CN103094374B - 太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，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；多个三维纳米结构以阵列形式形成于所述硅片衬底的第二表面，且每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度；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。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池。
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、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。现有技术中的太阳能电池包括：一背电极、一硅片衬底、一掺杂硅层和一上电极。所述太阳能电池中硅片衬底和掺杂硅层形成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和上电极移动。如果在所述太阳能电池的背电极与上电极两端接上负载，就会有电流通过外电路中的负载。
然而，现有技术中，由于形成于所述掺杂硅层的表面为一平整的平面结构，其表面积较小，因此，使所述太阳能电池的取光面积较小。另外，太阳光线从外部入射到掺杂硅层的表面时，照射到所述掺杂硅层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。
一种太阳能电池，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；多个三维纳米结构以阵列形式形成于所述硅片衬底的第二表面，且每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度；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，其包括依次层叠设置的一背电极，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进一步包括多个三维纳米结构并排延伸设置，每个三维纳米结构沿延伸方向的横截面为M形，所述掺杂层设置于该三维纳米结构表面。
相较于现有技术，所述太阳能电池通过在所述硅片衬底的表面设置多个M形的三维纳米结构，可以提高所述太阳能电池的取光面积，减少光线的反射，从而可以进一步提高所述太阳能电池对光线的利用率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供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中硅片衬底的结构示意图。
图3为图2所述的硅片衬底的扫描电镜照片。
图4为图2所示的三维纳米结构阵列沿IV-IV线的剖视图。
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为图5所示制备方法中形成多个三维纳米结构的制备方法的流程图。
图7为本发明第二实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
图8为本发明第二实施例提供的太阳能电池的制备方法的流程图。
主要元件符号说明
| 太阳能电池 | 10；20 |
| 背电极 | 100 |
| 掩模层 | 103 |
| 硅片衬底 | 110 |
| 第一表面 | 112 |
| 三维纳米结构 | 113 |
| 第二表面 | 114 |
| 掺杂硅层 | 120 |
| 上电极 | 130 |
| 金属层 | 140 |
| 第一掩模层 | 1032 |
| 第二掩模层 | 1034 |
| 硅基板 | 1101 |
| 三维纳米结构预制体 | 1131 |
| 第一凸棱 | 1132 |
| 第二凸棱 | 1134 |
| 第一凹槽 | 1136 |
| 第二凹槽 | 1138 |
| 第一棱面 | 1132a，1134a |
| 第二棱面 | 1132b，1134b |
| 模板 | 200 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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1，本发明第一实施例提供一种太阳能电池10，所述太阳能电池10包括：一上电极130、一掺杂硅层120、一硅片衬底110依次层叠设置于所述背电极100表面，并且所述硅片衬底110与所述背电极100接触设置，太阳光从所述上电极130的一侧入射。
所述硅片衬底110具有一第一表面112以及与该第一表面112相对设置的一第二表面114，所述第二表面114为所述硅片衬底110靠近所述上电极130的表面，即靠近太阳光入射方向一侧的表面。所述硅片衬底110的第二表面114设置有多个三维纳米结构113，该三维纳米结构113为M形结构；所述背电极100设置于所述硅片衬底110的第一表面112，并与该第一表面112欧姆接触；所述掺杂硅层120形成于所述三维纳米结构113的表面；所述上电极130设置于所述掺杂硅层120的至少部分表面。
请参阅图2及图3，所述硅片衬底110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110为一P型单晶硅片。所述硅片衬底110的厚度为20微米~30微米。
所述多个三维纳米结构113以阵列形式设置在所述硅片衬底110上的第二表面114。所述三维纳米结构113为一凸起结构，所述凸起结构为从所述硅片衬底110的表面向远离所述硅片衬底110的方向突出的实体凸起。所述三维纳米结构113与所述硅片衬底110为一体成型结构。所述多个三维纳米结构113为形成于硅片衬底110表面的多个条形凸起结构。
