所述硅基板22的厚度为200微米～300微米。所述硅基板22的大小、厚度和形状不限，可以根据实际需要选择。
进一步，可以对所述硅基板22的第二表面23进行亲水处理。
首先，清洗所述硅基板22的第二表面23，清洗时采用超净间标准工艺清洗。然后，在温度为30℃～100℃，体积比为NH3 H2O∶H2O2∶H2O＝x∶y∶z的溶液中温浴30分钟～60分钟，对所述硅基板22的第二表面23进行亲水处理，之后用去离子水冲洗2次～3次。其中，x的取值为0.2～2，y的取值为0.2～2，z的取值为1～20。最后，用氮气对所述硅基板22的第二表面23进行吹干。
进一步，还可以对所述硅基板22的第二表面23进行二次亲水处理，其具体包括以下步骤：将亲水处理过后的所述硅基板22在2wt％～5wt％的十二烷基硫酸钠溶液(SDS)中浸泡2小时～24小时。可以理解，在SDS中浸泡过后的所述硅基板22的第二表面23有利于后续纳米微球的铺展并形成有序排列的大面积纳米微球。
步骤S102，在所述硅基板22的第二表面23形成掩膜层24。
所述在硅基板22的第二表面23形成掩膜层24的方法为在所述硅基板22的第二表面23形成单层纳米微球。可以理解，采用单层纳米微球作为掩膜层24，可以在纳米微球对应的位置制备得到阶梯状凸起结构。
所述在硅基板22的第二表面23形成一单层纳米微球作为掩膜层24具体包括以下步骤：
首先，制备一纳米微球的溶液。
本实施例中，在直径为15厘米的表面皿中依次加入150毫升的纯水、3微升～5微升的0.01wt％～10wt％的纳米微球、以及当量的0.1wt％～3wt％的SDS后形成混合物，将上述混合物静置分钟30～60分钟。待纳米微球充分分散于混合物中后，再加入1微升～3微升的4wt％的SDS，以调节纳米微球的表面张力，有利于形成单层纳米微球阵列。其中，纳米微球的直径可为60纳米～500纳米，具体地，纳米微球的直径可为100纳米、200纳米、300纳米或400纳米，上述直径偏差为3纳米～5纳米。优选的纳米微球的直径为200纳米或400纳米。所述纳米微球可以为聚合物纳米微球或硅纳米微球等。所述聚合物纳米微球的材料可以为聚苯乙烯(PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。可以理解额，所述表面皿中的混合物可依实际需求而按比例调制。
其次，在所述硅基板22的第二表面23形成一单层纳米微球溶液，所述单层纳米微球以阵列形式设置于所述硅基板22的第二表面23。
采用提拉法或旋涂法在所述硅基板22的第二表面23形成一单层纳米微球溶液。所述单层纳米微球可以呈六角密堆排布、简单立方排布或同心圆环排布等。
所述采用提拉法在硅基板22的第二表面23形成单层纳米微球溶液的方法包括以下步骤：首先，将经亲水处理后的所述硅基板22缓慢的倾斜的沿着表面皿的侧壁滑入表面皿的混合物中，所述硅基板22的倾斜角度为9°～15°。然后，将所述硅基板22由表面皿的混合物中缓慢的提起。其中，上述滑下和提起速度相当，均为5毫米/小时～10毫米/小时。该过程中，所述纳米微球的溶液中的纳米微球通过自组装形成呈六角密堆排布的单层纳米微球。
本实施例中，采用旋涂法在硅基板22的第二表面23形成单层纳米微球溶液，其包括以下步骤：首先，将亲水处理过后的硅基板22在2wt％的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡2小时～24小时，取出后在所述硅基板22的第二表面23上涂覆3微升～5微升的聚苯乙烯。其次，以旋涂转速为400转/分钟～500转/分钟的速度旋涂5秒～30秒。然后，以旋涂转速为800转/分钟～1000转/分钟的速度旋涂30秒～2分钟后。再次，将旋涂转速提高至1400转/分钟～1500转/分钟，旋涂10秒～20秒，除去边缘多余的微球。最后，将分布有纳米微球的第二表面23进行干燥后即可在所述硅基板22的第二表面23上形成呈六角密堆排布的单层纳米微球，进而形成所述掩膜层24。此外，在形成所述掩膜层24之后还可以进一步对硅基板22的第二表面23进行烘烤。所述烘烤的温度为50℃～100℃，烘烤的时间为1分钟～5分钟。
