CN102263144B - 基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池及其制造方法，在单晶半导体衬底上淀积氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)作为隔离层，在单晶半导体衬底表制备出仿生蛾眼阵列，在衬底背面蒸发金属作为背电极，在隔离层表面制备金属前电极，在阵列上填充半导体材料形成异质结，制得的半导体异质结太阳能电池结构简单，易于制备，不仅能有效地减少入射光的反射，而且可以增大异质结的接触面积，从而达到提高太阳能电池能量转换效率的目的。

Description

基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池及其制造方法。
背景技术
半导体异质结太阳能电池是现有太阳能电池中的一种重要结构，它由两种能带结构不同的半导体材料构成，在接触面上能带发生弯曲或突变，形成内建电场，从而为光生伏打效应在半导体中产生的载流子的分离提供了条件。由于半导体材料的多样性，构成异质结太阳能电池的材料的选择也十分灵活。目前，半导体异质结太阳能电池中使用最多的是非晶硅/单晶硅异质结，InGaP/GaAs异质结，CdS/CdTe异质结，有机体异质结等。太阳能电池的能量转换效率取决于多种因素，其中减少入射光反射率是提高太阳能电池效率的有效途径之一。现有的异质结太阳能电池通常采用平面结构，而平面结构往往不能有效的利用入射光能量，如平面硅在可见光范围内的反射率高达30％以上，造成了大量能量的损失。目前普遍采用减反膜如氧化硅，氮化硅来降低反射，减反膜是基于光的干涉原理，其厚度为波长的1/4或1/2，由于单层减反膜只对单一波长具有较好的减反作用，所以若需要对较宽范围内的光波都具有良好的反射效果，往往需要多层减反膜，这势必会增加制造成本，并且减反膜的质量依赖于工艺条件，因此限制了减反膜的效果。
自然界中，飞蛾的眼睛具有特殊的立体六角蜂窝状微观结构，其轮廓线比光线的波长还小，因此，大多数的入射光线都被蜂窝状结构所吸收。飞蛾眼睛不反射光线的这一特点，可以应用于太阳能电池中。通过模拟蛾眼结构，能够有效地减小入射光的反射。当光线入射到半导体柱状阵列表面，入射光线在柱壁间进行多次反射，增长了光的传播路径，增强了半导体对入射光的吸收，从而有利于提高太阳能电池的能量转换效率。另外，当另一种半导体材料填充到柱阵列之间，由于柱阵列具有比平面结构更大的表面积，因而增大了有效结面积，能够产生更多的电子-空穴对，有利于提高太阳能电池的能量转换效率。
基于半导体阵列的仿生蛾眼结构只增加一步工艺，利用半导体本身而不引入其他材料，制备工艺简单，成本低，不仅具有减反作用，还具有增大结面积的优点，具有较高的能量转换效率，因而在太阳能电池结构中具有重要的应用前景。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池及其制造方法，具有制备简单、成本低、能量转换效率高的特点，所制备的电池具有减少入射光反射的特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池，包括单晶半导体衬底1，单晶半导体衬底1上面淀积隔离层2，单晶半导体衬底1背面淀积金属背电极3，在隔离层2上开窗口形成有效结区，在结区中制备有仿生蛾眼阵列4，在隔离层2的窗口周围淀积有金属前电极5，在仿生蛾眼阵列4上制备有另一种半导体材料6。
基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池的制造方法，包括以下步骤：
一、在单晶半导体衬底1上淀积氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)作为隔离层2；
二、在单晶半导体衬底1背面淀积金属作为背电极3；
三、通过湿法腐蚀隔离层2形成窗口，露出单晶半导体衬底1表面，用于定义异质结面积和光照区域，在此区域中再通过光刻和干法刻蚀形成半导体仿生蛾眼阵列4；
四、采用剥离(lift-off)的方法在隔离层2的窗口周围淀积金属形成金属前电极5；
五、通过蒸发、旋涂或转移的方法在单晶半导体衬底1的仿生蛾眼阵列4上制备半导体材料6，并与金属前电极5接触，最终形成异质结太阳能电池。
