CN103178156A - 一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用，该方法利用湿法刻蚀，在玻璃基片上得到半球凹坑阵列结构，结构具有周期性和对称性，拥有光子晶体的性能。首先通过光刻和显影，将模板上的图形转移到光刻胶中，之后通过去铬溶液，将图形转移到铬层中，最后通过刻蚀，在平板玻璃上得到微纳周期结构。刻蚀包括湿法刻蚀和干法刻蚀。此结构用于薄膜太阳能电池衬底，可提高入射光的透射衍射，延长光子在吸收层的传播路径，从而增加薄膜电池吸收层的陷光能力，提高电池的能量转换效率。本发明具有材料廉价、工艺简单的优点，可有效提高薄膜电池的陷光能力并降低生产成本。

Description

一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用
技术领域
本发明涉及一种微纳制造、能源技术和微电子器件领域，具体地说，涉及的是一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用。
背景技术
面对全球能源短缺危机和环境不断恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能源，从而实现工业和社会的可持续发展。光伏电池是一种重要的可再生能源，其发电原理是全新的，与传统方法完全不同。太阳能电池既没有马达旋转部分，也不会排出气体，是清洁无污染的发电方式。
太阳能电池既可作为独立能源，亦可实现并网发电。但与传统的火电、水电相比，太阳能电池昂贵。当前太阳能发电占总能源比例极小，仅有0.037%。光伏发电能否作为一般能源使用，取决于它的发电成本是否能与市电竞争。要降低太阳能电池的发电成本，一方面可以降低电池的生产成本，采用更少更廉价的原料、减少生产时间、采用更简单的生产工艺等；另一方面，可以提高太阳能电池的能量转换效率。太阳能电池能量转换效率每提高1%,就可以降低7%的发电成本[黄惠良，萧锡炼，周明奇，林坚杨，江雨龙，曾百亨.太阳能电池：制备、开发、应用.M.科学出版社.2012]。
薄膜太阳能电池对降低制作能源需求及材料消耗有很大的优势。薄膜电池一般可以在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷和金属片等不同材料基板上生长，可以用PECVD和溅射等方法实现大面积生长。但与体硅太阳能电池相比，薄膜电池光电转化效率太低。薄膜电池吸收层厚度在几百纳米至一微米，而光子在约小于2μm厚的吸收层里不能被完全吸收，因此平板薄膜电池对光的吸收率不高，尤其是长波段光子在薄膜吸收层的有限光路里吸收率较低，增强长波段光子在薄膜吸收层里的吸收对提高薄膜太阳能电池的能量转换效率至关重要。为了提高光子在薄膜结构中的吸收率，通常考虑在表面反射低的前提下延长光子在吸收层的光路，需要增强进入吸收层的光衍射，尤其是高次衍射，这样有利于陷光增强。近年来许多方法用来增强薄膜电池陷光，这些方法通常都是通过新颖结构来实现陷光增强[Sai H,Kanamori Y，Arafune K et al..Light trapping effect of submicronsurface textures in crystalline Si solar cells[J].Progress in photovoltaics,2007,15(5):415–423.]，但这些新结构通常以提高成本为代价。
玻璃作为廉价且可大面积制备的基底而被广泛应用于薄膜电池结构中，采用图形化和各向同性刻蚀可以得到具有微纳结构的玻璃基片，基于此类基片制备的薄膜太阳能电池具有良好的陷光效果[Jeehwan Kim,Augustin J Hong,Jae-WoongNah et al..Three-Dimensional a-Si:H Solar Cells on Glass Nanocone Arrays Paternedby Self-Assembled Sn Nanosph-eres[J].American Chemical Society，2012,16(1):265-271]。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用，该陷光结构具有周期性和对称性，拥有光子晶体的性能。作为薄膜太阳能电池衬底，可提高电池的陷光能力和光吸收。