所述多个三维纳米结构113可在硅片衬底110表面以直线、折线或曲线的形式并排延伸，延伸方向平行于所述硅片衬底110表面。所述“并排”是指所述相邻的两个三维纳米结构113在延伸方向的任一相对位置具有相同的间距，该间距范围为0纳米~200纳米。所述多个三维纳米结构113的延伸方向可以是固定的，也可以是变化的。当所述延伸方向固定时，所述多个三维纳米结构113以直线的形式并排延伸，在垂直于该延伸方向上，所述多个三维纳米结构113的横截面均为形状、面积一致的M形；当所述延伸方向变化时，所述多个三维纳米结构113可以折线或曲线的形式并排延伸，在所述延伸方向上的任意一点位置处，所述多个三维纳米结构113在该点的横截面均为形状、面积一致的M形。
请参阅图4，在本实施例中，所述三维纳米结构113为一条形凸起结构，所述条形凸起结构以直线的形式沿同一方向延伸。所述多个三维纳米结构113在硅片衬底110表面以一维阵列形式分布，即所述多个条形凸起结构基本沿同一方向延伸且彼此平行设置于所述硅片衬底110表面，形成所述三维纳米结构阵列。所述多个三维纳米结构113均匀分布于所述硅片衬底110表面，从而使得所述三维纳米结构阵列整体上形成一对称图形。定义该多个条形凸起结构的延伸方向为X方向，垂直于所述凸起结构的延伸方向为Y方向。则在X方向上，所述条形凸起结构的两端分别延伸至所述硅片衬底110相对的两个边缘，具体的，在Y方向上，所述三维纳米结构113为一双峰凸棱结构，所述多个条形凸起并排排列，且所述条形凸起的横截面的形状为M形，即所述三维纳米结构113为一M形三维纳米结构。具体地，每一所述M形三维纳米结构113包括一第一凸棱1132及一第二凸棱1134，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的延伸方向相同且均沿X方向并排延伸。所述第一凸棱1132具有相交的两棱面，即一第一棱面1132a及一第二棱面1132b，所述第一棱面1132a与第二棱面1132b相交形成所述第一凸棱1132的棱角。所述第一棱面1132a及第二棱面1132b可分别为平面，曲面或折面。本实施例中，所述第一棱面1132a及第二棱面1132b分别为平面。所述第一棱面1132a与所述硅片衬底110的表面形成一定角度α，所述α大于0度小于等于90度，优选的，所述α大于等于80度小于等于90度。所述第一棱面1132a具有相对的两端，一端与所述硅片衬底110的表面相交接；另一端以α角向远离硅片衬底110的方向延伸，并与所述第二棱面1132b相交。所述第二棱面1132b与所述硅片衬底110表面所形成的角度β大于0度小于等于90度，可与α相同或不同。所述第二棱面1132b具有相对的两端，一端与所述第二凸棱1134相交，另一端向远离硅片衬底110的方向延伸并与所述第一棱面1132a相交，形成所述第一凸棱1132的棱角θ。所述棱角θ大于零度小于180度，优选的，所述棱角θ大于等于30度小于等于60度。
同样，所述第二凸棱1134的结构与第一凸棱1132基本相同，包括一第一棱面1134a与第二棱面1134b，所述第一棱面1134a与第二棱面1134b分别向远离硅片衬底110的方向延伸，并相交形成所述第二凸棱1134的棱角。所述第二凸棱1134的所述第一棱面1134a一端与所述硅片衬底110的表面相交接，另一端以角度α向远离硅片衬底110的方向延伸。所述第二棱面1134b具有相对的两端，一端与所述第一凸棱1132中第二棱面1132b的一端在靠近硅片衬底110的表面相交，从而形成三维纳米结构113的第一凹槽1136，另一端与所述第一棱面1134a相交于第二凸棱1134的棱角。所述多个三维纳米结构113在硅片衬底110的表面并排排列，相邻的三维纳米结构113之间形成一第二凹槽1138，故一个三维纳米结构113中的第二凸棱1134的第二棱面1134b和与其相邻的另一个三维纳米结构113的第一凸棱1132的第一棱面1132a在所述硅片衬底110的表面相交接形成所述第二凹槽1138。
所述第一凸棱1132与第二凸棱1134从硅片衬底110表面向远离该硅片衬底110表面突出的高度不限，所述高度是指从硅片衬底110的表面至所述第一凸棱1132或所述第二凸棱1134的最高点之间的距离，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的高度可以相等或不相等，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的高度可为150纳米~200纳米。所述第一凸棱1132或所述第二凸棱1134的最高点的集合体可为直线形或非直线形线，如折线或曲线等，也即所述第一凸棱1132中所述第一棱面1132a与第二棱面1132b相交形成的线可为直线、折线或曲线等，同样所述第二凸棱1134的所述第一棱面1134a与第二棱面1134b相交形成的线也可为直线、折线或曲线等。同一个三维纳米结构113中，第一凸棱1132的最高点与所述第二凸棱1134最高点之间的距离可为20纳米~100纳米。本实施例中，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134的高度相同，均为180纳米，且最高点的集合形成一直线。所述第一凸棱1132及第二凸棱1134沿X方向延伸，在Y方向上，所述第一凸棱1132及第二凸棱1134横截面的形状可为梯形或锥形。本实施例中，所述第一凸棱1132及第二凸棱1134的横截面为锥形，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134形成一双峰凸棱结构，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134交界处形成一交接线。