CN102163638A - 基于刻蚀技术的sis结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，包括：一下电极(10)；一光吸收材料层(20)，该光吸收材料层(20)制作在下电极(10)上；通过刻蚀技术，在光吸收材料层(20)上制作微米尺寸不同周期和深度的一维条型结构或二维柱形结构；一氧化物绝缘层(30)，该氧化物绝缘层(30)通过化学方法氧化光吸收材料层(20)形成；一TCO薄膜层(40)，该TCO薄膜层(40)沉积在氧化物绝缘层(30)上；一上图形电极(50)，该上图形电极(50)制作在TCO薄膜层(40)上；以及一纳米颗粒(60)，该纳米颗粒(60)放置在TCO薄膜层(40)上。利用本发明，解决了目前SIS结太阳能电池转化效率低的问题，达到了提高电池光学吸收和载流子抽取能力的目的。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光伏器件技术领域，尤其涉及一种基于刻蚀技术的SIS(semiconductor-insulator-semiconductor)结太阳能电池。
背景技术
太阳能电池可以直接将太阳光能转变成电能，解决目前全球面临的能源危机，因此构造低成本、高效率的太阳能电池成为国内外光伏行业的研究重点。目前具有单个或多个PN结结构的半导体太阳能电池已经广泛应用航天、军事、卫星、景观照明和家庭用电等技术领域。
太阳能电池利用了材料的光伏特效应，即器件暴露在光线下时产生电压的现象。目前常用的太阳能电池多由半导体材料制成，采用PN结结构或肖特基势垒结构，该肖特基势垒结构包括金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor，MIS)结和SIS结电池结构。单个PN结结构可以实现较高的转换效率，但电池制作工艺复杂，成本较高；肖特基势垒太阳能电池制作工艺简单，但转换效率较低，应用范围较小。因此，构造一种工艺简单的新结构高效太阳能电池是其能够被广泛应用的关键。
肖特基势垒太阳能电池因为其简单的工艺，一直被人们所研究，近几年SIS电池成为研究的热点之一。文献1：“V.M.Botnaryuk，L.V.Gorchak，et al，Tech.Phys.43(5)(1998)546-9”和文献2：“O.Malik，F.J.De laHidalga-W，et al，Journal of Non-Crystalline Solids 354(2008)2472-2477”报道了利用氧化铟锡(Indium-Tin Oxide，ITO)制作的不同半导体材料的SIS结太阳能电池，其中采用单晶Si材料为光吸收层的太阳能电池，工艺简单，利于生产，但目前实现的效率一般在15％-16％之间，相对单个PN结要低很多，限制了其应用范围。对比单晶硅PN结太阳能电池和SIS结太阳能电池可发现，SIS结电池上表面没有成功的引入陷光结构，仅依靠作为电极的透明导电薄膜充当抗反射涂层，且因为肖特基势垒分离载流子能力比较弱，载流子扩散长度短，所以SIS结太阳能电池的光生电流明显低于PN结电池光生电流，如何提高SIS结电池光生电流是促进该机构电池广泛应用的关键问题。
综上所述，相对于PN结太阳能电池，SIS结太阳能电池具有生产工艺简单，成本较低的优势，但输出效率较低。借助于现有生产手段，引入一些有效的表面陷光结构同时提高载流子抽取能力，将有利于增加电池光生电流和转换效率，从而使SIS结太阳能电池在未来的市场竞争中处于有利的地位。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，以解决目前SIS结太阳能电池转化效率低的问题，达到提高电池光学吸收和载流子抽取能力的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，包括：
一下电极10；
一光吸收材料层20，该光吸收材料层20制作在下电极10上；通过刻蚀技术，在光吸收材料层20上制作微米尺寸不同周期和深度的一维条型结构或二维柱形结构；
一氧化物绝缘层30，该氧化物绝缘层30通过化学方法氧化光吸收材料层20形成；
一TCO薄膜层40，该TCO薄膜层40沉积在氧化物绝缘层30上；
一上图形电极50，该上图形电极50制作在TCO薄膜层40上；以及
一纳米颗粒60，该纳米颗粒60放置在TCO薄膜层40上。
上述方案中，所述光吸收材料层20为P型单晶半导体材料或N型单晶半导体材料。所述光吸收材料层20采用单晶Si材料。
上述方案中，所述光吸收材料层20上表面的微米尺寸一维条型结构或二维柱形结构是通过光刻和刻蚀技术实现的，一维条型结构周期为10至30微米，刻蚀深度为20至50微米；二维柱形结构直径为5至10微米，高度为20至50微米。