所述的单晶半导体衬底1为硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或氮化镓(GaN)中的一种。
所述的隔离层2为SiO2或Si3N4。
所述金属背电极3采用溅射或电子束蒸发的钛(Ti)/钯(Pd)/金(Au)或钛(Ti)/钯(Pd)/银(Ag)叠层结构，与单晶半导体衬底1形成欧姆接触。
所述的仿生蛾眼阵列4是采用反应等离子体刻蚀(RIE)或电感耦合等离子体刻蚀(ICP)制备的圆柱、方柱或不规则柱形，阵列的排布是三角阵、方阵或不规则排列，圆柱的直径为200nm-2μm，高度为100nm-10μm，间距为100nm-2μm。
所述金属前电极5采用溅射或电子束蒸发的钛(Ti)/金(Au)叠层结构，与半导体材料6形成欧姆接触。
所述半导体材料6包括有机或无机的半导体材料，包括石墨烯(graphene)、碘化亚铜(CuI)、酞菁铜(CuPc)、聚3-己噻吩(P3HT)等和n型半导体衬底形成异质结的p型半导体材料，或富勒烯(C60)及其衍生物(PCBM)等与p型半导体衬底形成异质结的n型半导体材料。
所述半导体材料6材料采用真空沉积、溅射、CVD、旋涂等方法制备。
同现有平面结构的异质结光伏电池相比，本发明具有以下几个优点：
1.仿生蛾眼结构只需要一步光刻和刻蚀工艺，可以使得入射光反射率大幅度降低；
2.增大了异质结面积，有利于太阳能电池效率的提高；
3.基于仿生蛾眼结构的半导体柱状阵列的太阳能电池，可以灵活选用半导体材料以及制备方式，如旋涂，蒸发，溅射；
综合上述基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池的优点及结构特点，相比于背景技术中平面结构的光伏电池，本发明的基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池适用于多种半导体衬底材料，工艺简单，成本低，适于大规模应用。
本发明的有益效果为：所述仿生蛾眼半导体阵列异质结太阳能电池结构可以和现有超大规模集成电路工艺兼容，易于芯片级的集成和大规模生产，具有制备工艺简单，工艺成本低的优点；参照图1，相比较平面异质结结构，仿生蛾眼半导体阵列异质结太阳能电池结构在紫外可见光谱内具有更小的反射系数，从而获得更高的能量转换效率。
附图说明
图1a是平面半导体衬底的反射原理示意图。
图1b是本发明具有减反作用的原理示意图。
图2是本发明三维示意图。
图3是本发明结构剖面示意图。
图4是本发明结构剖面示意图。
图5是圆形三角阵俯视示意图。
图6是圆形方阵俯视示意图。
图7是方形三角阵俯视示意图。
图8是方形方阵俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式详细介绍本发明的内容。
参照图2-4，基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池，包括单晶半导体衬底1，单晶半导体衬底1上面淀积隔离层2，单晶半导体衬底1背面淀积金属背电极3，在隔离层2上开窗口形成有效结区，在结区中制备有仿生蛾眼阵列4，降低入射光反射率。在隔离层2的窗口周围淀积有金属前电极5，在仿生蛾眼阵列4上制备有另一种半导体材料6。
实施例1
本实施例制作仿生蛾眼异质结太阳能电池时，首先是在单晶半导体衬底1即n型硅(100)衬底上热氧化生长SiO2作为隔离层2，然后在单晶半导体衬底1背面溅射金属电极Ti/Pd/Au作为背电极3，然后湿法刻蚀隔离层2，形成窗口，露出硅表面，采用RIE刻蚀硅表面形成硅柱阵列4，硅柱的直径为200nm，高度为200nm，间距为200nm，最后采用剥离的方法在隔离层窗口周围制备金属前电极5，前电极为钛(Ti)/金(Au)叠层，将CVD生长的石墨烯直接转移到单晶半导体衬底1上，使石墨烯与硅柱阵列4表面及前电极金属5接触，形成石墨烯/n-Si异质结太阳能电池。
实施例2
本实施例制作仿生蛾眼异质结太阳能电池时，首先是在单晶半导体衬底1即n型硅(100)衬底上热氧化生长SiO2作为隔离层2，然后在硅衬底背面溅射金属电极Ti/Pd/Ag作为背电极3，之后湿法刻蚀隔离层2，形成窗口，露出硅表面，采用ICP刻蚀硅表面形成硅柱阵列4，最后采用剥离的方法制备环形金属前电极5，前电极为Ti/Au，通过热蒸发方法制备半导体材料6即碘化亚铜(CuI)薄膜，CuI填充在硅柱之间，形成CuI/n-Si异质结太阳能电池。