本实施例中，所述纳米微球的直径可为400纳米。请参阅图7，所述单层纳米微球中的纳米微球以能量最低的排布方式排布，即六角密堆排布。所述单层纳米微球排布最密集，占空比最大。所述单层纳米微球中任意三个相邻的纳米微球呈一等边三角形。
可以理解，通过控制纳米微球溶液的表面张力，可以使单层纳米微球中的纳米微球呈如图8所示的简单立方排布。
步骤S 103，采用反应性刻蚀气体26对所述硅基板22的第二表面23进行刻蚀同时对所述掩膜层24进行腐蚀，在所述硅基板22的第二表面23形成多个阶梯状的三维纳米结构25。
所述采用反应性刻蚀气体26对硅基板22的第二表面23进行刻蚀的步骤在一微波等离子体系统中进行。所述微波等离子体系统为反应离子刻蚀(Reaction-Ion-Etching，RIE)模式。所述采用反应性刻蚀气体26对硅基板22的第二表面23进行刻蚀的同时可以对所述掩膜层24进行腐蚀。当所述掩膜层24为单层纳米微球时，纳米微球的直径会在刻蚀的过程中缩小，所以可以形成多个阶梯状的三维纳米结构25。
本实施例中，将形成有单层纳米微球的硅基板22的第二表面23放置于微波等离子体系统中，且该微波等离子体系统的一感应功率源产生反应性刻蚀气体26。该反应性刻蚀气体26以较低的离子能量从产生区域扩散并漂移至所述硅基板22的第二表面23。一方面，所述反应性刻蚀气体26对所述单层纳米微球之间的所述硅基板22的第二表面23进行刻蚀，从而形成第一圆柱252；另一方面，所述反应性刻蚀气体26同时对所述硅基板22的第二表面23上的单层纳米微球进行腐蚀，形成更小直径的纳米微球，即单层纳米微球中的每一纳米微球被刻蚀削减为比所述第一圆柱252直径更小的纳米微球，使所述反应性刻蚀气体26可以对所述第一圆柱252进行进一步刻蚀，从而形成所述第二圆柱254，进而形成所述多个阶梯状的三维纳米结构25。
本实施例中，所述微波等离子体系统的工作气体包括六氟化硫(SF6)和氩气(Ar)或六氟化硫(SF6)和氧气(O2)。其中，六氟化硫的通入速率为10标况毫升每分～60标况毫升每分，氩气或氧气的通入速率为4标况毫升每分～20标况毫升每分。所述工作气体形成的气压为2帕～10帕。所述等离子体系统的功率为40瓦～70瓦。所述采用反应性刻蚀气体26刻蚀时间为1分钟～2.5分钟。优选地，所述微波等离子体系统的功率与微波等离子体系统的工作气体的气压的数值比小于20∶1。可以理解，通过控制反应性刻蚀气体26的刻蚀时间可以控制三维纳米结构25间的间距以及三维纳米结构25中所述第一圆柱252以及第二圆柱254的高度。
进一步，所述反应性刻蚀气体26中还可以加入三氟甲烷(CHF3)、四氟甲烷(CF4)或其混合气体等其他气体以调节刻蚀速率。所述三氟甲烷(CHF3)、四氟甲烷(CF4)或其混合气体的流量可以为20标况毫升每分～40标况毫升每分的。
步骤S104，去除所述掩膜层24，得到所述硅片衬底。
采用四氢呋喃(THF)、丙酮、丁酮、环己烷、正己烷、甲醇或无水乙醇等无毒或低毒环保容剂作为剥离剂，溶解纳米微球，可以去除纳米微球，保留形成在硅基板22中第二表面23的三维纳米结构25，进而形成本发明第一实施例中的硅片衬底12，其中，所述硅基板22的第一表面21为本发明第一实施例中所述硅片衬底12的第一表面11；所述三维纳米结构25为本发明第一实施例中所述硅片衬底12中的三维纳米结构15；所述硅基板22中相邻的三维纳米结构25之间的表面为本发明第一实施例中所述硅片衬底12的第二表面13。
本实施例中，通过在丁酮中超声清洗去除聚苯乙烯纳米微球。
步骤S12，在所述三维纳米结构15的表面及相邻三维纳米结构15之间的硅片衬底12的第二表面13形成一掺杂硅层14。
所述掺杂硅层14是通过向所述三维纳米结构15的表面及相邻三维纳米结构15之间的硅片衬底12的第二表面13注入过量的如磷或者砷等N型掺杂材料制备而成。所述掺杂硅层14的厚度为10纳米～1微米。所述掺杂硅层14与所述硅片衬底12形成P-N结结构，从而实现所述太阳能电池100中光能到电能的转换。