所述第二凸棱1134与第一凸棱1132横截面的形状可完全相同或不同，当所述第二凸棱1134与第一凸棱1132横截面的形状相同时，所述第二凸棱1134与第一凸棱1132形成一对称结构，所述对称结构是指所述第二凸棱1134与第一凸棱1132的横截面对于两者之间的交接线呈镜面对称分布。可以理解，所述第二凸棱1134与第一凸棱1132也可为非对称结构。本实施例中，所述第一凸棱1132与第二凸棱1134为一对称结构。所述第一凸棱1132、第二凸棱1134及硅片衬底110为一体成型结构，即所述第一凸棱1132与所述第二凸棱1134之间无间隙或间隔，且与所述硅片衬底110无间隙的结合。可以理解，由于工艺的限制及其他因素的影响，所述第一凸棱1132的第一棱面1132a与第二棱面1132b并非绝对的平面，可存在一定的误差，如部分表面为弧面、折面等，因此第一棱面1132a与第二棱面1132b相交形成的棱角θ也并非一绝对的尖角，可能为一弧形角等其他形式，但所述棱角的具体形状并不影响所述第一凸棱1132的整体结构，属于本发明的保护范围。同理，所述第二凸棱1134的棱角亦是如此。
同一个M形三维纳米结构113中的所述第一凸棱1132与第二凸棱1134之间，形成的所述第一凹槽1136，所述第一凸棱1132中第二棱面1132b与所述第二凸棱1134中的第二棱面1134b作为第一凹槽1136的两个侧面，两个侧面相交处形成所述第一凹槽1136的底部。所述第一凹槽1136的延伸方向与所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的延伸方向相同。所述第一凹槽1136横截面形状为V形，且所述多个第一凹槽1136深度h1均相等，即所述三维纳米结构113为一条形凸起结构，所述每个条形凸起结构具有一V形凹槽，所述V形凹槽设置于所述条形凸起结构远离硅片衬底110的表面，且沿所述条形凸起结构的延伸方向延伸，所述V形凹槽的深度小于所述条形凸起结构的高度。定义第一凹槽1136的深度h1为所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的最高点与所述第一凹槽1136底部之间的距离，即所述第一凹槽1136向硅片衬底110内部凹进的距离。在硅片衬底110表面，所述多个三维纳米结构113彼此平行且等间距排列，相邻的M形三维纳米结构113之间形成的所述第二凹槽1138，所述第二凹槽1138的延伸方向与所述三维纳米结构113的延伸方向相同。所述第二凹槽1138的横截面为V形或倒梯形，在X方向上，所述横截面的形状及大小均基本相同。可以理解，由于工艺的限制或其他外界因素的影响，所述第一凹槽1136及第二凹槽1138横截面的形状、大小、深度并非绝对的相同，可存在一定的误差，但该误差并不影响所述横截面的整体形状及总体趋势。所述第二凹槽1138的深度h2均相等，定义第二凹槽1138的深度h2为所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的最高点与硅片衬底110表面之间的距离，即所述第二凹槽1138向硅片衬底110内部方向凹进的距离。所述第二凹槽1138的深度h2与第一凹槽1136的深度h1不同。所述延伸的深度不限，可根据实际需要进行选择。所述第二凹槽1138的深度h2大于所述第一凹槽1136的深度h1，进一步的，所述第一凹槽1136的深度h1与第二凹槽1138的深度h2的比值满足：1:1.2≤h1:h2≤1:3。所述第一凹槽1136的深度h1可为30纳米~120纳米，所述第二凹槽1138的深度h2可为100纳米~200纳米。本实施例中，所述第一凹槽1136的深度h1为80纳米，所述第二凹槽1138的深度h2为180纳米。所述第一凸棱1132与第二凸棱1134之间的距离以及其深度之间的关系，可根据实际需要进行选择，以满足不同器件的具体要求。
所述M形三维纳米结构113的宽度λ可为100纳米~300纳米。所述三维纳米结构113的“宽度”是指所述M形三维纳米结构113在Y方向上延伸的最大长度。并且在远离硅片衬底110的方向上，该长度逐渐减小，也即每一三维纳米结构中，第一凸棱1132与第二凸棱1134的最高点之间的距离，小于该三维纳米结构的宽度。所述多个三维纳米结构113可间隔分布，任意两个相邻的三维纳米结构113之间具有相同的间距。所述间隔即形成所述第二凹槽1138。定义相邻两第二凹槽1138之间的间距为相邻的两个第二凹槽1138向硅片衬底110内部延伸的最深点之间的距离，则所述相邻两第二凹槽1138之间的距离等于所述三维纳米结构113的宽度。所述第二凹槽1138可为一倒梯形结构或V形结构。不同的相邻两个三维纳米结构113之间，所述相邻三维纳米结构之间的间距λ0可相等或不等。所述间距λ0随所述第一凸棱1132或第二凸棱1134高度的增加而增加，随其高度的减小而减小。在Y方向上，所述λo也可逐渐变化，如逐渐变大或逐渐变小或周期性变化。相邻两三维纳米结构113之间的间距λ0可为0纳米~200纳米。当所述λ0为0时，所述第二凹槽1138横截面的形状为V形；当λ0大于0时，所述第二凹槽1138横截面的形状为倒梯形。在Y方向上，所述多个三维纳米结构113彼此平行设置于所述硅片衬底110的表面，并且呈周期性分布。所述三维纳米结构113的周期P可为100纳米~500纳米。进一步的，所述周期P、三维纳米结构113的宽度λ以及相邻两三维纳米结构113之间的间距λ0满足如下关系：
P＝λ＋λ0。