上述方案中，所述氧化物绝缘层30的厚度为1nm。
上述方案中，所述TCO薄膜层40为宽带隙透明导电材料。
上述方案中，所述TCO薄膜层40采用的材料为SnO2、In2O3、ZnO或ITO。
上述方案中，所述纳米颗粒60为金属或绝缘体，颗粒尺寸为500-900nm。所述金属为Ag或Au，所述绝缘体为Al2O3。
上述方案中，所述纳米颗粒60置于聚二甲基硅氧烷PDMS中，悬涂在TCO薄膜层40上。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，由于光吸收材料层20表面引入了刻蚀结构，入射到表面的光经过多次反射最终被半导体材料所吸收产生电子空穴对，从而降低了表面反射，提高了电池的光学吸收。对于不同光吸收材料层20和TCO(transparent conductive oxide)薄膜层40，可以适当选择表面刻蚀结构的周期及深度，平衡光生电流和表面电阻，实现最佳的输出效率。
2、本发明提供的这种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，由于条型或柱形结构半导体材料的尺度在微米量级，小于载流子的扩散长度，从而可使光生载流子在复合前被分离到两侧电极，转化成光生电流，提高抽取效率。
3、本发明提供的这种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，通过化学氧化光吸收材料形成绝缘层的方法，钝化材料刻蚀后形成的表面缺陷，从而降低表面复合率。
4、本发明提供的这种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，可根据不同的光吸收材料层20选择不同的TCO薄膜层40材料和生长工艺，以使得光吸收材料层20与其之间形成最大的势垒。
5、本发明提供的这种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，选用金属纳米颗粒放置在TCO薄膜层40上时，可通过优化颗粒尺寸增强光学吸收，选用绝缘体纳米颗粒时，可利用其对光的散射作用，增加光在吸收材料中的传播距离，提高光吸收效率。
附图说明
图1为本发明提供的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池垂直剖面结构示意图；其中光吸收材料层20上表面为一维条形结构或二维柱形结构，上图形电极50为优化后的条形电极需同时保证电池有效的受光面积和较低的接触电阻，纳米颗粒60可置于PDMS中，悬涂在TCO薄膜层40上。
图2为本发明提供的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池中光吸收材料层20上表面刻蚀结构；其中图2(a)为一维条型结构示意，图2(b)为二维柱形结构示意图。
图3为本发明以半导体材料Si为例构造的高效SIS结太阳能电池能带结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池的示意图，该太阳能电池包括下电极10、光吸收材料层20、氧化物绝缘层30、TCO薄膜层40、上图形电极50和纳米颗粒60；其中，所述光吸收材料层20为P型或N型半导体材料，材料上表面通过刻蚀技术制作微米尺寸不同周期和深度的一维条型结构或二维柱形结构；所述氧化物绝缘层30通过化学方法氧化光吸收材料形成；所述TCO薄膜层40通过磁控溅射或电子束蒸发方法沉积在氧化物绝缘层上与光吸收材料层20构成SIS结；所述纳米颗粒60可以为金属或绝缘体，具有增强光吸收或增强光散射的作用。
光吸收材料层20为P型单晶半导体材料或N型单晶半导体材料，如单晶Si材料。光吸收材料层20上表面的微米尺寸一维条型结构或二维柱形结构可以通过光刻和刻蚀技术实现，一维条型结构周期可为10-30微米，刻蚀深度可为20-50微米；二维柱形结构直径可为5-10微米，高度可为20-50微米。氧化物绝缘层30厚度约为1纳米。TCO薄膜层40为宽带隙透明导电材料。TCO薄膜层40的材料为SnO2、In2O3、ZnO或ITO。纳米颗粒60可以为金属，如Ag、Au，也可以为绝缘体，如Al2O3，颗粒尺寸为500-900纳米。纳米颗粒60可置于PDMS(聚二甲基硅氧烷)中，悬涂在TCO薄膜层40上。
如图2所示，图2本发明提供的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池中光吸收材料层20上表面刻蚀结构；其中图2(a)为一维条型结构示意，图2(b)为二维柱形结构示意图。条宽或圆柱直径尺度约等于或小于光吸收材料层20的少数载流子扩散长度，一般情况下，刻蚀深度越大对光的限制越强，反射率越低，但深刻蚀会增加表面缺陷和电阻，所以为获得最佳的输出效率，需要平衡三者的关系。通过对刻蚀后光吸收材料层20表面的钝化，可以降低表面缺陷，有利于形成高的肖特基势垒；适当选择TCO薄膜层40的厚度和材料可以降低横向电阻。所生长的TCO薄膜层40载流子浓度控制需满足导电需要，一般约为1021cm-3，费米能级位于导带内，约比导带底高0.6eV，功函数约为4.5-4.8eV。
