CN103762248B - 具有减反射膜的太阳能电池元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有减反射膜的太阳能电池元件及其制备方法。该太阳能电池元件包括：光吸收部件；减反射膜系，形成于光吸收部件的上方，至少包括：具有六角形周期分布纳米孔的Al2O3减反射膜(AAO薄膜)。本发明采用AAO薄膜作为减反射膜，该AAO薄膜的折射率可以在一定范围内调节，以适应多层减反射膜的设计需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种具有减反射膜的太阳能电池元件及其制备方法。
背景技术
太阳能电池表面的反射损失是影响电池效率的重要因素之一。为了降低表面反射和提高电池效率，单层和多层的减反射膜被广泛研究和应用。相比单层的减反射膜，多层减反射膜能够实现较宽波段的减反，比单层减反射膜更能充分利用太阳光。但能够用于制备减反射膜的材料并不是很多。在对多层减反射膜进行设计和优化后，某一层需要采用特定折射率的材料，但在现实当中往往不存在。这是多层减反射膜在应用上的主要难题。
采用纳米多孔的光学薄膜作为减反射膜是解决这个难题的主要方法，因为纳米多孔薄膜的有效折射率可通过改变孔洞和膜料的占空比来调节，从而实现设计中所需要的折射率。例如，斜角沉积技术可用于生长这种光学薄膜，这种技术通过在沉积过程中的表面扩散和自身阴影遮挡效应，可生长出拥有纳米棒结构的光学薄膜。通过改变膜料斜入射沉积的角度，从而改变纳米棒的生长方向和致密度，进而得到不同折射率的光学薄膜。文献“J.Q.Xi，etal.，Nat.Photonics1，176-179(2007)”报道了通过这种技术实现了超低折射率(n＝1.05)的SiO2纳米棒光学薄膜并用于制作折射率渐变的多层减反射膜，在很宽波段内降低了太阳能电池表面的反射率。
但是，在实现本发明的过程中，申请人发现采用斜角沉积技术制作折射率可调减反射膜需要很精确的控制，工艺难度较大，在实际应用中存在一定困难，推广应用难度很大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种具有减反射膜的太阳能电池元件及其制备方法。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种具有减反射膜的太阳能电池元件。该太阳能电池元件包括：光吸收部件；减反射膜系，形成于光吸收部件的上方，至少包括：具有六角形周期分布纳米孔的Al2O3减反射膜。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有减反射膜的太阳能电池元件的制备方法。该制备方法包括：在光吸收部件上沉积Al膜；在硫酸溶液中对Al膜进行阳极氧化，形成六角形周期分布纳米孔的Al2O3减反射膜，通过改变电解液和电解电压调节Al2O3减反射膜纳米孔的孔间距；以及将带有Al2O3减反射膜的光吸收部件浸入磷酸溶液中，在磷酸中处理扩大纳米孔的孔径，通过改变扩孔时间调节Al2O3减反射膜纳米孔的孔径。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有减反射膜的太阳能电池元件具有以下有益效果：
(1)采用AAO薄膜作为减反射膜，该AAO薄膜的折射率可以在一定范围内调节，以适应多层减反射膜的设计需求；
(2)相比斜角沉积技术等制备具有特定折射率减反射膜的方法，该AAO薄膜制备的工艺难度较小，成本较低。
附图说明
图1为根据本发明实施例具有减反射膜的太阳能电池元件的结构示意图；
图2为图1所示太阳能电池元件中AAO减反射膜1的有效折射率随孔径的变化关系的曲线；
图3为图1所示太阳能电池元件中双层减反射膜的减反效果曲线；
图4为根据本发明实施例具有减反射膜太阳能电池元件制备方法的流程图。
【主要元件】
1-AAO减反射膜；2-TiO2减反射膜；
3-含AlGaAs窗口层的GaAs光吸收部件。
具体实施方式