根据本发明的一方面，提供一种薄膜太阳能电池陷光结构，所述陷光结构是一种微纳周期性的半球凹坑阵列结构，该结构具有周期性和对称性，拥有光子晶体的性能。
优选地，所述半球凹坑阵列结构的参数：半球凹坑结构图形大小在1μm-5μm之间，周期在1μm-10μm之间，包含各种阵列的排布。
所述的陷光结构通过各向同性腐蚀，在玻璃衬底上得到的整齐排列的半球凹坑结构。凹坑的半径和排列周期由模板决定，凹坑的深度由腐蚀时间决定。当结构的尺寸与光谱波长可比时，周期排列的结构对入射光起到光栅作用。当入射光经过此类结构时，透射衍射增强，同时光的传播方向偏折。以此为衬底的薄膜电池，一方面由于光的偏折，在吸收层中，光的传播路径延长，光子被吸收率的概率提高；另一方面，由于薄膜电池的吸收层通常比与其接触的其他介质折射率高，当光发生偏折，更容易在吸收层中发生全反射，即陷光能力增强。
根据本发明的另一方面，提供一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，所述方法采用微纳加工工艺，通过各向同性刻蚀，在平板玻璃上得到半球凹坑阵列结构，形成具有微纳周期性结构的玻璃。
所述薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，具体包括如下步骤：
（a）保护层制作：在适用于太阳能电池的平板玻璃上溅射或沉积一层铬，之后旋涂一层光刻胶，在烘箱中前烘，蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使胶固化；
（b）图形转移：通过曝光和显影，把掩膜板中的图形复制到光刻胶中，之后用去铬溶液腐蚀，将图形转移到玻璃上的铬层中；
（c）刻蚀结构：样品放入氢氟酸溶液中，未被铬保护的玻璃被各向同性刻蚀，在玻璃上得到半球凹坑阵列结构。
优选地，所述（a）中平板玻璃上溅射或沉积一层铬，其中铬层的厚度为100nm—250nm。
优选地，所述（a）中所述旋涂一层光刻胶，其中光刻胶的厚度为2μm—5μm。
优选地，所述（c）中所述氢氟酸溶液浓度5wt%-20wt%。
优选地，所述（c）中所述刻蚀时间30s–15min。
根据本发明的再一方面，提供一种太阳能电池的制备方法，将具有微纳周期性结构的玻璃用于薄膜太阳能电池的衬底，具体包括如下步骤：
（a）在具有微纳周期性结构的玻璃衬底上沉积一层AZO，作为电池的前电极；
（b）沉积a-Si，形成pn结构和电池的吸收层；
（c）再沉积一层AZO作为电池的背电极和过渡层，最后沉积Ag作为背面反射层，得到非晶硅薄膜太阳能电池。
本发明将具有微纳周期性结构的玻璃用于薄膜太阳能电池的衬底，在下一层介质中，衍射光的光路比垂直光的光路大，可有效增强电池的陷光能力和光吸收，提高电池的能量转换效率。
根据本发明的最后一方面，提供一种上述具有微纳周期性结构的玻璃的应用，即：所述具有微纳周期性结构的玻璃应用于光电器件中，延长光子传播路径及增强光子捕获，当光经过此种结构玻璃时，衍射和散射会加强，玻璃的雾度和角分布函数也随之发生了变化。在下一层介质中，偏折光的传播路径比垂直光的光路大，这样光子在下一层介质中更容易被吸收。此外，偏折角大的光更容易在下一层介质中发生全反射，即陷光能力增强。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明在玻璃基片上制作微纳周期结构，即利用湿法刻蚀，在玻璃基片上得到半球凹坑阵列结构，该结构具有周期性和对称性，拥有光子晶体的性能。此结构用于薄膜太阳能电池衬底，可提高入射光的透射衍射，延长光子在吸收层的传播路径，从而增加薄膜电池吸收层的陷光能力，提高电池的能量转换效率。近年来对薄膜太阳能电池的研究大多集中在透明导电极层，针对透明导电层做各种结构设计，这些结构通常比较复杂，实际加工成本很高甚至不能实现。与传统方法相比，本发明具有材料廉价、工艺简单的优点，可有效提高薄膜电池的陷光能力并降低生产成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1(a)-(d)为具有微纳周期性结构的玻璃制备流程图。
