CN103094404A - 一种提高硅薄膜太阳电池光电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高硅薄膜太阳电池光电流的方法，属于光伏技术领域。传统硅薄膜太阳电池的陷光技术主要是前、后电极采用织构结构，这种结构往往会导致载流子表面复合及有源层缺陷态密度的增大，同时由于需要湿法刻蚀，所以工艺较复杂且不易控制。为解决这些问题，本发明提供一种利用铜纳米颗粒表面等离激元增加光吸收的方法，其核心工艺是利用磁控溅射设备在真空腔体内沉积铜岛膜，然后进行原位退火形成铜纳米颗粒阵列，置于硅薄膜太阳电池的两个电极附近，以此激发表面等离激元。利用表面等离激元的近场增强效应和散射效应提高光吸收，进而提高光电流。这种方法不需要湿法刻蚀、光刻等工艺，因此电池成本将大大降低。

Description

一种提高硅薄膜太阳电池光电流的方法
技术领域
本发明涉及一种提高硅薄膜太阳电池光电流的方法，属于光伏技术领域。
背景技术
在光伏领域中，为提高硅薄膜太阳电池的短路电流，人们常采用光陷阱技术增加光在电池中的路程。目前的光陷阱技术主要采用绒面结构的前电极或电池背面的背反射器，这种技术的最大特点是透明电极具有一定的织构，因此可起到陷光作用。但这种技术也存在着很大的缺陷：(1)透明电极的织构多采用湿法刻蚀形成，不仅需要腐蚀性较强的强酸，而且工艺条件不易控制；(2)这种织构或绒面结构的薄膜上生长的电池有源层的缺陷态密度较大，从而导致电池的开路电压和填充因子降低；(3)由于织构而导致的表面积的增大会增加载流子的表面复合；(4)起到陷光效应的光波段是固定的，不能与有源层的禁带宽度进行匹配。
发明内容
为解决目前硅薄膜太阳电池光陷阱技术的不足，本发明提供一种新型铜纳米颗粒表面等离激元陷光技术，制备工艺与薄膜电池的电极工艺完全兼容，克服了由于湿法刻蚀而带来的工艺复杂且不易控制的问题；同时也解决了由于织构而导致的载流子表面复合、有源层缺陷态密度增大的问题；除此之外，还可通过调节铜颗粒表面等离激元的共振频率，调节其陷光波段，因此可灵活地与电池有源层禁带宽度进行匹配，进而有效地提高太阳电池的光电流。
本发明涉及一种利用新型铜纳米颗粒表面等离激元提高硅薄膜太阳电池短路电流的方法。所采用的技术方案是：第一，以透明导电玻璃为衬底，在磁控溅射真空腔体内沉积岛状铜膜，腔体的本底真空为5*10-4Pa或更高，气源采用氩气，铜模的的厚度及微结构通过溅射过程中的气体压强、功率密度、衬底温度及沉积时间进行调控；第二，将铜岛膜进行真空原位退火形成铜纳米颗粒阵列，铜纳米颗粒的形态可以是球形，椭球形，圆柱形或棱柱形，其密度及颗粒尺寸可由铜膜厚度、退火温度及退火时间来控制，无需光刻工艺；第三，退火完毕后，在同一腔体内沉积5-10nm的氧化锌薄膜；第四，利用化学气相沉积法制备常规PIN结；第五，再次利用磁控溅射系统制备铜纳米阵列，基本同二和三；第六，在同一腔体内沉积常规铝电极。
本发明的有益效果是(1)克服了由于湿法刻蚀而带来的工艺复杂且不易控制的问题；(2)无需采用光刻工艺，因此成本低；(3)解决了由于织构而导致的载流子表面复合、有源层缺陷态密度增大的问题；(4)可通过调节铜颗粒表面等离激元的共振频率，调节其陷光波段，因此可灵活地与电池有源层禁带宽度进行匹配，进而有效地提高太阳电池的光电流。
附图说明
下面，结合附图和实施例对本发明做进一步说明
附图是应用铜纳米颗粒表面等离激元后的太阳电池的纵剖面图
1.透明导电玻璃衬底，作为太阳电池的一个电极；
2.铜纳米颗粒阵列，其形态可以为球形，椭球形，圆柱形及棱柱形；
3.极薄的高阻氧化锌薄膜
4.常规PIN结；
5.铜纳米颗粒阵列，其形态可以为球形，椭球形，圆柱形及棱柱形；
6.常规铝电极。
具体实施方式
如图1，以透明导电玻璃(1)为衬底，在磁控溅射真空腔体内沉积铜岛膜，具体工艺参数如下：本底真空为5*10-4Pa或更高，铜靶纯度为99.99％以上，气体采用纯度为99.999％的氩气，沉积气压在0.8Pa-3Pa之间，衬底温度为150℃-200℃，沉积时间为10S-30S，薄膜厚度为15nm-30nm。将制备完成后的铜岛膜在同一真空腔体内进行原位退火，退火温度维持在300℃-400℃，退火时间为1.5-3小时，形成铜纳米颗粒阵列(2)，其尺寸在15-30nm之间，其形态可以为球形、椭球形、圆柱形或棱柱形，可根据需要通过延长退火时间增加颗粒间距。退火完毕后抽真空10-20分钟，使腔体内真空度达到5*10-4Pa或更高，在铜纳米阵列上沉积高阻氧化锌薄膜(3)，靶材采用纯度为99.99％以上的氧化锌靶，气体采用纯度为99.999％的氩气，沉积气压在1-2Pa左右，衬底温度为200℃左右，氧化锌薄膜的厚度在5-8nm。然后将样品从腔体取出，利用化学气相沉积法制备常规PIN结(4)。PIN结上面制备铜纳米颗粒阵列(5)，制备方法基本与(2)同，但颗粒尺寸应在15nm-60nm之间。铜纳米阵列(2)与(5)可激发表面等离激元，表面等离激元的共振频率可通过调节颗粒尺寸及密度进行调控，进而可与有源层的禁带宽度(1.2-1.7ev)进行优化匹配。最后在同一磁控溅射腔体内制备常规铝电极(6)。