所述周期P、三维纳米结构113的宽度λ以及相邻两三维纳米结构113之间的间距λ0的单位均为纳米。所述周期P可为一固定值，此时当所述λ0增加时，则λ相应减小；当λ0减小时，所述λ相应增加。进一步的，所述多个三维纳米结构113可以多个周期形成于所述硅片衬底110表面，即部分三维纳米结构113以周期P排列，另一部分以周期P′（P′≠P）分布。所述三维纳米结构113以多周期分布时，可进一步增加光入射量，可进一步提高所述太阳能电池的效率。在本实施例中，所述P约为200纳米，所述λ约为190纳米，所述λ0约为10纳米。本实施例中，所述三维纳米结构113与所述硅片衬底110为一体成型结构，因此该三维纳米结构阵列具有更加优良的性能。
所述掺杂硅层120形成于所述三维纳米结构113的表面，该掺杂硅层120的材料为一N型掺杂硅层。该掺杂硅层120可以通过向所述硅片衬底110的第二表面114及设置于所述硅片衬底110的第二表面114上的多个三维纳米结构113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120的厚度为10纳米~1微米。所述掺杂硅层120与所述硅片衬底110形成P-N结结构，从而实现所述太阳能电池10中光能到电能的转换。可以理解，在所述硅片衬底110的第二表面114设置多个三维纳米结构113可以使所述硅片衬底110的第二表面114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113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113的滞留时间以及所述三维纳米结构113的吸收光的频率范围，从而提高所述太阳能电池10的吸光效率，进而提高所述太阳能电池10的光电转换效率。
另外，当光线照射到所述三维纳米结构113的侧面（如第一棱面1132a）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113，被该相邻的三维纳米结构113吸收和反射，因此所述照射的光线在所述的三维纳米结构113中发生多次反射及吸收，也就是说，光线第一次照射到所述三维纳米结构113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10对光线的利用率。
所述背电极100的材料可以为铝、镁或者银等金属。该背电极100的厚度为10微米~30微米。本实施例中，所述背电极100为一厚度约为20微米的铝箔。
所述上电极130可以与所述掺杂硅层120部分接触或完全接触。可以理解，所述上电极130可以通过所述多个三维纳米结构113部分悬空设置，并与所述掺杂硅层120形成部分接触；所述上电极130也可以包覆于所述掺杂硅层120表面，并与所述掺杂硅层120形成完全接触。该上电极130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或碳纳米管结构，以使所述太阳能电池10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10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120表面，并与所述掺杂硅层120完全接触。所述碳纳米管结构可由多个碳纳米管组成一个自支撑结构，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113部分悬空设置，并与所述掺杂硅层120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而保持其整体结构，或将所述碳纳米管结构放置于间隔设置的两支撑体上，中间位置处的碳纳米管结构悬空设置。本实施例中，所述上电极130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113部分悬空设置，并与所述掺杂硅层120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10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110及掺杂硅层120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110和掺杂硅层120接触面的复合速度，从而进一步提高所述太阳能电池10的光电转换效率。
所述太阳能电池10中的硅片衬底110和掺杂硅层120的接触面形成有P-N结。在接触面上掺杂硅层120中的多余电子趋向硅片衬底110中的P型硅片衬底移动，并形成一个由掺杂硅层120指向硅片衬底110的内电场。太阳光从所述太阳能电池10的上电极130一侧入射，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130移动，P型硅片衬底中的空穴向所述背电极100移动，然后分别被所述背电极100和上电极130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10的制备方法，包括以下步骤：
S10，提供一硅基板1101，所述硅基板1101具有一第一表面（未标识）以及与该第一表面相对设置的一第二表面（未标识）；
S11，在所述硅基板1101的第二表面设置多个M形的三维纳米结构113，形成所述硅片衬底110；
S12，在所述三维纳米结构表面形成一掺杂硅层120；
S13，在所述掺杂硅层120的至少部分表面设置一上电极130；
S14，设置一背电极100与所述硅片衬底110欧姆接触。
在步骤S10中，所述硅基板1101包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面。该硅基板1101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1101为一P型单晶硅片。所述硅基板1101的厚度为20微米~30微米。所述硅基板1101的大小、厚度和形状不限，可以根据实际需要选择。
请参阅图6，在步骤S11中，在所述硅基板1101的表面形成所述多个三维纳米结构113的方法具体包括以下步骤：