实施例3：
本实施例制作仿生蛾眼异质结太阳能电池时和实施例2相似，不同点是采用真空沉积的方法将酞菁铜(CuPc)填充到硅柱结构中，形成CuPc/n-Si异质结太阳能电池。
实施例4：
本实施例制作异质结太阳能电池时，其制备方法与实例2、3相同，不同点是在半导体材料6制备中采用旋涂的方法制备聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜，填充到硅柱结构中，形成P3HT/n-Si异质结太阳能电池。
实施例5：
本实施例制作仿生蛾眼异质结太阳能电池时，其制备方法与实例2、3相同，不同点是采用p型单晶硅作衬底，采用真空沉积的方法制备半导体材料6即富勒烯(C60)薄膜，形成C60/p-Si异质结太阳能电池。
实施例6：
本实施例制作仿生蛾眼异质结太阳能电池时，其制备方法与实例1相同，不同点是采用n型单晶GaAs作单晶半导体衬底1，采用直接转移CVD生长的石墨烯作为半导体材料6，覆盖到GaAs柱阵列表面，形成石墨烯/GaAs异质结太阳能电池。
本文中的具体实施例仅是本发明的几个比较典型实施方式，但是这样的描述并不用来以任何方式限定本发明，凡是使用仿生蛾眼半导体柱阵列异质结太阳能电池均属于本发明范畴。
图5-8是仿生蛾眼阵列4的形状及排布形式。图中的仿生蛾眼阵列4是圆柱和方柱两种形式，阵列的排布是三角阵和方阵。
图1(a)所示的平面异质结衬底1具有较大的入射光反射损失，如单晶硅衬底在紫外-可见光区域的反射率高达30％以上，而通过对平面衬底进行图形化刻蚀，形成具有模拟蛾眼的柱形阵列，则可以使入射光在柱表面经过多次反射，增大了对入射光的吸收，减小反射损失，如图1(b)所示。此外，这种结构还能增大异质结面积，有利于提高太阳能电池效率。

Claims (3)

1.基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池，其特征在于，包括单晶半导体衬底（1），单晶半导体衬底（1）上面淀积隔离层（2），单晶半导体衬底（1）背面淀积金属背电极（3），在隔离层（2）上开窗口形成有效结区，在结区中制备有仿生蛾眼阵列（4），在隔离层（2）的窗口周围淀积有金属前电极（5），在仿生蛾眼阵列（4）上制备有另一种半导体材料（6）；
所述的单晶半导体衬底（1）为硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或氮化镓（GaN）中的一种；
所述的隔离层（2）为SiO2或Si3N4；
所述金属背电极（3）采用溅射或电子束蒸发的钛（Ti）/钯（Pd）/金（Au）或钛（Ti）/钯（Pd）/银（Ag）叠层结构，与单晶半导体衬底（1）形成欧姆接触；
所述金属前电极（5）采用溅射或电子束蒸发的钛（Ti）/金（Au）叠层结构，与半导体材料（6）形成欧姆接触；
所述半导体材料（6）为石墨烯（graphene）、碘化亚铜（CuI）、酞菁铜（CuPc）、聚3-己噻吩（P3HT）或富勒烯（C60）。
2.根据权利要求1所述的基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池，其特征在于，所述的仿生蛾眼阵列（4）是采用反应等离子体刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体刻蚀（ICP）制备的圆柱、方柱或不规则柱形，阵列的排布是三角阵、方阵或不规则排列，圆柱的直径为200nm-2μm，高度为100nm-10μm，间距为100nm-2μm。
3.基于仿生蛾眼半导体异质结太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、在单晶半导体衬底（1）上淀积氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）作为隔离层（2）；
二、在单晶半导体衬底（1）背面淀积金属作为背电极（3）；
三、通过湿法腐蚀隔离层（2）形成窗口，露出单晶半导体衬底（1）表面，用于定义异质结面积和光照区域，在此区域中再通过光刻和干法刻蚀形成半导体仿生蛾眼阵列（4）；
四、采用剥离（lift-off）的方法在隔离层（2）的窗口周围淀积金属形成金属前电极（5）；
