CN102163631B - 一种超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法，所述超薄结晶硅薄膜太阳电池由下而上依次包括衬底、底层掺杂结晶硅层、本征结晶硅层、纳米硅结构光吸收层、顶层掺杂结晶硅层、透明顶电极。所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备步骤包括：在衬底上沉积底层掺杂结晶硅层；在上述制备的底层掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层；在上述制备的本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层；在上述制备的纳米硅结构光吸收层表面沉积顶层掺杂结晶硅层；将透明顶电极覆盖于在上述顶层掺杂结晶硅层上。本发明在不额外增加抗反射层的前提下，利用纳米硅结构光吸收层提高光吸收和光生载流子收集的效率，从而提高超薄结晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率。

Description

一种超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜太阳电池及其制备方法，尤其涉及一种超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法。

背景技术

硅薄膜电池以其低的材料消耗，易于大面积制备等优点被认为是晶片硅电池的有力替代。

与非晶硅薄膜相比，结晶硅薄膜因其稳定的结构、优良的电学性能和相对宽的吸收光谱备受瞩目。

但是，需要指出的是，结晶硅薄膜的间接能带结构和有限的光学厚度导致其光吸收效率偏低。因此，改善结晶硅薄膜的光吸收性能成为实现高效太阳电池的关键。

目前，常用的提高结晶硅薄膜光吸收的方案是沉积抗反射层，如氟化镁、氮化硅等。但是，由于抗反射层的波长(或频率)选择性，并不能有效地通过单层抗反射层的制备而实现宽光谱范围内光反射的抑制。此外，作为一种“被动”的增强吸收设计，抗反射涂层亦存在“寄生”的光学吸收等损失。而且，传统抗反射涂层存在制备成本较高、材料选择困难、厚度控制严格、热及化学稳定性较差等缺点。同时，由于电池厚度(通常，晶化硅薄膜电池厚度约2微米)限制，传统的晶片硅电池中微米量级的表面织构无法直接应用在薄膜电池中。因此，新型的、稳定的、高效的、与薄膜电池兼容的抗反射结构的开发成为一个亟待解决的课题。

发明内容

本发明针对现有技术的弊端，提供一种适用于超薄(厚度小于1微米)结晶硅薄膜太阳电池的、高效的纳米表面抗反射织构及其制备方法。

本发明所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，由下而上依次包括衬底、衬底上沉积的底层掺杂结晶硅层、底层掺杂结晶硅层上沉积的本征结晶硅层、以及与底层掺杂结晶硅层对应的顶层掺杂结晶硅层，在顶层掺杂结晶硅层上覆盖有透明顶电极，所述本征结晶硅层上制备有纳米硅结构光吸收层，所述顶层掺杂结晶硅层沉积于该纳米硅结构光吸收层的表面，其中，所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列或者纳米硅半球阵列，所述预定的阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列，并且所述阵列的周期为0.6微米。

本发明所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池中，所述底层掺杂结晶硅层为P型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述底层掺杂结晶硅层为N型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为P型。

本发明还提供一种超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，在衬底上沉积底层掺杂结晶硅层；

步骤二，在上述制备的底层掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层；

步骤三，在上述制备的本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层；

步骤四，在上述制备的纳米硅结构光吸收层表面沉积顶层掺杂结晶硅层；

步骤五，将透明顶电极覆盖于在上述顶层掺杂结晶硅层上，

其中，在所述步骤三中，所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列、或者纳米硅半球阵列，所述预定阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列，并且所述阵列的周期为0.6微米。

本发明所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法的步骤一中的底层掺杂结晶硅层为P型，所述步骤四中的顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述步骤一中的底层掺杂结晶硅层为N型，所述步骤四中的顶层掺杂结晶硅层对应为P型。

本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法中，通过在掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层，然后在本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层，以此在不额外增加抗反射层的前提下提高光吸收和光生载流子收集的效率，从而提高结晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率。

附图说明

图1为本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的剖视示意图；

图2为本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的另一结构的剖视示意图(纳米硅结构光吸收层为纳米硅锥阵列)；

图3为本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的另一结构的剖视示意图(纳米硅结构光吸收层为纳米硅孔洞阵列)；