可以理解，在所述步骤S12之前，还可以进一步包括在所述三维纳米结构15的表面及相邻三维纳米结构15之间的硅片衬底12的第二表面13形成一本征隧道层，该本征隧道层的材料可以为二氧化硅或者氮化硅，该步骤为可选步骤。
步骤S13，提供一上电极16，并将所述上电极16设置于所述掺杂硅层14的至少部分表面。
可以理解，将所述上电极16设置于所述掺杂硅层14的表面，该上电极16可以与所述掺杂硅层14部分接触或完全接触。所述上电极16可以通过所述多个三维纳米结构15部分悬空设置，并与所述掺杂硅层14部分接触；所述上电极16也可以包覆于所述掺杂硅层14表面，并与所述掺杂硅层14完全接触。该上电极16可以选自具有良好的透光性能以及导电性能的铟锡氧化物结构及碳纳米管结构，以使所述太阳能电池100具有较高的光电转换效率、较好的耐用性以及均匀的电阻，从而提高所述太阳能电池100的性能。本实施例中，所述上电极16为一碳纳米管结构，该碳纳米管结构通过所述三维纳米结构15部分悬空设置，并与所述掺杂硅层14部分接触，该碳纳米管结构用于收集所述P-N结中通过光能向电能转换而产生的电流。
步骤S14，提供一背电极10，将所述背电极10设置于所述硅片衬底12的第一表面11，使所述背电极10与所述硅片衬底12的第一表面11欧姆接触。
所述背电极10的材料可以为铝、镁或者银等金属。该背电极10的厚度为10微米～300微米。可以理解，将所述背电极10设置于所述硅片衬底12的第一表面11，该背电极10可以与所述硅片衬底12的第一表面11形成欧姆接触。
请参阅图9，本发明第二实施例提供一种太阳能电池200，所述太阳能电池200与本发明第一实施例中的太阳能电池100的结构基本相同，不同之处在于，本实施例中的太阳能电池200进一步包括一纳米级的金属层18包覆于所述掺杂硅层14的表面。所述金属层18为由多个纳米级的金属颗粒铺展而成的单层层状结构或多层层状结构，该金属层18的厚度为2nm～200nm，所述金属层18的材料选自金、银、铜、铁或铝等金属材料。本实施例中，所述金属层18为一厚度为50纳米左右的纳米金颗粒层。
所述上电极16也可以与所述金属层18部分接触或完全接触。本实施例中，所述上电极16通过所述多个三维纳米结构15部分悬空设置，并与所述金属层18部分接触。
可以理解，在所述掺杂硅层14的表面包覆一层纳米级的金属层18，当入射光线透过所述上电极16照射到所述金属层18时，金属层18的表面等离子体被激发，从而增加了位于金属层18附近的掺杂硅层14对光子的吸收。此外，金属层18的表面等离子体产生的电磁场也有利于在太阳光的激发下P-N节结构中产生的多个电子-空穴对的分离。
本发明进一步提供一种所述太阳能电池200的制备方法，所述制备方法与本发明第一实施例中的太阳能电池100的制备方法基本相同，不同之处在于，在所述三维纳米结构15的表面及相邻三维纳米结构15之间的硅片衬底12的第二表面13形成一掺杂硅层14之后，进一步在所述掺杂硅层14的表面形成一金属层18。所述金属层18可以通过电子束蒸发法涂覆于所述掺杂硅层14的表面。
请参阅图10，本发明第三实施例提供一种太阳能电池300，包括：一背电极30、一硅片衬底32、一掺杂硅层34以及一上电极36。所述硅片衬底32具有一第一表面31以及与该第一表面31相对设置的一第二表面33，所述硅片衬底的第二表面33设置有多个三维纳米结构35，该三维纳米结构35为阶梯状结构；所述背电极30设置于所述硅片衬底32的第一表面31，并与该第一表面31欧姆接触；所述掺杂硅层34形成于所述三维纳米结构35的表面以及相邻三维纳米结构35之间的硅片衬底32的第二表面33；所述上电极36设置于所述掺杂硅层34的至少部分表面。
