CN103633193A - 一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，利用微米尺度周期结构作为电池陷光部分，或微米尺度周期结构与绒面织构共同做为电池陷光部分。陷光结构制备在衬底材料上，薄膜电池可直接沉积在陷光衬底上，也可把陷光玻璃片覆盖在电池上，可有效提高电池的陷光能力，从而提高光子吸收，增加薄膜太阳电池光电转化效率。光电效率测试表明，本陷光技术可使双结非晶硅/微晶硅电池相对效率提高9.95%。本发明与现有薄膜电池制备技术兼容，不改变工艺参数情况下有效提高薄膜电池效率，并适合大面积量产。
Description
技术领域
本发明涉及微纳加工、能源技术和光电子器件领域，具体地说，涉及的是一种硅基薄膜太阳电池陷光技术。
背景技术
进入21世纪，随着全球经济飞速发展，人类对能源的需求量持续增加，传统的化石能源日益枯竭，与此同时，因化石能源而产生的大量废气使我们的居住环境不断恶化。为应对能源危机和环境污染，必须开发利用可再生且清洁无污染的新能源，走可持续发展道路，以确保人类稳定、持久的能源供应。太阳通过氢核聚变，源源不断向外辐射能量。每秒钟照射到地球的能量相当于燃烧500万吨标准煤所产生的热量。对地球来说，太阳能是取之不尽，用之不竭的能源。太阳能电池吸收阳光，可以把太阳能直接转化为电能，没有污染也没有噪音，因此被视作绿色能源之一。
从所用材料多少和制备工艺来说，太阳能电池通常可分为体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。由于体硅电池具有效率高、工艺成熟等优点，长久以来一直在太阳能电池市场占据主导地位。但是，体硅电池也有自身的发展瓶颈，首先是硅原料消耗过大，导致电池价格居高不下；其次是电池制备需要高温，所耗能量回收周期长。随着技术的不断进步，薄膜太阳能电池占据越来越重要的地位。
相比传统的体硅太阳能电池，薄膜太阳能电池具有成本低、工艺简单及能耗少等优点(Vivian E.Ferry,MarcA.Verschuuren,“Light trapping in ultrathinplasmonic solar cells”,OPTICS EXPRESS,2010)。目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。硅基薄膜太阳能电池一般选用多晶硅、微晶硅或非晶硅为原料，通过PVD、CVD、ECD等方法沉积在玻璃、金属或塑料衬底上。薄膜太阳能电池吸收层厚度一般在几百纳米到几个微米，在这样小的厚度内，入射光很难被充分吸收，因此，薄膜太阳能电池的转化效率要比体硅电池低得多。为了提高薄膜太阳能电池的转化效率，需要采用陷光技术(ErikGarnett and Peidong Yang,“Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells”,NANO LETTERS,2010)。所谓陷光技术，就是在电池上制备纳米或微米尺度的结构，当光经过这些结构时，光束会发生散射。散射光以较大的入射角进入薄膜电池的吸收层，由于吸收层材料的折射系数通常比周围材质的折射率要高，大角散射的光束在吸收层中易于发生全反射。全反射光束在吸收层中来回振荡，直至被吸收层吸收生成光生载流子。这样，通过陷光技术，可以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收，从而提高电池的转化效率。
常见的陷光技术有两种。首先是绒面织构(Olindo Isabella,Janez 
,and MiroZeman,“Modulated surface textures for enhanced light trapping in thin-film siliconsolar cells”,APPLIED PHYSICS LETTERS,2010)，通过在薄膜电池中制作绒面层来散射入射光束。通常绒面织构制作在透明导电层，一般通过溅射和酸蚀技术来制绒。绒面的粗糙度决定了对入射光的散射能力，即陷光能力。绒面织构的缺陷在于其织构尺寸一般在纳米数量级，这就决定了其对短波的散射能力很强，而对长波散射作用弱甚至不起作用；另一种陷光技术则是通过规则的几何结构来实现(Angelo Bozzola,Marco Liscidini,Lucio Claudio Andreani,“Photoniclight-trapping versus Lambertian limits in thin film silicon solar cells with1D and2Dperiodic patterns”,OPTICS EXPRESS,2012)。常见的几何结构有矩形、三角形、球形等，结构呈周期阵列，类似光子晶体和衍射光栅。几何结构的形状、周期及排布的阵列都能影响陷光效果。相比绒面织构，几何结构更容易制备和控制，通过对几何结构的周期等优化设计，可有效提高薄膜电池的转化效率。
