CN103943716A - 一种微纳结构太阳能电池及其背面陷光结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微纳结构太阳能电池及其背面陷光结构的制备方法，该方法先提供一玻璃基底；然后利用刻蚀工艺刻蚀所述玻璃基底，使得玻璃基底表面为柱状阵列结构；最后采用离子束刻蚀技术，旋转一预定角度，获到表面为无棱角周期性微纳结构的玻璃基底，该无棱角周期性微纳结构即为陷光结构。该发明提供的陷光结构位于太阳能电池的背面，通过该结构的反射、折射和散射，增加了光在太阳能电池中的光程，此外，利用反应离子刻蚀技术和离子束刻蚀技术获得表面无棱角周期性的微纳陷光结构后，可以避免后续沉积电极和硅基薄膜时出现沉积不均匀、导电层断路等问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种微纳结构太阳能电池及其背面陷光结构的制备方法。
背景技术
非晶硅薄膜太阳能电池中光损失主要来源于以下三方面:表面反射的损失；进光面电极材料的覆盖面积对入射光总能量的损失；由于电池厚度过薄而造成的透射损失。在电池中引入陷光结构可以有效地减小吸收层的厚度，进而减少了沉积时间。在p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池中，陷光结构是联合前电极的微纳结构和高的背反射电极来实现的。通过采用具有微纳结构的衬底，使入射光在进光面不断发生漫散射或发生多次反射，这样光通过电池本征i层的有效路径增加了，从而提高了入射光的收集效率，电池光谱响应明显提高，这是非晶硅薄膜太阳能电池新的发展方向。
由于非晶硅薄膜电池有着低于1μm的厚度，引入陷光结构，可以提高电池的效率。实际上，在单晶硅和多晶硅薄膜太阳能电池中采用的绒面结构、V型槽结构、刻蚀的金字塔结构等都是为了增加入射光在电池中的散射、折射、反射等传播特性，但是这些结构的横向尺寸很难减小到几微米，限制了其在非晶硅薄膜电池中的应用。而在非晶硅薄膜太阳能电池背面采用陷光结构，通过结构的反射、折射和散射,将入射光线分散到各个角度,可以增加光在太阳能电池中的光程,使光吸收增加。因此，在非晶硅太阳能电池中引入陷光结构有利于提高太阳电池的短路电流和转换效率。对于超薄的非晶硅薄膜太阳能电池，超薄的p-i-n结构可将内建电势场提高，将光致衰退效应降为最低，甚至为零（V.Shah,H.Schade,M.Vanecek,J.Meier,E.Vallat-Sauvain,N.Wyrsch,U.Kroll,C.Droz,and J.Bailat“Thin-film Silicon Solar CellTechnology,”Prog.Photovolt.Res.Appl.2004，12(23)：113-142.P.Lechner,W.Frammelsberger,W.Psyk,R.Geyer,H.Maurus,D.Lundszien,H.Watner,and B.Eichhorn“Status of perform anceof thin film silicon solar cells and modules,”Conference record of the23rd European PhotovoltaicSolar Energy Conference,2008：20232026.）。VivianE.Ferry等使用软压印技术转移出具有微纳结构的单结非晶硅太阳能电池的结构衬底，依次在其表面沉积金属层Ag、背电极层ZnO:Al、n-i-p结构的非晶硅a-Si:H层、前电极层ITO。n-i-p结构厚度仅为340nm时，电池的转换效率达到6.6%（Vivian E.Ferry,Marc A.Verschuuren,Hongbo B.T.Li，Light trapping inultrathinplasmonic solar cells，OPTICS EXPRESS，2010，18（S2）：A237-A245）。
目前光刻技术是制备图形结构广泛采用的制备方法。转移图形结构的刻蚀（RIE、DRIE等）工艺，可以控制制备的结构的大小、高度等参数。一般来说，由此工艺制备的陷光结构，其上表面在同一平面上，上表面与侧壁面具有一定夹角，因此会出现明显的棱角。非晶硅薄膜太阳能电池中，由于后续沉积薄膜厚度很薄，每层沉积厚度从几十纳米到几百纳米不等，特别是电极层只有几十纳米，陷光结构中棱角的存在会使得后续沉积工艺易出现沉积不均匀、导电层断路等问题，如此将导致太阳能电池内部出现断路。