步骤S111，在所述硅基板1101的表面设置一掩模层103；
步骤S112，纳米压印并刻蚀所述掩模层103，使所述掩模层103图案化；
步骤S113，刻蚀所述硅基板1101，使所述硅基板1101的表面图案化，形成多个三维纳米结构预制体1131；
步骤S114，去除所述掩模层103，形成所述多个三维纳米结构113。
在步骤111中，所述掩模层103可为一单层结构或复合层结构。当所述掩模层103为一单层结构时，所述单层掩模的材料可以为ZEP520A、HSQ（hydrogensilsesquioxane）、PMMA（Polymethylmethacrylate）、PS（Polystyrene）、SOG（Silicononglass）或其他有机硅类低聚物等材料，所述单层掩模用于保护其覆盖位置处的硅基板1101。所述单层掩模的厚度可根据实际需要进行选择，如需要刻蚀的深度等。本实施例中，所述掩模层103为一复合掩模层，所述复合掩模层包括一第一掩模层1032及一第二掩模层1034，所述第一掩模层1032及第二掩模层1034依次层叠设置于所述硅基板1101表面，所述第二掩模层1034覆盖所述第一掩模层1032。所述第一掩模层1032及一第二掩模层1034的材料不限，可以根据实际需要及刻蚀所需要的气氛进行选择，所述第一掩模层1032的材料可为ZEP520、PMMA（Polymethylmethacrylate）、PS（Polystyrene）、SAL601或ARZ720等，所述第二掩模层1034可为HSQ、SOG（Silicononglass）或其他有机硅类低聚物等等。本实施例中，所述第一掩模层1032的材料为ZEP520A，第二掩模层1034的材料为HSQ。所述第一掩模层1032及第二掩模层1034可通过在硅基板1101表面沉积然后烘干的方式形成。所述第一掩模层1032及第二掩模层1034可以采用丝网印刷法或旋涂法沉积于所述硅基板1101表面。由于所述第二掩模层1034易于机械压印，因此可保证后续刻蚀第一掩模层1032中形成的纳米图形的精度，进而可保证所述整个掩模层103的精度，进而保证刻蚀形成的三维纳米结构113具有优良的性能。
具体的，所述掩模层103的制备包括以下步骤：
步骤S111，形成所述第一掩模层1032。本实施例中，所述第一掩模层1032的制备方法包括以下步骤：首先，清洗所述硅基板1101表面；其次，在硅基板1101的表面旋涂ZEP520，旋涂转速为500转/分钟~6000转/分钟，时间为0.5分钟~1.5分钟；其次，在140℃~180℃温度下烘烤3~5分钟，从而在所述硅基板1101表面形成该第一掩模层1032。该第一掩模层1032的厚度为100纳米~500纳米。
步骤S112，形成所述第二掩模层1034，所述第二掩模层1034的制备方法包括以下步骤：首先，在所述第一掩模层1032的表面旋涂所述抗蚀剂HSQ，旋涂转速为2500转/分钟~7000转/分钟，旋涂时间为0.5分钟~2分钟，该抗蚀剂HSQ的旋涂在高压下进行。该第二掩模层1034的厚度为100纳米~500纳米，优选的为100纳米~300纳米。其次，固化所述抗蚀剂HSQ形成所述第二掩模层1034。该第二掩模层1034具有可在室温下压印、结构稳定性较佳、以及压印分辨率可达到10nm以下之高分辨率等特性。
进一步的，在步骤S111与步骤S112之间可以包括一在所述第一掩模层1032的表面形成一过渡层（图未示）的步骤，所述过渡层可通过溅射法或沉积法形成，所述过渡层的材料不限，可根据实际需要进行选择，本实施例中，所述过渡层为二氧化硅。所述过渡层用于在刻蚀第二掩模层1034时，保护第一掩模层1032的完整性。
在步骤S112中，通过纳米压印及刻蚀使所述掩模层103图案化的方法具体包括以下步骤：
步骤S112a，提供一表面具有纳米图形的模板200。
所述模板200的材料可为硬性材料，如镍、硅或者二氧化硅。该模板200的材料也可为柔性材料，如PET、PMMA、PS、PDMS等。该模板200的表面形成有纳米图形，所述纳米图形可为多个条形凸部间隔形成的一维阵列，也可为同心圆环形凸起结构，或同心回形凸起结构，不管是任何形状的条形凸起结构其相邻的凸部之间均形成一凹槽。本实施例中，所述多个凸部为沿同一方向延伸的条形凸起结构，相邻的条形凸起结构之间形成所述凹槽。所述条形凸起结构的两端沿同一方向分别延伸至所述模板200相对的两边缘，在垂直于该延伸方向上，所述条形凸起结构的宽度不限，可根据需要进行选择。本实施例中，该模板200的材料为二氧化硅，所述条形凸起结构及所述凹槽的宽度可相等或不相等，且均为50纳米~200纳米。
步骤S112b，将模板200具有纳米图形的表面与所述第二掩模层1034贴合，并在常温下挤压所述模板200与硅基板1101后，脱模。
在常温下，可以通过模板200向硅基板1101施加压力，使得所述模板200上的纳米图形转移到第二掩模层1034。具体地，使模板200形成有纳米图形的表面与所述硅基板1101上的第二掩模层1034贴合，并在真空度为1×10-1mbar~1×10-5mbar，施加压力为2磅/平方英尺~100磅/平方英尺（Psi）的压印条件下，保持2~30分钟，最后将模板200与硅基板1101分离，从而该模板200表面的纳米图形复制到所述第二掩模层1034。在所述第二掩模层1034形成的纳米图形包括并排延伸的多个条形凸起结构，相邻的凸起结构之间形成一凹槽，且所述第二掩模层1034中凹槽的大小及形状与模板200中的凸部相对应，所述第二掩模层1034中条形凸起结构的大小及形状与模板200中的凹槽相对应。在施加压力的过程中，与模板200对应位置处的第二掩模层1034被所述模板200的凸部压缩而变薄，在第二掩模层1034中形成一凹槽。凹槽底部位置处的第二掩模层1034形成一薄层，贴附于第一掩模层1032表面。
步骤S112c，通过刻蚀去除所述凹槽底部的第二掩模层1034，露出第一掩模层1032。