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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明将常用于制备纳米颗粒或孔的多孔阳极氧化铝(AAO)模板用作减反射膜。AAO薄膜是Al膜经过阳极氧化形成的具有六角形周期分布的纳米孔的Al2O3薄膜。由于Al2O3对太阳电池工作波段的光吸收非常小，因此AAO薄膜可用作减反射膜。当AAO薄膜的孔间距远小于太阳电池工作波段的光波长时，AAO薄膜可看作一层具有有效折射率的均一介质。其有效折射率随纳米孔孔径的变化而变化，该纳米孔孔径介于0nm到孔间距之间。通过对AAO薄膜扩孔过程的控制可以调节的AAO薄膜的有效折射率。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种具有减反射膜的太阳能电池元件。图1为根据本发明实施例具有减反射膜的太阳能电池元件的结构示意图。请参照图1，该太阳能电池元件包括：光吸收部件3；沉积于所述光吸收部件上的TiO2减反射膜2；以及制备于所述TiO2减反射膜上的具有六角形周期分布纳米孔的Al2O3(以下简称AAO)减反射膜1，且该周期分布纳米孔的孔间距(相邻两个孔的圆心之间的距离)远小于该太阳能电池元件工作波段的光波长，介于25nm到400nm之间，在本实施例中为50nm。
以下对本实施例太阳能电池元件中的各个组成部分进行详细说明。
本实施例中，光吸收部件3由光吸收层和窗口层组成。其中，光吸收层为GaAs体材料，其窗口层的材料为15nm的AlGaAs薄膜，但本发明并不以此为限。光吸收部件3可以用InP等其他III-V族化合物的光吸收层和相应的窗口层组成。光吸收部件3还可以为单晶硅、多晶硅、非晶硅等硅基体材料或薄膜形式的光吸收部件来代替，还可以用V族和III-V族化合物混合的多结光吸收材料构成的光吸收部件来代替。
本实施例中，TiO2减反射膜2和AAO减反射薄膜1组成双层减反射膜，通过调节AAO减反射膜1的折射率，使其与TiO2减反射膜2的折射率相匹配，相比于单层的减反射膜而言，实现在更宽波长范围内的减反射。TiO2减反射膜2和AAO减反射膜1的厚度由各层折射率和中心波长决定。本实例以560nm为工作中心波长，并将两层减反射膜都以四分之一工作中心波长的光学厚度进行堆叠。需要说明的是，该六角形是来限定周期分布的，而孔的形状一般为圆形。
图2为图1所示太阳能电池元件中AAO减反射膜1的有效折射率随孔径的变化关系的曲线。由图2可知，当孔径在20nm到50nm之间变化时，AAO减反射膜1的有效折射率可在1.64到1.10之间变化。当AAO减反射膜1孔径为40nm时，对应的有效折射率为1.32，与TiO2减反射膜2的折射率最为匹配，减反效果最好。此时在AM1.5光照下，光吸收部件3在400nm-860nm光谱范围内的光吸收效率达到96.8％。
图3为图1所示太阳能电池元件中双层减反射膜的减反效果曲线。图3中的点线为未覆盖减反射膜的电池元件的反射率曲线，虚线为仅覆盖单层TiO2减反射膜的电池元件的反射率曲线，实线为本实施例中的电池元件的反射率曲线。可见，优化后的AAO与TiO2双层减反射膜相比单层TiO2减反射膜在宽波段内实现了更有效的减反射，使得光吸收部件3的光吸收效率达到了极大值。
需要说明的是，在不需要更宽波长范围内减反射的情况下，该减反射薄膜也可以为一层，即将本实施例中的TiO2减反射膜2去除，仅保留AAO减反射膜1。此外，本发明也不限定该减反射膜系为两层，其还可以为三层或多层，只要该膜系中具有AAO薄膜作为减反射膜，同样应当包括在本发明的保护范围之内。
至此，本实施例具有减反射膜的太阳能电池元件介绍完毕。
在本发明的示例性实施例中，还提供了一种上述具有减反射膜的太阳能电池元件的制备方法。图4为根据本发明实施例具有减反射膜太阳能电池元件制备方法的流程图。请参照图1和图4，本实施例制备方法包括：
步骤A，在光吸收部件3上沉积厚度为60nm的TiO2减反射膜2；
步骤B，在TiO2减反射膜2上沉积相应厚度的Al膜；
步骤C，在硫酸溶液中进行阳极氧化，形成厚度为106nm，孔间距为50nm，孔径为20nm的AAO薄膜。通过改变电解液和电解电压来调节AAO薄膜的孔间距；
步骤D，将带有Al2O3减反射膜的光吸收部件浸入磷酸溶液中，在磷酸中处理扩大纳米孔的孔径，通过改变扩孔时间调节Al2O3减反射膜纳米孔的孔径，将图1中的AAO薄膜的孔径扩大到40nm，厚度为106nm。