因此，如何制备出无棱角陷光结构是本领技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微纳结构太阳能电池及其背面陷光结构的制备方法，用于解决现有技术中太阳能电池背面陷光结构棱角的存在导致后续沉积工艺出现沉积不均匀等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其至少包括步骤：
1）提供一玻璃基底；
2）利用刻蚀工艺刻蚀所述玻璃基底，使得玻璃基底表面为柱状阵列结构；
3）采用离子束刻蚀技术，旋转一预定角度，获到表面为无棱角周期性微纳结构的玻璃基底，该无棱角周期性微纳结构即为陷光结构。
优选地，利用离子束刻蚀技术刻蚀的时间为2~6min，所述旋转的预定角度为30~60°，屏栅束流为30mA，固定电压为500V。
优选地，所述步骤2）包括如下步骤：先在所述玻璃基底上制备形成金属层；然后在所述金属层上涂敷光刻胶层，利用光刻技术获得所需要的光刻胶图形；接着刻蚀工艺刻蚀所述金属层和玻璃基底；去除金属层之后获得表面为柱状阵列结构的玻璃基底。
优选地，所述金属层的材料为铬Cr，光刻技术中曝光方式为接触式紫外曝光，所述光刻胶图形的线宽为500~1000nm。
优选地，刻蚀所述金属层采用的是湿法刻蚀工艺，所用的溶液为硝酸铈铵和高氯酸的混合溶液，其中，每100ml的刻蚀液中，硝酸铈铵为5~20g；高氯酸为2~8ml，其余量为水。
优选地，刻蚀所述玻璃基底采用的是反应离子刻蚀工艺，所用的反应气体为CHF3，流量为30sccm，所述玻璃基底中被刻蚀出的图形的深宽比为1:1。
优选地，去除所述金属层所用的腐蚀液与湿法刻蚀所用的溶液相同，为硝酸铈铵和高氯酸的混合溶液。
本发明还提供一种微纳结构太阳能电池，该太阳能电池至少包括：具有无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底、位于所述玻璃基底上的背电极层、设于所述背电极层上的非晶硅薄膜层、及设于所述非晶硅薄膜层上的前电极层。
如上所述，本发明的微纳结构太阳能电池及其背面陷光结构的制备方法，具有以下有益效果：在太阳能电池背面引入表面无棱角周期性微纳陷光结构，通过该结构的反射、折射和散射，将入射光线分散到各个角度，从而增加光在太阳能电池中的光程，使光吸收增加，进而提高电池的短路电流和转换效率。另外，更重要的是，通过反应离子刻蚀技术和离子束刻蚀技术的结合获得表面无棱角周期性微纳陷光结构，有利于实现可见光区域光散射和后续硅基薄膜的沉积。
附图说明
图1为本发明提供的玻璃基底的结构示意图。
图2为金属层上涂敷光刻胶层并形成所需图形后的结构示意图。
图3为刻蚀金属层后的结构示意图。
图4为刻蚀玻璃基底后的结构示意图。
图5为具有柱状阵列结构表面的玻璃基底结构示意图。
图6为具有无棱角周期性微纳结构表面的玻璃基底结构示意图。
图7为背面具有微纳陷光结构的太阳能电池结构示意图。
元件标号说明
1 玻璃基底
11 柱状阵列结构
12 无棱角周期性陷光结构
2 背电极层
3 非晶硅薄膜层
4 前电极层
5 金属层
6 光刻胶层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种微纳结构太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其具体包括如下步骤：
（1）提供一玻璃基底1。
请参阅图1。在进行后续工艺之前，可以对提供的玻璃基板1进行清洗，去除玻璃基板1上的杂质，避免影响太阳能电池的光电转换性能。
（2）利用刻蚀工艺刻蚀所述玻璃基底1，使得玻璃基底1表面为柱状阵列结构11；
此步骤包括如下：先在所述玻璃基底1上制备形成金属层5；然后在所述金属层5上涂敷光刻胶层6，利用光刻技术获得所需要的光刻胶图形；接着刻蚀工艺刻蚀所述金属层5和玻璃基底1；去除金属层之后获得表面为柱状阵列结构11的玻璃基底1。
其中，所述金属层5包括但不限于铬Cr等金属材料，本实施例中，金属层5优选为Cr材料且所述金属层5的厚度为50nm。
所述光刻技术使用的设备为普通光刻设备，用紫外光作为曝光光源，曝光方式为接触式曝光。所述光刻胶图形的线宽为500nm，如图2所示。将所述光刻胶层6作为掩膜层，采用湿法刻蚀工艺刻蚀所述金属层5，开出金属层5的窗口，如图3所示。
刻蚀金属层5采用的工艺为湿法刻蚀，当然也可以用其他熟知的刻蚀工艺，本实施例刻蚀金属层5采用的是湿法刻蚀工艺，如图3所示，利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述金属层5所用的溶液为硝酸铈铵和高氯酸的混合溶液，其中，所述混合溶液的配比为：每100ml的刻蚀液中，硝酸铈铵为5g；高氯酸为2ml，其余量为水。