所述凹槽底部的第二掩模层1034可以通过等离子体刻蚀的方法去除。本实施例中，所述凹槽底部残留的第二掩模层1034可以采用碳氟(CF4)反应性等离子体刻蚀去除，以露出第一掩模层1032。具体地，可将上述形成有纳米图形的硅基板1101放置于一反应性等离子体刻蚀系统中，该反应性等离子体刻蚀系统的一感应功率源产生CF4等离子体，CF4等离子体以较低的离子能量从产生区域扩散并漂移至所述硅基板1101的第二掩模层1034，此时该凹槽底部的第二掩模层1034被所述CF4等离子体刻蚀。CF4等离子体系统的功率可为10瓦~150瓦，所述CF4等离子体的通入速率可为2~100标况毫升每分(standard-statecubiccentimeterperminute，sccm)，形成的气压可为1~15帕，采用CF4等离子体刻蚀时间可为2秒~4分钟。本实施例中，所述等离子体刻蚀的条件为：等离子体系统的功率为40W，等离子体的通入速率为26sccm，气压为2Pa，刻蚀时间为10秒。通过上述方法，凹槽底部的第二掩模层1034被刻蚀掉，露出第一掩模层1032，且所述第二掩模层1034的凸部也同时被刻蚀变薄。所述第二掩模层1034纳米图形的完整形态依然保持完整。
步骤S112d，去除与所述第二掩模层1034的凹槽对应的部分第一掩模层1032，露出硅基板1101，形成图案化的所述掩模层103。
凹槽底部的第一掩模层1032可以在一氧等离子体系统中采用氧等离子体去除。所述氧等离子体系统的功率可为10瓦~150瓦，氧等离子体的通入速率可为2~100sccm，形成的气压可为0.5帕~15帕，采用氧等离子体刻蚀时间可为5秒~5分钟。本实施例中，所述等离子系统的功率为40W，等离子体的通入速率为40sccm，气压为2Pa，刻蚀时间为120秒。通过上述方法，凹槽底部的第一掩模层1032被去除，露出硅基板1101。采用氧等离子体刻蚀第一掩模层1032过程中，与凹槽对应的第一掩模层1032被氧化而刻蚀掉，所述第二掩模层1034对所述第一掩模层1032中与凹槽对应部分以外的区域起到良好的掩模作用，进而刻蚀过程中有效保持第一掩模层1032的分辨率。通过刻蚀将所述第二掩模层1034中的纳米图形复制到第一掩模层1032中，从而使所述整个掩模层103图案化。所述“图案化”是指所述掩模层103在硅基板1101的表面形成多个凸起结构1031，以分散的形式覆盖所述硅基板1101的部分表面，相邻的凸起结构1031之间形成一沟槽1033，与沟槽1033对应区域的硅基板1101的表面暴露出来，所述凸起结构1031覆盖此区域之外硅基板1101的表面。通过控制所述刻蚀气体的总的流动速率及刻蚀方向，可使刻蚀结束后形成凸起结构1031的侧壁陡直，进而可保证后续刻蚀所述硅基板1101中，形成的三维纳米结构预制体1131的形状的一致性及均匀性。
在步骤S113中，刻蚀所述硅基板1101，使所述硅基板1101的表面图案化，并形成多个三维纳米结构预制体1131。
所述刻蚀方法可通过将上述硅基板1101放置在一感应耦合等离子体系统中，利用刻蚀气体对所硅基板1101进行刻蚀。在刻蚀的过程中，与掩模层103中沟槽1033对应的部分硅基板1101被气体所刻蚀去除，从而在硅基板1101的表面形成一凹槽。
所述硅基板1101刻蚀过程主要包括以下步骤：
第一步骤，对未被掩模层103覆盖的硅基板1101表面进行刻蚀，使硅基板1101表面形成多个凹槽，所述凹槽的深度基本相同；
第二步骤，在所述等离子体的轰击作用下，所述掩模层103中相邻的两个条形凸起结构1031逐渐相向倾倒，使所述两个条形凸起结构1031的顶端逐渐两两靠在一起而闭合，所述等离子体对该闭合位置内所述硅基板1101的刻蚀速率逐渐减小，从而在硅基板1101的表面形成所述第一凹槽1136，在未发生闭合的两个条形凸起结构之间，形成第二凹槽1138，且形成的所述第二凹槽1138的深度大于所述第一凹槽1136的深度。
在第一步骤中，所述刻蚀气体对未被掩模层103覆盖的硅基板1101表面进行刻蚀，形成多个凹槽，所述凹槽的深度基本相同。在刻蚀的过程中，所述气体会与硅基板1101反应，从而在刻蚀表面形成一保护层，阻碍气体的进一步刻蚀，使得刻蚀面逐渐减小，即形成所述凹槽的宽度沿刻蚀方向逐渐减小，进而使得形成的所述凹槽的内壁并非垂直于所述硅基板1101的表面，而是形成一定角度。同时，所述气体对所述掩模层103中所述凸起结构1031的顶端（即远离硅基板1101表面的一端）进行刻蚀从而使得所述凸起结构1031顶端的宽度逐渐变窄。
在第二步骤中，主要包括以下几个过程：
第一过程，在气体刻蚀的过程中，在所述等离子气体的轰击作用下，相邻的条形凸起结构1031之间依次两两闭合，即相邻的两个条形凸起结构1031逐渐相向倾倒，使所述两个条形凸起结构1031的顶端逐渐两两靠在一起。
第二过程，由于相邻的两个条形凸起结构1031逐渐闭合，所述刻蚀气体对该闭合位置内所述硅基板1101的刻蚀速率逐渐减小，即在该位置处形成凹槽的宽度沿刻蚀深度进一步减小，进而形成一V形结构的凹槽，且该凹槽的深度较浅。而未闭合的凸起结构1031之间，由于所述刻蚀气体可继续以相同的刻蚀速率对该位置处的硅基板1101进行刻蚀，因此该位置处相对于闭合位置处形成的凹槽的深度较深。
第三过程，所述条形凸起结构1031两两闭合后，使所述刻蚀气体无法再对该闭合位置处的硅基板1101的表面进行刻蚀，从而在硅基板1101的表面形成所述第一凹槽1136。在刻蚀的过程中，由于闭合位置处刻蚀气体对硅基板1101的刻蚀速度逐渐减小，从而使该位置处的刻蚀速度小于未闭合位置处的刻蚀速度。同时，当所述条形凸起结构1031两两闭合之后，在未发生闭合的两个条形凸起结构1031之间，所述刻蚀气体可以继续对所述硅基板1101进行刻蚀，形成第二凹槽1138。因此该位置处第二凹槽1138的深度，大于硅基板1101中闭合的条形凸起结构1031之间形成的第一凹槽1136的深度，从而形成所述三维纳米结构预制体1131。