所述太阳能电池300与本发明第一实施例中的太阳能电池100的结构基本相同，不同之处在于，本实施例中，所述三维纳米结构35为一阶梯状凹陷结构，所述阶梯状凹陷结构为从所述硅片衬底32的第二表面33向内凹陷形成的阶梯状凹陷的空间。所述阶梯状凹陷结构为一多层结构，如多层三棱台、多层四棱台、多层六棱台、多层圆柱或多层圆台等。所述阶梯状凹陷结构的最大尺寸为小于等于1000纳米，即其长度、宽度和高度均小于等于1000纳米。优选地，所述阶梯状凹陷结构的长度、宽度和高度范围为10纳米～500纳米。本实施例中，所述阶梯状凹陷结构为多层圆柱结构。所谓阶梯状凹陷结构为多层圆柱结构是指所述阶梯状凹陷的空间为多层圆柱形状。
请参阅图11，本实施例中，所述三维纳米结构35的形状为一双层圆柱状空间，具体包括一第一圆柱状空间352，以及一与所述第一圆柱状空间352连通的第二圆柱状空间354。所述第一圆柱状空间352与第二圆柱状空间354同轴设置。所述第一圆柱状空间352靠近硅片衬底32的第二表面33设置。所述第一圆柱状空间352的直径大于第二圆柱状空间354的直径。所述第一圆柱状空间352的直径为30纳米～1000纳米，高度为50纳米～1000纳米。所述第二圆柱状空间354的直径为10纳米～500纳米，高度为20纳米～500纳米。所述第二圆柱状空间354以及第二圆柱状空间354的尺寸可以根据实际需要制备。
所述多个三维纳米结构35在所述硅片衬底32上的第二表面33以阵列形式设置。所述以阵列形式设置指所述多个三维纳米结构35可以按照简单立方排布、同心圆环排布或六角形密堆排布等方式排列，而且所述以阵列形式设置的多个三维纳米结构35可以形成一个单一图案或多个图案。所述相邻的两个三维纳米结构35之间的距离相等。所述相邻的两个三维纳米结构35之间的距离为10纳米～1000纳米。所述多个三维纳米结构35在所述硅片衬底32上的第二表面33设置的形式以及相邻的两个三维纳米结构35之间的距离可以根据实际需要制备。本实施例中，所述多个三维纳米结构35呈六角形密堆排布形成一单一正方形图案，且相邻两个三维纳米结构35之间的距离约为50纳米。
可以理解，在所述硅片衬底32的第二表面33设置多个纳米级的阶梯状凹陷结构可以使所述硅片衬底32的第二表面33具有较大的P-N结的界面面积，从而提高所述太阳能电池300的光电转换效率。此外，当光线照射到所述阶梯状凹陷结构时，该照射的光线可以在所述阶梯状凹陷结构中发生多次反射并吸收，从而增加了所述掺杂硅层的陷光性能；此外，所述多个三维纳米结构35也具有光子晶体的特性，还可以增加光子在所述三维纳米结构35的滞留时间以及三维纳米结构35的吸收光的频率范围，从而提高所述太阳能电池300吸光效率，进而提高所述太阳能电池300的光电转换效率。
可以理解，所述太阳能电池300也可以进一步包括一本征隧道层(图中未示)，该本征隧道层设置于所述硅片衬底32及掺杂硅层34之间。该本征隧道层可以降低所述电子-空穴对在所述硅片衬底32和掺杂硅层34接触面的复合速度，从而进一步提高所述太阳能电池300的光电转换效率。此外，所述太阳能电池300还可以进一步包括一纳米级的金属层(图中未示)，该金属层包覆于所述掺杂硅层34表面。该金属层与本发明第二实施例中的金属层18具有相同的材料和厚度。
本发明进一步提供一种所述太阳能电池300的制备方法，所述制备方法与本发明第一实施例中的太阳能电池100的制备方法基本相同，不同之处在于，由于本实施例中的三维纳米结构为阶梯状凹陷结构，所以本实施例中，在所述硅基板22的第二表面23形成一具有多个开孔的连续膜作为所述掩膜层24。可以理解，采用具有多个开孔的连续膜作为掩膜层24时，一方面，所述反应性刻蚀气体26对所述连续膜中对应开孔部分的硅基板22第二表面23进行刻蚀，从而形成第二圆柱状空间354；另一方面，所述反应性刻蚀气体26同时对所述硅基板22的第二表面23上的连续膜进行腐蚀，使所述连续膜中的开孔变大，使所述反应性刻蚀气体26对所述硅基板22第二表面23的刻蚀范围更大，从而形成所述第一圆柱状空间352，最后在开孔对应的位置制备得到阶梯状凹陷结构。可以理解，通过控制反应性刻蚀气体26的刻蚀时间可以控制三维纳米结构35间的间距以及三维纳米结构35中所述第二圆柱状空间354以及第二圆柱状空间354的尺寸。所述具有多个开孔的连续膜可以通过纳米压印、模板沉积等方式制备。