目前的薄膜太阳能电池，不管是采用绒面织构还是几何结构陷光，其陷光结构尺寸大多在几十到几百个纳米之间。纳米尺度的结构不但制备成本昂贵，而且对长波段光子不敏感。这就要求研究更大尺度的陷光结构，如微米量级的陷光结构，在提高电池长波段光吸收率同时简化制备工艺。
本申请人之前申请的一份发明专利：“一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用”，申请号：201310039891.7，申请日：2013-02-01，该发明公开了一种陷光玻璃片的制备工艺，并提出可在陷光玻璃片的陷光面沉积薄膜电池，但在陷光面沉积电池有两个不足：首先，传统的薄膜电池都是沉积在平板面，在陷光结构上沉积电池需要重新摸索工艺参数；第二，由于陷光结构的存在，沉积的薄膜层易刺穿变废品，导致生产效率降低。本发明在此基础上，提出把电池沉积在陷光玻璃的抛光面，这样既可不改变传统的电池制备工艺，又能降废品率，实验测量也表明，此种方法可有效提高薄膜电池的光电转化效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是采用新型陷光技术制备高效薄膜太阳电池，在提高电池效率的同时降低生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，具体为：
第一步，利用微米尺度周期结构作为电池陷光部分，或微米尺度周期结构与绒面织构共同做为电池陷光结构；
第二步，将所述陷光结构制备在衬底上，然后薄膜电池直接沉积在陷光衬底上即电池沉积在陷光衬底的抛光面；或者进一步将陷光衬底覆盖在电池上，陷光结构和电池中的绒面织构共同起陷光作用，绒面织构对短波作用强，陷光衬底对长波陷光作用强，二者互补，有效提高薄膜电池的光吸收。
所述陷光结构是周期排列的几何图形，尺寸在1μm—10μm微米左右，常用于陷光的几何结构有矩形、三角形及球形等，优选为球状或凹坑状结构。一般在平板玻璃上制备几何结构，但不局限于玻璃，塑料、金属等也可作为衬底。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
（a）陷光结构制备：该工艺经过3次图形转移。选用太阳能级平板玻璃，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米尺度几何结构。刻蚀包括湿法刻蚀和干法刻蚀。
（b）薄膜电池沉积：把上述制备的陷光玻璃片作为衬底，首先沉积一层TCO，作为电池的前电极，然后沉积p-i-n，再沉积一层AZO，作为缓冲层，最后沉积铝，作为电池的背电极。
所述薄膜电池沉积，其中：电池可以是单结的，也可以是双结的。对单结电池，材料可选用多晶硅、微晶硅或非晶硅；而双结电池一般选用非晶硅作为顶层电池，多晶硅或微晶硅作为底部电池。陷光玻璃片既可作为超衬底，对入射光束起散射作用，也可在底部，作为电池的背散射层。
所述单结和双结电池，其具体参数如下：对单结电池，非晶硅构成的p-i-n结构最优化值是250——300nm；对双结电池，顶层非晶硅结构一样，底部微晶硅构成的p-i-n结构最优化值是1.5——2.5um。
本发明的核心是采用微米量级周期结构作为薄膜太阳能电池的陷光部分，其优势首先在于微米尺度陷光结构更容易制备，且制备成本更低，第二微米尺度陷光结构对长波有更强的散射和衍射能力，可有效提高近红外和红外光子吸收；在此基础上，把电池沉积在衬底的抛光面，这样既可不改变传统的电池制备工艺，又能降废品率，实验测量也表明，此种方法可有效提高薄膜电池的光电转化效率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在具有微米尺度陷光结构的衬底上沉积薄膜电池，或者把陷光衬底覆盖在薄膜电池上，可有效提高电池的陷光能力，从而提高光子吸收，增加薄膜太阳电池光电转化效率。光电效率测试表明，本陷光技术可使双结非晶硅/微晶硅电池相对效率提高9.95%。本发明与现有薄膜电池制备技术兼容，不改变工艺参数情况下有效提高薄膜电池效率，并适合大面积量产。
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陷光玻璃为衬底制备高效薄膜电池示意图。
图2陷光玻璃片SEM图。
图3薄膜电池I——V曲线测试图。
图中：1.陷光玻璃2.透明电极3.电池结构4.缓冲层5.金属背电极6.入射光。
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。
实施例1（单结电池制备）
1.通过光刻、显影及刻蚀等工艺，在适用于太阳能电池的平板玻璃上制备尺寸10μm，周期排列的半球凹坑结构，作为薄膜太阳能电池的陷光结构。
2.把步骤1中制备陷光结构玻璃作为衬底，在其上沉积0.3μm TCO，作为前电极。
3.沉积0.3μm a-Si，作为电池的p-i-n结构。
4.沉积0.1μm AZO作为背面电极及过渡层。
5.最后0.3μm Ag作为背面反射层，得到单结高效陷光薄膜太阳能电池，其示意图如图1所示。
实施例2（双结电池制备）
1.在实施例1步骤1——4基础上，再沉积2μm微晶硅，作为底部电池的p-i-n结构。
2.沉积0.1μm AZO作为背面电极及过渡层。