而刻蚀玻璃基底1利用的是反应离子刻蚀工艺，刻蚀玻璃基底1时将所述金属层5作为掩膜层，请参阅图4，所述反应离子刻蚀工艺所用的反应气体为CHF3，流量为30sccm。所述玻璃基底1中被刻蚀出的图形的深宽比为1:1。
优选地，去除所述金属层5所用的腐蚀液与湿法刻蚀所用的溶液相同，都为硝酸铈铵和高氯酸的混合溶液。得到的表面为柱状阵列结构11的玻璃基底如图5所示。
（3）最后采用离子束刻蚀技术，旋转一预定角度，获到表面为无棱角周期性微纳结构12的玻璃基底1，该无棱角周期性微纳结构12即为陷光结构。
此步骤中，利用离子束刻蚀技术刻蚀的时间为2min，所述旋转的预定角度为30°，屏栅束流为30mA，固定电压为500V，表面无棱角的玻璃基底1结构如图6所示，获得的微纳陷光结构能够更好地对入射太阳能电池的光线进行反射、折射和散射。
本发明还提供一种微纳结构太阳能电池，该太阳能电池为非晶硅太阳能电池，其陷光结构是利用本发明提供的制备方法所制备的，且该陷光结构位于非晶硅太阳能电池的背面。所述背面具有陷光结构的非晶硅太阳能电池如图7所示，其至少包括：具有无棱角周期性微纳陷光结构12的玻璃基底1、位于所述玻璃基底1上的背电极层2、设于所述背电极层2上的非晶硅薄膜层3、及设于所述非晶硅薄膜层3上的前电极层4。
所述背电极层2可以采用化学气相沉积方法形成，但不限于此。所述背电极层2为Al掺杂的ZnO，即ZnO:Al。
进一步地，所述非晶硅薄膜层3依次包括P型非晶硅层、N型非晶硅层和夹于P型非晶硅层与N型非晶硅层之间的本征非晶硅层（即未掺杂的I层）。其中，三层非晶硅均为a-Si薄膜。
所述前电极层4的材料包括但不限于ITO或FTO等。本实施例中，前电极层4材料优选为ITO。
需要说明的是，由于玻璃基底1表面无棱角周期性陷光结构12的存在，后续形成的背电极层2、非晶硅薄膜层3以及前电极层4表面都呈现周期性的无棱角波浪型起伏结构，不会出现沉积不均匀或导电层短路等问题。
当然，非晶硅太阳能电池的结构除了上述的表面具有无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底1、背电极层2、非晶硅薄膜层3和前电极层4以外，还包括保护背板等结构，在此不再一一赘述。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，制备陷光结构的工艺参数不同，具体如下：
1）采用玻璃基板作为基底，在该玻璃基底上沉积一金属层作为掩模层。所述金属层为Cr等金属，厚度为70nm。
2）采用接触式紫外曝光的光刻技术在所述玻璃基底上获得所需光刻胶图形，所述光刻胶图形的线宽为700nm。
3）利用光刻胶作为掩模，湿法刻蚀出金属层的窗口，所用混合溶液的成分配比为：每100ml的刻蚀液中，硝酸铈铵为11g，高氯酸为4.4ml，余量为水。
4）利用反应离子刻蚀技术，刻蚀玻璃基底，反应气体为CHF3，流量为30sccm，所述玻璃基底中被刻蚀出的图形的深宽比为1：1。
5）采用与步骤3）中相同的溶液去除金属层，得到表面呈柱状阵列的玻璃基底结构。
6）采用离子束刻蚀技术，旋转角度为40°，刻蚀时间为3min，屏栅束流为30mA，固定电压为500V，获得表面为无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底。
在上述制备的陷光结构的基础上依次沉积背电极层、非晶硅薄膜层及前电极层，即可获得非晶硅太阳能电池结构。
实施例三
本实施例与实施例一、二的区别在于，制备陷光结构的工艺参数不同，具体如下：
1）采用玻璃基板作为基底，在该玻璃基底上沉积一金属层作为掩模层。所述金属层为Cr等金属，厚度为80nm。
2）采用接触式紫外曝光的光刻技术在所述玻璃基底上获得所需光刻胶图形，所述光刻胶图形的线宽为800nm。
3）利用光刻胶作为掩模，湿法刻蚀出金属层的窗口，所用混合溶液的成分配比为：每100ml的刻蚀液中，硝酸铈铵为14g，高氯酸为5.6ml，余量为水。
4）利用反应离子刻蚀技术，刻蚀玻璃基底，反应气体为CHF3，流量为30sccm，所述玻璃基底中被刻蚀出的图形的深宽比为1：1。
5）采用与步骤3）中相同的溶液去除金属层，得到表面呈柱状阵列的玻璃基底结构。