本发明实施例的太阳能电池具有以下优点：首先，在所述硅片衬底的表面设置多个阶梯状的三维纳米结构，可以提高所述太阳能电池的取光面积；其次，所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构可以使入射的太阳光在所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构发生多次反射及吸收，从而增加了所述掺杂硅层的陷光性能以及所述太阳能电池对各个方向的光吸收效率，因此，可以提高所述太阳能电池对光线的利用率；再次，在所述掺杂硅层的表面包覆一层纳米级的金属层，当入射光线透过所述太阳能电池的上电极照射到所述金属层时，由于金属层的表面等离子效应，可以增加所述金属层附近的掺杂硅层对光子的吸收性能，并有利于在太阳光的激发下P-N节结构中产生的多个电子-空穴对的分离；最后，所述阶梯状的三维纳米结构还具有光子晶体的特性，可以增加光子在所述三维纳米结构的滞留时间以及三维纳米结构的吸收太阳光的频率范围，进而提高所述太阳能电池的光电转换效率。
本发明实施例所述太阳能电池的制备方法，该方法通过掩膜层和反应性刻蚀气体相结合的方法，可以在所述硅片衬底的第二表面形成阶梯状的三维纳米结构以增加所述太阳能电池的取光面积，且该方法工艺简单，成本低廉。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (24)

1.一种太阳能电池，其特征在于，其包括：
一硅片衬底，所述硅片衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面，所述硅片衬底的第二表面设置有多个三维纳米结构，该三维纳米结构为阶梯状结构；
一背电极，所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，并与该第一表面欧姆接触；
一掺杂硅层，所述掺杂硅层设置于所述三维纳米结构的表面以及相邻三维纳米结构之间的硅片衬底的第二表面；以及
一上电极，所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述阶梯状结构为阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述阶梯状凸起结构或阶梯状凹陷结构的最大尺寸小于等于1000纳米。
4.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述阶梯状结构为多层三棱台、多层四棱台、多层六棱台、多层圆柱或多层圆台。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述三维纳米结构包括一第一圆柱以及一设置于该第一圆柱上表面的第二圆柱，且第一圆柱的直径大于第二圆柱的直径，所述第一圆柱与第二圆柱为一体结构且同轴设置。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一圆柱的底面直径为50纳米～1000纳米，高度为100纳米～1000纳米；所述第二圆柱的底面直径为10纳米～500纳米，高度为20纳米～500纳米。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个三维纳米结构以阵列形式设置于所述硅片衬底的第二表面。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个三维纳米结构按照简单立方排布、同心圆环排布或六角形密堆排布的方式设置在所述硅片衬底的第二表面。
9.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个三维纳米结构形成一个单一图案或多个图案。
10.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述三维纳米结构与硅片衬底为一体结构。