3.最后0.3μm Ag作为背面反射层，得到双结高效陷光薄膜太阳能电池。
实施例3（陷光结构覆盖薄膜电池）
1.按实施例1步骤1所示方法，制备尺寸10μm和尺寸2μm陷光玻璃片各一块。
2.按实例1步骤1——3制备薄膜电池。
3.10μm陷光玻璃片覆盖在电池表面，起抗反射作用，2μm陷光玻璃片覆盖电池底部，可有效提高红外及近红外光子吸收率。
在上述实施中，首先制备微米尺度的陷光玻璃片，然后以陷光玻璃片为衬底沉积薄膜电池，或者把陷光玻璃片覆盖在薄膜电池上，即可有效提高薄膜电池的光吸收，从而提高电池效率。陷光玻璃片做为薄膜电池衬底，沉积时，在陷光玻璃抛光面依次沉积电池每层结构，陷光结构面作为太阳光入射面，如图1所示。由于电池是沉积在陷光玻璃抛光面，与现有薄膜电池制备技术相同，因此工艺参数可与一般电池制备工艺保持一致。周期结构通常为球状或凹坑状，周期1-10微米左右。除玻璃衬底外，陷光结构也可以制备在塑料等其他衬底上。
在实施例中，陷光结构的优化设计和制备工艺是其中关键。首先需要设计合适的几何结构和周期，设计时，既要考虑结构的陷光能力，又要考虑工艺制备的难易程度。经优化设计，选用10微米的半球凹坑作为陷光结构，凹坑结构呈周期紧密排列，如图2所示。选用薄膜太阳能级石英玻璃和相应尺度的模板，经光刻、显影及刻蚀等工艺，即可在平板玻璃上得到紧密排列的半球凹坑结构。
进一步将上述陷光结构具体到高效薄膜太阳能电池，可把陷光玻璃片作为衬底，首先沉积一层TCO，作为电池的前电极，再分别沉积p-i-n层，然后沉积一层AZO作为缓冲层，最后沉积一层铝或银，作为电池的背电极；或者把陷光玻璃片作为电池的封装材料，与薄膜电池中的绒面织构一起实现陷光作用。
为表征陷光玻璃片对硅基薄膜电池光电转化效率改善能力，做如下2组测试：选一块双结非晶硅/微晶硅叠层电池作为测试样品，一块结构周期为10微米的陷光玻璃。首先测试电池样品，转化效率为8.795%；然后在电池的入光面放置陷光玻璃片，转化效率为9.670%。测试结果如图3所示。可以看出，对非晶硅/微晶硅叠层电池，陷光玻璃片能有效提高其光电转化效率，相比原来电池样品，放置陷光玻璃片后，双结薄膜电池相对效率提高了9.95%。
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 (7)
1.一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于：
第一步，利用微米尺度周期结构作为电池陷光部分，或微米尺度周期结构与绒面织构共同做为电池陷光结构；
第二步，将所述电池陷光结构制备在衬底上，然后薄膜电池直接沉积在陷光衬底上即电池沉积在陷光衬底的抛光面；或者进一步将陷光衬底覆盖在电池上，陷光结构和电池中的绒面织构共同起陷光作用，绒面织构对短波作用强，陷光衬底对长波陷光作用强，二者互补，有效提高薄膜电池的光吸收。
2.根据权利要求1所述的一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于，所述陷光结构是周期排列的几何图形，尺寸在1μm—10μm，所述衬底材料为玻璃、塑料或金属。
3.根据权利要求2所述的一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于，所述周期排列的几何图形为球状或凹坑状结构。
4.根据权利要求3所述的一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于，所述周期排列的几何图形为10微米的半球凹坑结构。
5.根据权利要求2所述的用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
（a）陷光结构制备：该工艺经过3次图形转移，选用太阳能级平板玻璃作为衬底，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米尺度几何结构，得到陷光玻璃片；
（b）薄膜电池沉积：把上述制备的陷光玻璃片作为衬底，首先沉积一层TCO，作为电池的前电极，然后沉积p-i-n，再沉积一层AZO，作为缓冲层，最后沉积铝，作为电池的背电极。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于，所述电池是单结的，或是双结的，对单结电池，材料选用多晶硅、微晶硅或非晶硅；而双结电池选用非晶硅作为顶层电池，多晶硅或微晶硅作为底部电池；陷光玻璃片作为超衬底，对入射光束起散射作用，或在底部，作为电池的背散射层。
7.根据权利要求6所述的一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法，其特征在于，所述单结和双结电池，其具体参数如下：对单结电池，非晶硅构成的p-i-n结构最优化值是250—300nm；对双结电池，顶层非晶硅结构一样，底部微晶硅构成的p-i-n结构最优化值是1.5—2.5μm。
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