CN102569444B - 广谱高吸收的太阳能电池结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种广谱高吸收太阳能电池结构，包括：一p型或轻掺杂n型硅层；一硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层是在硅材料中掺杂硫系元素，该硫系元素掺杂层制作在p型或轻掺杂n型硅层上，该硫系元素掺杂层的表面制作有阵列状连续的尖锥结构，尖锥结构之间的空隙底部为沉积的银纳米颗粒；多个上表面接触栅电极，制作在尖锥结构的表面；一下电极，制作在p型或轻掺杂n型硅层的背面。本发明可以提高光吸收和光电转换效率。同时具有工艺简单，成本低等特点。同时还能利用工艺中起催化作用的银纳米颗粒来产生表面等离子波效应，一举两得。

Description

广谱高吸收的太阳能电池结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及硅基太阳能电池领域，特别涉及一种广谱高吸收的太阳能电池结构及其制作方法。
背景技术
随着全球经济的发展，能源的消耗急剧增长。在当前，绝大多数能源是通过燃烧化石燃料获得的。化石燃料的能量使用所导致的大量二氧化碳等气体排放正在造成日益严重的社会环境问题。因此，各种可再生能源的开发利用受到了国际社会越来越大的重视。在各种可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便利等特点成为了重点发展的对象。太阳能的利用主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其高效、系统简洁、长寿命、维护简单而备受青睐，成为了太阳能利用的主流技术。在各国政府的政策支撑下，全球太阳能光伏产业在过去的十年里保持了高速增长。太阳能光伏产业已经被认为是继微电子产业之后驱动全球经济发展最主要的产业之一。
太阳能光伏产业的核心是太阳能电池。目前，90％以上的太阳电池是利用硅材料来制造的。硅太阳能电池的成本是阻碍太阳能光伏发电全面推广的根本原因。为了降低硅太阳能电池的成本，人们一般采用两条途径。一是减少硅太阳能电池的制作成本，主要就是尽量减少硅材料的用量；二是利用新的制作工艺和一定的物理特性来提高硅太阳电池的效率。就提高效率来说，一条重要的途径就是扩展硅的光谱吸收范围，提高硅对太阳光谱的吸收率。这是因为，普通晶体硅的光吸收率并不是很高，而且其对波长大于1.1微米的光子吸收很少。
1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气氛中的硅片表面，获得了一种具有晶锥状表面微结构的材料，其在0.25微米-2.5微米的几乎整个太阳光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[APPL.Phys.Lett.73.1673(1998)]。经深入研究发现，这种微结构材料有两大特点，一是入射光进入椎体会不断地向椎体底部折射，具有很强的减反陷光效果；二是这种微结构表面掺入了高浓度的S元素，使得硅禁带中产生了许多局域态能级，从而可扩展硅的广谱吸收范围。
金属纳米颗粒表面等离子体共振技术是提高太阳能电池光吸收率的另一条途径。表面等离子体具有光场局域化增强的特性，当入射光照射到具有纳米尺度的金属颗粒上时，光场与自由电荷共振形成的表面等离子体激元可使透射或反射光场大大增强，并将光场局域在界面附近。因此，利用表面等离子体可能增强光伏电池的光吸收和有效激发太阳能电池表面区域的光电转换。
无电金属沉积技术为制备硅表面纳米结构提供了一种简单廉价的方法。这种方法利用金属离子与硅的氧化还原反应实现对硅表面的刻蚀，在这过程中金属离子被还原沉积到硅表面。通过使用特定的模板和化学反应条件，人们可以获得不同的表面微纳结构。这种表面微纳结构在太阳能电池、光电探测器、化学生物传感器等领域有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种广谱高吸收的太阳能电池结构及其制作方法，以解决传统硅电池吸收光谱窄，吸收率低的问题，从而提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
本发明提供一种广谱高吸收太阳能电池结构，包括：
一p型或轻掺杂n型硅层；
一硫系元素掺杂层，该硫系元素掺杂层是在硅材料中掺杂硫系元素，该硫系元素掺杂层制作在p型或轻掺杂n型硅层上，该硫系元素掺杂层的表面制作有阵列状连续的尖锥结构，尖锥结构之间的空隙底部为沉积的银纳米颗粒；
多个上表面接触栅电极，制作在尖锥结构的表面；
一下电极，制作在p型或轻掺杂n型硅层的背面。
本发明还提供一种广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，该方法包括：
步骤1：使用金属无电沉积方法，在硅衬底上制备阵列状尖锥结构，形成电池的陷光层；
步骤2：使用硝酸溶液对硅衬底进行处理，去除阵列状尖锥结构表面多余的银颗粒，使阵列状尖锥结构的底部保留有少量的银颗粒；
步骤3：对硅衬底上的阵列状尖锥结构表面进行硫系元素的掺杂；