11.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述相邻的两个三维纳米结构之间的距离为10纳米～1000纳米。
12.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，进一步包括一本征隧道层，所述本征隧道层设置于所述硅片衬底及掺杂硅层之间。
13.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，进一步包括一纳米级的金属层，所述金属层包覆于所述掺杂硅层的表面。
14.如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，所述金属层的厚度为2nm～200nm。
15.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述上电极通过所述多个三维纳米结构部分悬空设置，并与所述掺杂硅层形成部分接触。
16.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述上电极包覆于所述掺杂硅层表面，并与所述掺杂硅层形成完全接触。
17.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述上电极为铟锡氧化物结构或碳纳米管结构。
18.一种太阳能电池，包括从下至上依次设置的一背电极，一硅片衬底，一掺杂硅层，以及一上电极，其特征在于，所述硅片衬底靠近上电极的表面设置有多个三维纳米结构，该三维纳米结构为阶梯状结构，所述掺杂硅层设置于三维纳米结构的表面。
19.一种太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：
提供一硅片衬底，所述硅片衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面，所述硅片衬底的第二表面设置有多个阶梯状三维纳米结构；
在所述三维纳米结构表面及相邻三维纳米结构之间的硅片衬底的表面形成一掺杂硅层；
提供一上电极，并将所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面；以及
提供一背电极，将所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，使所述背电极与所述硅片衬底的第一表面欧姆接触。
20.如权利要求19所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述硅片衬底的制备方法为：
提供一硅基板，所述硅基板包括一第一表面及与该第一表面相对设置的一第二表面；
在所述硅基板的第二表面形成掩膜层；
采用反应性刻蚀气体对所述硅基板的第二表面进行刻蚀的同时对所述掩膜层进行腐蚀，在所述硅基板的第二表面形成多个阶梯状的三维纳米结构；以及
去除所述掩膜层。
21.如权利要求20所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在硅基板的第二表面形成掩膜层的方法为在所述硅基板的第二表面形成单层纳米微球。
22.如权利要求21所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在硅基板的第二表面形成单层纳米微球的方法为提拉法或旋涂法。
23.如权利要求20所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述采用反应性刻蚀气体对所述硅基板的第二表面进行刻蚀的步骤在一微波等离子体系统中进行。
24.如权利要求20所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在所述硅基板的第二表面形成掩膜层的方法为在所述硅基板的第二表面形成具有多个开孔的连续膜。
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