图2为实施例3方法制作非晶硅薄膜太阳能电池结构示意图。
图3为实施例1得到的紧密型半球凹坑阵列表面结构玻璃基片的SEM图。
图4为实施例1得到的紧密型半球凹坑阵列表面结构玻璃基片与平板玻璃透射光谱比较。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1(a)-(d)所示，具有微纳周期性结构的玻璃制备流程图，该流程经过3次图形转移。首先通过光刻和显影，将模板上的图形转移到光刻胶中，之后通过去铬溶液，将图形转移到铬层中，最后通过刻蚀，在平板玻璃上得到微纳周期结构。刻蚀包括湿法刻蚀和干法刻蚀。
以下实施例按照该流程制备具有微纳周期性结构的玻璃。
实施例1
1.石英铬模板，模板上有线宽为5μm的圆孔，排列周期为10μm。适用于太阳能电池的玻璃作为光刻衬底。
2.用磁控溅射技术在玻璃上溅射一层铬100nm，再旋转涂一层2μm光刻胶。
3.在90℃温度下烘烤1H后，进行光刻，曝光时间10S，然后显影。
4.再次烘烤，然后通过常用的去铬溶液腐蚀露出来的铬，将图形转移到玻璃铬层上。
5.用5wt%氢氟酸溶液刻蚀5min，之后使用去离子水清洗干净，再次使用去铬溶液去掉残留铬，再用去离子水洗净，之后氮气吹干。得到具有微纳周期性的半球凹坑阵列结构的玻璃，半球凹坑结构图形大小在1μm—5μm之间，周期在1μm—10μm之间。
实施例2
1.石英铬模板，模板上有线宽为5μm的圆孔，排列周期为10μm。适用于太阳能电池的玻璃作为光刻衬底。
2.用离子束沉积技术在玻璃上沉积一层铬厚250nm，再旋转涂一层5μm光刻胶。
3.在90℃温度下烘烤1H后，进行光刻，曝光时间30S，然后显影。
4.再次烘烤，然后通过去铬溶液腐蚀露出来的铬，将图形转移到玻璃铬层上。
5.用15wt%氢氟酸溶液刻蚀15min，之后使用去离子水清洗干净，再次使用去铬溶液去掉残留铬，再用去离子水洗净，之后氮气吹干。得到具有微纳周期性的半球凹坑阵列结构的玻璃，半球凹坑结构图形大小在1μm-5μm之间，周期在1μm-10μm之间。
实施例3
1.石英铬模板，模板上有线宽为5μm的圆孔，排列周期为10μm。适用于太阳能电池的玻璃作为光刻衬底。
2.用离子束沉积技术在玻璃上沉积一层铬180nm，再旋转涂一层4μm光刻胶。
3.在90℃温度下烘烤1H后，进行光刻，曝光时间30S，然后显影。
4.再次烘烤，然后通过去铬溶液腐蚀露出来的铬，将图形转移到玻璃铬层上。
5.用20wt%氢氟酸溶液刻蚀30s，之后使用去离子水清洗干净，再次使用去铬溶液去掉残留铬，再用去离子水洗净，之后氮气吹干。得到具有微纳周期性的半球凹坑阵列结构的玻璃，半球凹坑结构图形大小在1μm—5μm之间，周期在1μm—10μm之间。
实施例4
1.在实施例1的基础上，得到具有微纳周期性的半球凹坑阵列结构的玻璃。
2.在玻璃基片上沉积0.3μmAZO，作为前电极。
3.沉积0.45μm a-Si-i-n作为吸收层，其中p和n层各自厚度为25nm，i层厚400nm。
4.沉积0.1μmAZO作为背面电极及过渡层。
5.最后0.3μmAg作为背面反射层，得到非晶硅薄膜太阳能电池，其示意图如附图2所示。图2中，1为玻璃，2为透明导电层，3为非晶硅，4为银。
本实施例可有效增强电池的陷光能力和光吸收，提高电池的能量转换效率。
实施例5