图4为本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的另一结构的剖视示意图(纳米硅结构光吸收层为纳米硅半球阵列)；

图5为不同纳米硅锥直径情况下的反射光谱。其中，纳米硅锥阵列周期和厚度分别为400和1000纳米，本征结晶硅层厚度为800纳米。

图6为不同纳米硅锥阵列周期情况下电池的极限效率。其中，纳米硅锥阵列厚度为400纳米，本征结晶硅层厚度为800纳米，纳米硅锥直径和周期相等。

图7为不同纳米硅孔洞阵列周期情况下电池的极限效率。其中，纳米硅孔洞阵列厚度2000纳米，本征结晶硅层厚度800纳米。

图8为不同纳米硅半球阵列周期情况下电池的极限效率。其中，纳米硅半球直径与阵列周期相等，本征结晶硅层厚度600纳米。

图9为本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，如图1、图2、图3、图4所示，由下而上依次包括衬底6、衬底6上沉积的底层掺杂结晶硅层5、底层掺杂结晶硅层5上沉积的本征结晶硅层4、本征结晶硅层4上制备的纳米硅结构光吸收层3，纳米硅结构光吸收层3上沉积的与底层掺杂结晶硅层5对应的顶层掺杂结晶硅层2，在顶层掺杂结晶硅层2上覆盖有透明顶电极1。

其中，所述衬底6可采用镀铝或透明的导电层，在此衬底6上先后沉积p(或n)底层掺杂结晶硅层5、本征结晶硅层4，在本征结晶硅层4的顶层制备纳米硅结构光吸收层3、沉积n(或p)顶层掺杂结晶硅层2及透明顶电极1。如图2、图3、图4所示，该纳米硅结构光吸收层3可为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列、或者纳米硅半球阵列。所述预定的阵列形式可为四方阵列或蜂窝状阵列。需要说明的是，纳米硅结构光吸收层排列的具体形式并非影响结晶硅薄膜太阳电池光电转换效率的决定因素，影响结晶硅薄膜太阳电池光学性能的主要参数是纳米硅结构光吸收层的形状和尺寸。

为了实现对入射太阳光的有效吸收，对于纳米硅锥和纳米硅半球状表面修饰阵列，其直径与阵列的周期相等为最宜。

图5给出了纳米硅锥情况下，阵列周期(Periodicity，P)400纳米，不同直径(diameter，D)下的反射谱。可以看出当硅锥直径等于阵列周期时，反射最小，从而吸收最强。对于纳米硅孔洞而言，孔洞直径与周期比在0.9左右为佳。需要指出的是，因为存在较宽的直径和周期比区间以增强光吸收，在具体电池制备中，无须严格执行上述比例参数，在这些参数附近即可。

图6、图7和图8分别总结了在不同纳米结构阵列周期下，上述三种纳米结构，即纳米硅锥(nanocone)、纳米硅孔洞(nanohole)以及纳米硅半球(nano-hemisphere)阵列修饰的硅薄膜电池的极限效率(Ultimate Efficiency)曲线。所述电池的极限效率(η)可由如下公式表示：

$\mathrm{\η}=\frac{{\∫}_{E_g}^{\∞}\frac{E_g\×I\left(E\right)\×\mathrm{\α}\left(E\right)}{E}\mathrm{dE}}{{\∫}_0^{\∞}I\left(E\right)\mathrm{dE}}$

其中，E_g为所研究材料的带隙(结晶硅取1.1电子伏特)；I(E)为太阳光能量谱；α(E)为所研究结构的吸收光谱；E为光子能量；dE为自变量E的微分。

图6、图7、图8中不同纳米结构情况下薄膜的总厚度依次为1.2微米(对于纳米硅锥情况而言，纳米硅锥阵列和其下面薄膜厚度分别为0.4微米和0.8微米)、2.8微米(对于纳米硅孔洞情况而言，纳米硅孔洞阵列和其下薄膜厚度分别为2.0微米和0.8微米)、0.9微米(对于纳米硅半球情况而言，纳米硅半球阵列和其下薄膜厚度分别为0.3微米和0.6微米)。从图中可以看出，当阵列的周期在0.6微米附近时，电池具有最高的极限效率，依次为31.5％(纳米硅锥)、33.4％(纳米硅孔洞)和34％(纳米硅半球)。然而，作为参考，现有技术中的5微米厚结晶硅薄膜的极限效率仅为19.7％。这显示了本发明所提出的这些表面修饰的纳米结构在高效、超薄晶化硅薄膜太阳电池中巨大的应用潜力。另外需要指出的是，对上述太阳电池结构来说，光吸收的增强处于一个较宽的周期范围内，这也为实际高效电池的制备提供了便利。