Claims (5)

1.本发明涉及一种利用新型铜纳米颗粒表面等离激元提高硅薄膜太阳电池短路电流的方法。其工艺流程是：第一，以透明导电玻璃为衬底，在磁控溅射真空腔体内沉积岛状铜膜，腔体的本底真空为5*10-4Pa或更高，气源采用氩气，铜模的的厚度及微结构通过溅射过程中的气体压强、功率密度、衬底温度及沉积时间进行调控；第二，将铜岛膜进行真空原位退火形成铜纳米颗粒阵列，铜纳米颗粒的形态可以是球形，椭球形，圆柱形或棱柱形，其密度及颗粒尺寸可由铜膜厚度、退火温度及退火时间来控制，无需光刻工艺；第三，退火完毕后，在同一腔体内沉积5-10nm的高阻氧化锌薄膜；第四，利用化学气相沉积法制备常规PIN结；第五，再次利用磁控溅射系统制备铜纳米阵列；第六，在同一腔体内沉积常规铝电极。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征是以铜纳米颗粒阵列激发表面等离激元，颗粒形态可以为球形，椭球形，棱柱形和圆柱形，表面等离激元分别位于硅薄膜太阳电池的两个电极；
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征是在磁控溅射真空腔体内沉积铜膜，然后进行原位退火形成铜纳米颗粒阵列，无需光刻技术；
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征是在铜纳米颗粒阵列上制备一层厚度为5-10nm的高阻氧化锌薄膜；
5.根据权利要求1中所述的方法，其特征是通过调节铜纳米颗粒尺寸及密度调控表面等离激元的共振频率，进而与有源层的禁带宽度(1.2-1.7ev)进行优化匹配。
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