五、通过蒸发、旋涂或转移的方法在单晶半导体衬底（1）的仿生蛾眼阵列（4）上制备半导体材料（6），并与金属前电极（5）接触，最终形成异质结太阳能电池；
所述的单晶半导体衬底（1）为硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或氮化镓（GaN）中的一种；
所述的隔离层（2）为SiO2或Si3N4；
所述金属背电极（3）采用溅射或电子束蒸发的钛（Ti）/钯（Pd）/金（Au）或钛（Ti）/钯（Pd）/银（Ag）叠层结构，与单晶半导体衬底（1）形成欧姆接触；
所述金属前电极（5）采用溅射或电子束蒸发的钛（Ti）/金（Au）叠层结构，与半导体材料（6）形成欧姆接触；
所述半导体材料（6）为石墨烯（graphene）、碘化亚铜（CuI）、酞菁铜（CuPc）、聚3-己噻吩（P3HT）或富勒烯（C60）。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103928541A (zh) * 2014-04-29 2014-07-16 集美大学 一种具有立体微结构阵列的太阳能电池
CN104576804A (zh) * 2014-12-29 2015-04-29 浙江大学 一种石墨烯/磷化铟太阳电池及其制备方法
CN104779315A (zh) * 2015-04-08 2015-07-15 浙江大学 一种石墨烯/磷化铟光电探测器及其制备方法
CN107437568B (zh) * 2016-05-26 2019-04-05 中国科学院物理研究所 一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法
CN106057982B (zh) * 2016-08-08 2018-02-27 广东爱旭科技股份有限公司 一种低表面浓度可组装p‑n结晶体硅太阳能电池的制备方法
CN106409988B (zh) * 2016-12-09 2018-02-02 中国科学院微电子研究所 一种石墨烯/砷化镓太阳电池的制备方法
CN106876513B (zh) * 2017-03-06 2018-08-21 东南大学 一种等离极化激元横向异质集成的太阳电池
CN107104165A (zh) * 2017-04-18 2017-08-29 云南大学 一种基于石墨烯硅倒金字塔阵列肖特基光伏电池制造方法
CN109461819A (zh) * 2018-10-30 2019-03-12 浙江海洋大学 一种高光电转化率的柔性太阳能电池材料及制备方法
CN114975672A (zh) * 2021-02-26 2022-08-30 中国科学院半导体研究所 背入射近红外增强硅雪崩光电探测器的结构及制备方法
CN114890681B (zh) * 2022-04-02 2023-12-01 深圳市秉兴光电技术有限公司 一种类蛾眼结构减反增透玻璃及其制备方法和应用

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101055900A (zh) * 2006-04-10 2007-10-17 上海太阳能科技有限公司 硅太阳电池
KR101159278B1 (ko) * 2009-07-23 2012-06-22 주식회사 효성 모스-아이 표면구조를 가지는 태양전지 및 그 제조방법
CN101694816B (zh) * 2009-10-16 2011-05-11 清华大学 一种异质结和光电化学混合太阳能电池
CN101866958A (zh) * 2010-05-14 2010-10-20 河海大学常州校区 太阳能电池仿生抗反射膜及其制备方法
CN101866959B (zh) * 2010-05-14 2013-09-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 宽谱宽角吸收太阳电池类蛾眼减反结构及其制作方法
CN102097535A (zh) * 2010-11-30 2011-06-15 中国科学院半导体研究所 用于太阳电池表面抗反射的蛾眼结构的制备方法

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