步骤4：对掺杂后的硅衬底进行退火，以减少缺陷，激活杂质，同时固化银纳米颗粒；
步骤5：在硅衬底上的阵列状尖锥结构的表面制作多个栅电极；
步骤6：在硅衬底的背面制作下电极，完成太阳能电池的制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的广谱高吸收太阳能电池结构，能够对太阳光谱进行高效吸收。一方面其表面的微纳结构能够起到陷光作用，提高对可见光波段的吸收；另一方面，表层的高浓度的硫系元素掺杂层能够扩展硅对红外光谱的吸收，解决传统硅基电池不能吸收和转化1.1μm以上波长太阳能光谱的问题；同时，电池表面沉积的银纳米颗粒能够产生表面等离子体波，从而能进一步提高光吸收和光电转换效率。
2、本发明所用的金属无电沉积的方法具有工艺简单，成本低等特点。同时还能利用工艺中起催化作用的银纳米颗粒来产生表面等离子波效应，一举两得。
附图说明
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，其中：
图1为本发明提供的广谱高吸收太阳能电池结构的示意图；
图2为本发明的制作流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供了一种广谱高吸收太阳能电池结构，包括：
一p型或轻掺杂n型硅层1，硅衬底为(100)晶向，其厚度为200至600μm，电阻率为0.1至10Ω·cm；
一硫系元素掺杂层2，该硫系元素掺杂层2是在硅材料中掺杂硫系元素，该硫系元素掺杂层2制作在p型或轻掺杂n型硅层1上，该硫系元素掺杂层2的掺杂浓度为1017至1020cm-3，该硫系元素掺杂层2的表面制作有阵列状连续的尖锥结构22，该尖锥结构22的高度为0.1μm至10μm，直径为20nm至5μm，各尖锥顶点之间的距离为20nm至5μm，尖锥结构22之间的空隙底部为沉积的银纳米颗粒21，该银纳米颗粒21的直径为20至500nm；
多个上表面接触栅电极3，制作在尖锥结构22的表面，该上表面接触栅电极3的数量为3-8个，材料为Al、Ag、Cr、Au或Ni；
一下电极4，制作在p型或轻掺杂n型硅层1的背面，下电极4的材料为Al或Ag。
请参阅图2所示，结合参阅图1，本发明提供了一种广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，该方法包括：
步骤1：使用金属无电沉积方法，在硅衬底上制备阵列状尖锥结构，形成电池的陷光层，该金属无电沉积方法所用的硅衬底为(100)晶向，p型或轻掺杂n型，其厚度为200至600μm，电阻率为0.1至10Ω·cm，反应溶液为AgNO3+HF+H2O，其中AgNO3浓度为0.01至0.1mol/L，HF浓度为1至10mol/L，反应过程使用水浴加热，温度在30℃至80℃之间，反应时间在20至60min之间，反应结束后硅衬底表面有一层灰色的银树枝状结构覆盖，所述的尖锥结构22的高度为0.1μm至10μm，直径为20nm至5μm，相邻尖锥顶点之间的距离为20nm至5μm；
步骤2：使用硝酸溶液对硅衬底进行处理，去除阵列状尖锥结构22表面多余的银颗粒，使阵列状尖锥结构的底部保留有少量的银颗粒21，所使用的硝酸的浓度为30％-65％，腐蚀时间在20至60min之间，该银纳米颗粒21的直径为20至500nm，经过处理后，硅片表面颜色呈黑色；
步骤3：对硅衬底上的阵列状尖锥结构22表面进行硫系元素的掺杂，所使用的掺杂源为硫(S)、硒(Se)、碲(Te)粉末，掺杂工艺为离子注入，所使用的剂量在4.0×1012至4.0×1015cm-2之间，注入能量控制在150至600keV之间，最终获得的掺杂浓度在1017至1020cm-3之间，结深在0.1至10μm之间，所得的硅片的吸收率在0.25微米-2.5微米光谱范围内达到90％以上；
步骤4：对掺杂后的硅衬底进行退火，以减少缺陷，激活杂质，同时固化银纳米颗粒21，所述的退火方法为快速热退火，退火的温度为300至1000℃，退火时间为1至60min，使用快速热退火一方面能激活杂质，另一方面又不至于使杂质溢出，从而能保证材料对红外光的吸收。退火工艺同时还能进一步固化银纳米颗粒21，使其颗粒形状变得更加圆润、规则，所获得的样品缺陷明显减少的情况下，其硫系元素的浓度应没有明显改变；
步骤5：在硅衬底上的阵列状尖锥结构22的表面制作多个栅电极3，所用的设备为磁控溅射或真空蒸发设备，该上表面接触栅电极的数量为3-8个，材料为Al、Ag、Cr、Au或Ni，电极厚度控制在50至500nm之间；
步骤6：在硅衬底的背面制作下电极4，该下电极的材料为Al或Ag，完成太阳能电池的制备。
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 (6)

1.一种广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，该方法包括：
步骤1：使用金属无电沉积方法，在硅衬底上制备阵列状尖锥结构，形成电池的陷光层，该金属无电沉积方法所用的反应溶液为AgNO3+HF+H2O，其中AgNO3浓度为0.01至0.1mol/L，HF浓度为1至10mol/L，反应温度在30℃至80℃之间，反应时间在20至60min之间；