对AAO薄膜的扩孔处理可改变孔径但不改变孔间距，对扩孔时间的控制可调节AAO薄膜的孔径大小，也就是调节空气孔和Al2O3的占空比从而在一定范围内(空气折射率和Al2O3折射率之间)实现对AAO薄膜有效折射率的调节。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明具有减反射膜的太阳能电池元件有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)减反射膜可以仅为单层的AAO薄膜，也可以为含AAO薄膜的三层或多层减反射膜系，其中，减反射膜系的设计方法，包括折射率和厚度的关系等均为本领域内所公知，并且并不是本发明的重点，此处不再赘述；
(2)光吸收部件3可以用InP等其他III-V族化合物、单晶硅、多晶硅、非晶硅等硅的体材料或薄膜材料构成的的光吸收部件来代替；
(3)光吸收部件3还可以用V族和III-V族化合物混合的多结光吸收材料构成的光吸收部件来代替。
综上所述，本发明将常用于制备纳米颗粒或孔的多孔阳极氧化铝模板(AAO)用作太阳能电池减反射膜，通过对AAO薄膜扩孔过程的控制来调节AAO薄膜的有效折射率。利用本发明可制备具有特定折射率的减反射膜，以用于单层或多层减反射膜，提高太阳能电池的效率。
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 (10)
1.一种具有减反射膜的太阳能电池元件，其特征在于，包括：
光吸收部件；
减反射膜系，形成于所述光吸收部件的上方，至少包括：
具有六角形周期分布纳米孔的Al2O3减反射膜。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述六角形周期分布纳米孔的孔间距介于25nm到400nm之间。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述六角形周期分布纳米孔的孔间距为50nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述Al2O3减反射膜的折射率随纳米孔孔径的变化而变化，该纳米孔孔径介于0nm到孔间距之间。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述六角形周期分布纳米孔的孔径为40nm。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述减反射膜系包括：
沉积于所述光吸收部件上的TiO2减反射膜；以及
制备于所述TiO2减反射膜上的具有六角形周期分布纳米孔的Al2O3减反射膜。
7.根据权利要求5所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述Al2O3减反射膜与TiO2减反射膜的折射率相匹配，两者的光学厚度均为工作中心波长的四分之一。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳能电池元件，其特征在于，所述光吸收部件为：
Si基的体材料或薄膜材料；
III-V族化合物的体材料或薄膜材料；或
V族和III-V族化合物混合的多结光吸收材料。
9.一种权利要求1至8中任一项所述太阳能电池元件的制备方法，其特征在于，包括：
在光吸收部件上沉积Al膜；
在硫酸溶液中对所述Al膜进行阳极氧化，形成六角形周期分布纳米孔的Al2O3减反射膜，通过改变电解液和电解电压调节Al2O3减反射膜纳米孔的孔间距；以及
将带有Al2O3减反射膜的光吸收部件浸入磷酸溶液中，在磷酸中处理扩大纳米孔的孔径，通过改变扩孔时间调节Al2O3减反射膜纳米孔的孔径。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述在光吸收部件上沉积Al膜之前还包括：
在所述光吸收部件上沉积TiO2减反射膜，所述Al膜沉积于该TiO2减反射膜上。
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