本实施例中，所述刻蚀气体为混合气体，所述混合气体包括Cl2、BCl3、O2及Ar2气体。所述等离子体系统的功率可为10瓦~150瓦，所述混合气体的通入速率可为8~150sccm，其形成的气压可为0.5帕~15帕，刻蚀时间可为5秒~5分钟。其中，所述Cl2的通入速率可为2~60sccm，所述BCl3的通入速率可为2~30sccm，所述O2的通入速率可为3~40sccm，所述Ar2的通入速率为1~20sccm。优选的，所述混合气体的通入速率为40~100sccm，以保证所述刻蚀的速度及精确度。本实施例中，所述等离子系统的功率为70W，所述等离子体的通入速率为40sccm，气压为2Pa，刻蚀时间为120秒，其中，所述Cl2的通入速率为26sccm，所述BCl3的通入速率为16sccm，所述O2的通入速率为20sccm，所述Ar2的通入速率为10sccm。
可以理解，所述掩模层103及所述刻蚀气体并不限于以上所举，可根据实际需要进行选择，可以为单一气体，也可以为混合气体，只要保证在刻蚀的过程中，使所述掩模层103中的条形凸起结构1031两两闭合即可。所述气体的通入速率、气压、刻蚀时间、气体之间的比例等可根据需要形成的三维纳米结构113的大小、尺寸等进行选择。
在步骤S114中，所述掩模层103可通过有机溶剂如四氢呋喃（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，溶解所述掩模等方法去除，从而形成所述多个三维纳米结构113。本实施例中，所述有机溶剂为丁酮，所述掩模层103溶解在所述丁酮中，从而与所述硅基板1101脱离。去除所述掩模层103之后，形成如前所述之硅片衬底110以及形成于硅片衬底110一表面的多个三维纳米结构113，所述三维纳米结构113与所述硅片衬底110形成一体结构。
可以理解，本实施例中所述纳米压印并刻蚀所述掩模层103形成多个条形凸起结构及凹槽的方法仅为一具体实施例，所述掩模层103的处理并不限于以上制备方法，只要保证所述图案化的掩模层103包括多个条形凸起结构，相邻的凸起结构之间形成凹槽，设置于硅基板1101后，所述硅基板1101表面通过该凹槽暴露出来即可。如也可以通过先在其他介质或基底表面形成所述图案化的掩模层，然后再转移到该硅基板1101表面的方法形成。
在步骤S12中，所述掺杂硅层120是通过向所述三维纳米结构113的表面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120的厚度为10纳米~1微米。所述掺杂硅层120与所述硅片衬底110形成P-N结结构，从而实现所述太阳能电池10中光能到电能的转换。
可以理解，在所述步骤S110之前，还可以进一步包括在所述三维纳米结构113的表面及相邻三维纳米结构113之间的硅片衬底110的第二表面114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130，并将所述上电极130设置于所述掺杂硅层120的至少部分表面。
可以理解，将所述上电极130设置于所述掺杂硅层120的表面，该上电极130可以与所述掺杂硅层120部分接触或完全接触。所述上电极130可以通过所述多个三维纳米结构113部分悬空设置，并与所述掺杂硅层120部分接触；所述上电极130也可以包覆于所述掺杂硅层120表面，并与所述掺杂硅层120完全接触。该上电极130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10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10的性能。本实施例中，所述上电极130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113部分悬空设置，并与所述掺杂硅层120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100，将所述背电极100设置于所述硅片衬底110的第一表面112，使所述背电极100与所述硅片衬底110的第一表面112欧姆接触。
所述背电极100的材料可以为铝、镁或者银等金属。该背电极100的厚度为10微米~30微米。可以理解，将所述背电极100设置于所述硅片衬底110的第一表面112，该背电极100可以与所述硅片衬底110的第一表面112形成欧姆接触。
本发明提供的太阳能电池的制备方法，具有以下有益效果，其一，通过纳米压印及刻蚀的方法在所述太阳能电池的光入射面上设置三维纳米结构阵列，其可在室温下进行压印，且模板无须预先处理，使得该方法工艺简单，成本低。其二，对所述硅片衬底进行刻蚀并使所述掩模层中的凸起结构两两闭合，可方便的制备大面积周期性的M形三维纳米结构，形成一大面积的三维纳米结构阵列，从而提高了所述太阳能电池的产率。
请参阅图7，本发明第二实施例提供一种太阳能电池20，所述太阳能电池20包括：一上电极130、一掺杂硅层120、一硅片衬底110及一背电极100，所述硅片衬底110与所述背电极100接触设置，太阳光从所述上电极130的一侧入射。所述太阳能电池20与本发明第一实施例中的太阳能电池10的结构基本相同，不同之处在于，本实施例中的太阳能电池20进一步包括一纳米级的金属层140包覆于所述掺杂硅层120的表面。所述金属层140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140的厚度为2nm~20nm，所述金属层140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140为一厚度为50纳米左右的纳米金颗粒层。