对于不同结构的太阳能电池，需要优化纳米颗粒的尺度和密度，以实现其增强光吸收的作用。
根据图1和图2所述的这种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，结合具体的实施案例对本发明提供的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池进一步详细说明。
实施例
本实施例中下电极10为Ti/Au，为了提高载流子的收集效率和实现电极与光吸收材料层20的理想欧姆接触，其与下电极10接触的表面需进行重掺杂；光学吸收材料层20为N型单晶Si，其带隙为1.12eV，厚度为100微米，表面刻蚀结构为一维条型，通过光刻和ICP刻蚀实现，具体参数可选为条宽10微米，周期20微米，刻蚀深度50微米；氧化物绝缘层30通过H2O2腐蚀形成，厚度为十埃左右，该绝缘层可以有效的降低表面缺陷同时提高肖特基势垒；TCO薄膜层40选为ITO，厚度约为80nm，通过电子束蒸发方法沉积在氧化物绝缘层30上，经过H2O2处理后的N型Si表面形成强反型层，势垒高度被大大提高；上图形电极50为AuGeNi/Au，栅型结构，通过套刻制作在条型硅上；纳米颗粒60选为Al2O3，直径500-900nm，置于PDMS中，最后悬涂在电池上表面。
本实施例中的电池结构能带图如图3所示，ITO带隙宽度约为3.7eV，费米能级位于导带以上约0.6eV，N型Si表面形成强反型层，势垒高度可达到0.9eV，该电池引入表面结构后可实现更高的输出电流，从而获得高的光电转换效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，包括：
一下电极(10)；
一光吸收材料层(20)，该光吸收材料层(20)制作在下电极(10)上；通过刻蚀技术，在光吸收材料层(20)上制作微米尺寸不同周期和深度的一维条型结构或二维柱形结构；
一氧化物绝缘层(30)，该氧化物绝缘层(30)通过化学方法氧化光吸收材料层(20)形成；
一TCO薄膜层(40)，该TCO薄膜层(40)沉积在氧化物绝缘层(30)上；
一上图形电极(50)，该上图形电极(50)制作在TCO薄膜层(40)上；以及
一纳米颗粒(60)，该纳米颗粒(60)放置在TCO薄膜层(40)上。
2.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述光吸收材料层(20)为P型单晶半导体材料或N型单晶半导体材料。
3.根据权利要求2所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述光吸收材料层(20)采用单晶Si材料。
4.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述光吸收材料层(20)上表面的微米尺寸一维条型结构或二维柱形结构是通过光刻和刻蚀技术实现的，一维条型结构周期为10至30微米，刻蚀深度为20至50微米；二维柱形结构直径为5至10微米，高度为20至50微米。
5.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述氧化物绝缘层(30)的厚度为1nm。
6.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述TCO薄膜层(40)为宽带隙透明导电材料。
7.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述TCO薄膜层(40)采用的材料为SnO2、In2O3、ZnO或ITO。
8.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述纳米颗粒(60)为金属或绝缘体，颗粒尺寸为500-900nm。
9.根据权利要求8所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述金属为Ag或Au，所述绝缘体为Al2O3。
10.根据权利要求1所述的基于刻蚀技术的SIS结太阳能电池，其特征在于，所述纳米颗粒(60)置于聚二甲基硅氧烷PDMS中，悬涂在TCO薄膜层(40)上。
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