6）采用离子束刻蚀技术，旋转角度为45°，刻蚀时间为3min，屏栅束流为30mA，固定电压为500V，获得表面为无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底。
在上述制备的陷光结构的基础上依次沉积背电极层、非晶硅薄膜层及前电极层，即可获得非晶硅太阳能电池结构。
实施例四
本实施例与实施例一、二和三的区别在于，制备陷光结构的工艺参数不同，具体如下：
1）采用玻璃基板作为基底，在该玻璃基底上沉积一金属层作为掩模层。所述金属层为Cr等金属，厚度为100nm。
2）采用接触式紫外曝光的光刻技术在所述玻璃基底上获得所需光刻胶图形，所述光刻胶图形的线宽为1000nm。
3）利用光刻胶作为掩模，湿法刻蚀出金属层的窗口，所用混合溶液的成分配比为：每100ml的刻蚀液中，硝酸铈铵为20g，高氯酸为8ml，余量为水。
4）利用反应离子刻蚀技术，刻蚀玻璃基底，反应气体为CHF3，流量为30sccm，所述玻璃基底中被刻蚀出的图形的深宽比为1：1。
5）采用与步骤3）中相同的溶液去除金属层，得到表面呈柱状阵列的玻璃基底结构。
6）采用离子束刻蚀技术，旋转角度为60°，刻蚀时间为4min，屏栅束流为30mA，固定电压为500V，获得表面为无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底。
在上述制备的陷光结构的基础上依次沉积背电极层、非晶硅薄膜层及前电极层，即可获得非晶硅太阳能电池结构。
综上所述，本发明提供一种微纳结构太阳能电池及其背面陷光结构的制备方法，在太阳能电池背面制备无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底，通过该陷光结构的反射、折射和散射，将入射光线分散到各个角度，从而增加光在太阳能电池中的光程，使光吸收增加，进而提高电池的短路电流和转换效率。另外，更重要的是，通过反应离子刻蚀技术和离子束刻蚀技术的结合，获得表面无棱角周期性的微纳陷光结构，有利于实现可见光区域光散射和后续硅基薄膜的沉积。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括步骤：
1）提供一玻璃基底；
2）利用刻蚀工艺刻蚀所述玻璃基底，使得玻璃基底表面为柱状阵列结构；
3）采用离子束刻蚀技术，旋转一预定角度，获到表面为无棱角周期性微纳结构的玻璃基底，该无棱角周期性微纳结构即为陷光结构。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于:利用离子束刻蚀技术刻蚀的时间为2~6min，所述旋转的预定角度为30~60°，屏栅束流为30mA，固定电压为500V。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2）包括如下步骤：先在所述玻璃基底上制备形成金属层；然后在所述金属层上涂敷光刻胶层，利用光刻技术获得所需要的光刻胶图形；接着刻蚀所述金属层和玻璃基底；去除金属层之后获得表面为柱状阵列结构的玻璃基底。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于：所述金属层的材料为铬Cr，光刻技术中曝光方式为接触式紫外曝光，所述光刻胶图形的线宽为500~1000nm。
5.根据权利要求3所述的太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于：刻蚀所述金属层采用的是湿法刻蚀工艺，所用的溶液为硝酸铈铵和高氯酸的混合溶液，其中，每100ml的刻蚀液中，硝酸铈铵为5~20g；高氯酸为2~8ml，其余量为水。
6.根据权利要求3所述的太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于：刻蚀所述玻璃基底采用的是反应离子刻蚀工艺，所用的反应气体为CHF3，流量为30sccm，所述玻璃基底中被刻蚀出的图形的深宽比为1:1。
7.根据权利要求3所述的太阳能电池背面陷光结构的制备方法，其特征在于：去除金属层所用的腐蚀液与湿法刻蚀所用的溶液相同，为硝酸铈铵和高氯酸的混合溶液。
8.一种微纳结构太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池至少包括：具有无棱角周期性微纳陷光结构的玻璃基底、位于所述玻璃基底上的背电极层、设于所述背电极层上的非晶硅薄膜层、及设于所述非晶硅薄膜层上的前电极层。
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