本发明还提供一种超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法，如图9所示，包括如下步骤：

步骤101，在衬底上沉积底层掺杂(p或n)结晶硅层。

本步骤中，所述衬底可采用镀铝或透明的导电层，在此衬底上沉积p(或n)掺杂结晶硅层。

步骤102，在底层掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层。

步骤103，在本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层。

本步骤中，所述纳米硅结构光吸收层可为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列、或者纳米硅半球阵列，所述预定的阵列形式可为四方阵列或蜂窝状阵列，并且所述阵列的周期为0.6微米。需要指出的是，纳米硅结构光吸收层排列的具体形式并非影响结晶硅薄膜太阳电池光电转换效率的决定因素，影响结晶硅薄膜太阳电池光学性能的主要参数是纳米硅结构光吸收层的形状和尺寸。

步骤104，在纳米硅结构光吸收层表面沉积顶层掺杂(n或p)结晶硅层。

若所述步骤101中的底层掺杂结晶硅层为P型，则所述步骤104中的顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，若所述步骤101中的底层掺杂结晶硅层为N型，则所述步骤104中的顶层掺杂结晶硅层对应为P型。

步骤105，将透明顶电极覆盖于上述顶层掺杂结晶硅层上。

本发明所述超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法中，通过在掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层，并在本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层以修饰结晶硅薄膜的表面，以此在不额外增加抗反射层的前提下提高光吸收和光生载流子收集的效率，从而提高结晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率。采用上述技术手段，与未修饰结晶硅薄膜表面相比，具有纳米硅结构光吸收层的结晶硅薄膜表面的光反射率显著降低。而且，经过实际检测发现，光吸收主要集中在纳米硅结构光吸收层中，因此，结晶硅薄膜的厚度可以有效地降低。同时，其低的高宽比极为利于电极的共形沉积从而有效的提高相关电池的光电转换效率。

除上述的substrate型(即光从与衬底相对的方向进入电池)太阳电池构型外，纳米硅结构光吸收层亦可以制备在靠近衬底的位置，即形成所谓的superstrate型(即光从衬底进入电池)电池构型。而且，在电池的两面同时制备上述纳米硅结构光吸收层可以进一步增强光吸收能力。另外，这种表面纳米硅结构光吸收层亦适用于超薄砷化镓等类型的太阳电池。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种超薄结晶硅薄膜太阳电池，由下而上依次包括衬底、衬底上沉积的底层掺杂结晶硅层、底层掺杂结晶硅层上沉积的本征结晶硅层、以及与底层掺杂结晶硅层对应的顶层掺杂结晶硅层，在顶层掺杂结晶硅层上覆盖有透明顶电极，其特征在于，所述本征结晶硅层上设置有纳米硅结构光吸收层，所述顶层掺杂结晶硅层沉积于该纳米硅结构光吸收层的表面，

所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列或者纳米硅半球阵列，所述预定的阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列，并且所述阵列的周期为0.6微米。

2.如权利要求1所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，其特征在于，所述底层掺杂结晶硅层为P型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述底层掺杂结晶硅层为N型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为P型。

3.一种超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在衬底上沉积底层掺杂结晶硅层；

步骤二，在上述制备的底层掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层；

步骤三，在上述制备的本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层；

步骤四，在上述制备的纳米硅结构光吸收层表面沉积顶层掺杂结晶硅层；

步骤五，将透明顶电极覆盖于在上述顶层掺杂结晶硅层上，

其中，在所述步骤三中，所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列、或者纳米硅半球阵列，所述预定阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列，并且所述阵列的周期为0.6微米。

4.如权利要求3所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的底层掺杂结晶硅层为P型，所述步骤四中的顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述步骤一中的底层掺杂结晶硅层为N型，所述步骤四中的顶层掺杂结晶硅层对应为P型。

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