将上述实施例1-3得到的具有微纳周期性结构的玻璃应用于光电器件中，可以延长光子传播路径及增强光子捕获，当光经过此种结构玻璃时，衍射和散射会加强，玻璃的雾度和角分布函数也随之发生了变化。在下一层介质中，偏折光的传播路径比垂直光的光路大，这样光子在下一层介质中更容易被吸收。此外，偏折角大的光更容易在下一层介质中发生全反射，即陷光能力增强。
经严格耦合波方法（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）计算表明，当周期为2.6μm时，基于紧凑型半球凹坑阵列结构玻璃基片的非晶硅薄膜太阳能电池与相同厚度平板结构电池相比，在非晶硅吸收波段平均吸收率提高18.7%，在长波段（0.6-0.8μm）对入射光的吸收率增强17.9%-77.7%，对此新颖结构玻璃基片的运用具有很重要的参考意义。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种薄膜太阳能电池陷光结构，其特征在于，所述陷光结构是一种微纳周期性的半球凹坑阵列结构，该结构具有周期性和对称性，拥有光子晶体的性能。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池陷光结构，其特征在于，所述半球凹坑阵列结构的参数：半球凹坑结构图形大小在1μm—5μm之间，周期在1μm—10μm之间，包含各种阵列的排布。
3.一种权利要求1或2所述薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
（a）保护层制作：在适用于太阳能电池的平板玻璃上溅射或沉积一层铬，之后旋涂一层光刻胶，在烘箱中前烘，蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使胶固化；
（b）图形转移：通过曝光和显影，把掩膜板中的图形复制到光刻胶中，之后用去铬溶液腐蚀，将图形转移到玻璃上的铬层中；
（c）刻蚀结构：样品放入氢氟酸溶液中，未被铬保护的玻璃被各向同性刻蚀，在玻璃上得到半球凹坑阵列结构，形成具有微纳周期性结构的玻璃。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，其特征在于，所述（a）中平板玻璃上溅射或沉积一层铬，其中铬层的厚度为100nm—250nm。
5.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，其特征在于，所述（a）中所述旋涂一层光刻胶，其中光刻胶的厚度为2μm—5μm。
6.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，其特征在于，所述（c）中所述氢氟酸溶液浓度为5wt%-20wt%。
7.根据权利要求6所述的薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备方法，其特征在于，所述（c）中所述刻蚀时间30s-15min。
8.一种根据权利要求3-7任一项的太阳能电池的制备方法，其特征在于，将所述具有微纳周期性结构的玻璃用于薄膜太阳能电池的衬底，具体包括如下步骤：
（a）在具有微纳周期性结构的玻璃衬底上沉积一层AZO，作为电池的前电极；
（b）沉积a-Si，形成pn结构和电池的吸收层；
（c）再沉积一层AZO作为电池的背电极和过渡层，最后沉积Ag作为背面反射层，得到非晶硅薄膜太阳能电池。
9.一种权利要求3-7任一项所述的具有微纳周期性结构的玻璃的应用，其特征在于，将所述具有微纳周期性结构的玻璃应用于光电器件中，延长光子传播路径及增强光子捕获，当光经过此种结构玻璃时，衍射和散射会加强，玻璃的雾度和角分布函数也随之发生了变化；在下一层介质中，偏折光的传播路径比垂直光的光路大，这样光子在下一层介质中更容易被吸收；此外，偏折角大的光更容易在下一层介质中发生全反射，即陷光能力增强。
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