所述上电极130也可以与所述金属层140部分接触或完全接触。本实施例中，所述上电极130通过所述多个三维纳米结构113部分悬空设置，并与所述金属层140至少部分接触。
可以理解，在所述掺杂硅层120的表面包覆一层纳米级的金属层140，当入射光线透过所述上电极130照射到所述金属层140时，金属层140的表面等离子体被激发，从而增加了位于金属层140附近的掺杂硅层120对光子的吸收。此外，金属层140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。
请参阅图8，本发明进一步提供一种所述太阳能电池20的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
S20，提供一硅基板1101，所述硅基板1101具有一第一表面（未标识）以及与该第一表面相对设置的一第二表面（未标识）；
S21，在所述硅基板1101的第二表面设置多个M形的三维纳米结构113，形成所述硅片衬底110；
S22，在所述三维纳米结构113的表面形成一掺杂硅层120；
S23，在所述掺杂硅层120的表面设置一金属层140；
S24，在所述金属层140的至少部分表面设置一上电极130；以及
S25，设置一背电极100与所述硅片衬底110欧姆接触。
本实施例中所述提供的太阳能电池20的制备方法与本发明第一实施例中的太阳能电池10的制备方法基本相同，不同之处在于，在所述三维纳米结构113的表面形成一掺杂硅层120之后，进一步在所述掺杂硅层120的表面形成一金属层140。所述金属层140可以通过电子束蒸发法涂覆于所述掺杂硅层120的表面。
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M形的三维纳米结构，可以提高所述太阳能电池的取光面积；其次，所述M形三维纳米结构可以使入射的太阳光在所述M形凸起结构或M形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吸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M形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，该方法通过掩模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M形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 (18)
1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括：
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；
多个三维纳米结构以阵列形式形成于所述硅片衬底的第二表面，且每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度，每一第一凸棱及第二凸棱均具有相交的第一棱面与第二棱面，所述第一棱面及第二棱面分别为平面；
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
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，所述三维纳米结构为条形凸起结构，所述三维纳米结构在硅片衬底的第二表面以直线并排延伸。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述三维纳米结构在其延伸方向的横截面的形状为M形。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一凸棱及第二凸棱的横截面分别为锥形，所述第一凸棱与第二凸棱形成一双峰凸棱结构。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一凹槽的深度为30纳米～120纳米，所述第二凹槽的深度为100纳米～200纳米。
6.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在硅片衬底第二表面按照等间距排布。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述多个三维纳米结构在硅片衬底第二表面按同一周期或多个周期排布，所述周期范围为100纳米～500纳米。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，相邻三维纳米结构之间的间距为0纳米～200纳米。
9.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述三维纳米结构的宽度为100纳米～300纳米。
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～100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～20nm。
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，其包括依次层叠设置的一背电极，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进一步包括多个三维纳米结构并排延伸设置，每个三维纳米结构沿延伸方向的横截面为M形，所述掺杂层设置于该三维纳米结构表面，所述三维奈米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，每一第一凸棱及第二凸棱均具有相交的第一棱面与第二棱面，所述第一棱面及第二棱面分别为平面。
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