步骤2：使用硝酸溶液对硅衬底进行处理，去除阵列状尖锥结构表面多余的银颗粒，使阵列状尖锥结构的底部保留有少量的银纳米颗粒；
步骤3：对硅衬底上的阵列状尖锥结构表面进行硫系元素的掺杂；
步骤4：对掺杂后的硅衬底进行退火，以减少缺陷，激活杂质，同时固化银纳米颗粒；
步骤5：在硅衬底上的阵列状尖锥结构的表面制作多个栅电极；
步骤6：在硅衬底的背面制作下电极，完成太阳能电池的制备。
2.根据权利要求1所述的广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，其中该硫系元素掺杂层的掺杂浓度为1017至1020cm-3。
3.根据权利要求1所述的广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，其中所述的退火的温度为300至1000℃，退火时间为1至60min。
4.根据权利要求1所述的广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，其中尖锥结构的高度为0.1μm至10μm，直径为20nm至5μm，各尖锥顶点之间的距离为20nm至5μm。
5.根据权利要求l所述的广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，其中银纳米颗粒的直径为20至500nm。
6.根据权利要求l所述的广谱高吸收太阳能电池结构的制作方法，其中该栅电极的数量为3-8个，材料为Al、Ag、Cr、Au或Ni；下电极的材料为Al或Ag。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103367541B (zh) * 2013-06-26 2016-01-20 华南师范大学 一种基于光刻掩膜法和液相法制备太阳能电池银线网格电极的方法
CN105185879B (zh) * 2015-10-10 2017-08-18 厦门市三安光电科技有限公司 一种三维掺杂的氮化物发光二极管及其制作方法
CN106784334B (zh) * 2017-03-06 2018-12-14 东南大学 一种超宽带吸收的异质结太阳能电池
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
CN107302034B (zh) * 2017-03-22 2020-06-12 南开大学 一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池
CN109192793A (zh) * 2018-09-07 2019-01-11 深圳信息职业技术学院 一种硅太阳能电池银电极的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101887930A (zh) * 2010-05-26 2010-11-17 中国科学院半导体研究所 一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100987803B1 (ko) * 2008-05-23 2010-10-18 주식회사 효성 태양전지 및 그의 제조방법
CN101692357B (zh) * 2009-10-13 2011-12-28 华东师范大学 一种绒面掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法
CN101726769B (zh) * 2009-12-16 2011-11-16 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 叠层亚波长减反结构及其制备方法
CN102315290B (zh) * 2011-09-23 2013-01-30 中国科学院光电技术研究所 一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101887930A (zh) * 2010-05-26 2010-11-17 中国科学院半导体研究所 一种室温下高光电响应硅探测器的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Influence of surface structure on the performance of black-silicon solar cell》;Ching-Hsi Lin et.al.;《Phys.Status Solidi C》;20100901;第2779页 *
Ching-Hsi Lin et.al..《Influence of surface structure on the performance of black-silicon solar cell》.《Phys.Status Solidi C》.2010,第2779页.

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