CN104201227A - 一种硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电转换效率较高的硅太阳能电池及其制备方法。该硅太阳能电池，包括硅太阳能电池片，所述硅太阳能电池片的正面铺设有多条平行设置的金属纳米栅线，在硅太阳能电池片的正面设置有用于汇集金属纳米栅线电流的金属电极母线，所述金属电极母线沿与金属纳米栅线垂直的方向设置。位于硅片表面的金属纳米栅线可以被近似看作入射光的汇聚天线，它们将入射的光能量存储在栅线表面的等离子体激元中，硅片材料吸收激元能量从而激发光生载流子，从而在不影响太阳能电池迎光面对入射光吸收的情况下增大入射光的利用率，提高太阳能电池的光吸收效率，光电转换效率较高。适合在太阳能电池技术领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源问题是当今社会面临的重要问题之一，随着化石燃料能源的逐渐枯竭，寻找新型、可再生的能量来源成为目前科学研究领域的热门问题。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，最有潜力成为世界的主流能源，其开发和利用已得到人们广泛地关注。
太阳能电池是将太阳光能转换成电能的半导体器件。主要以半导体材料为制作材料，其工作原理是光电材料吸收光子后通过光电效应产生电子-空穴对，并通过内建电场的分离和加速作用产生电动势，与外部电路连接后产生电流。目前，晶体硅太阳能电池技术是应用最为广泛的一种太阳能电池，但受转化效率和制造成本的限制，晶体硅太阳能电池技术还没能发展到能与传统化石能源相抗衡的地步。因此，研究低成本、高效率的太阳能电池是太阳能电池产业发展的关键。
在晶体硅太阳能电池中，正面栅线电极对电池的光电转换效率影响显著，它决定了太阳能电池的串联电阻、有效吸光面积、反向饱和电流等重要性能。一方面，为了减小栅线电极的光遮挡，要求尽可能减小栅线的宽度与数量。另一方面，为了降低电池的串联电阻，要求栅线横截面积尽量大，栅线间距尽量小。这一矛盾意味着传统栅线电极的设计存在一个最优值，一旦达到最优化设计，便无法进一步通过改进栅线电极的设计来提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率。
目前，为了减小晶体硅太阳能电池正表面的光反射率，一般采用表面化学腐蚀工艺在硅片表面制作绒面。但现有制绒技术的工艺复杂，设备昂贵，同时腐蚀过程增加了硅片的表面态密度，影响太阳能电池的光电转换效率，导致光电转换效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光电转换效率较高的硅太阳能电池。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该硅太阳能电池，包括硅太阳能电池片，所述硅太阳能电池片的正面铺设有多条平行设置的金属纳米栅线，在硅太阳能电池片的正面设置有用于汇集金属纳米栅线电流的金属电极母线，所述金属电极母线沿与金属纳米栅线垂直的方向设置。
进一步的是，所述多条金属纳米栅线的沿硅太阳能电池片的正面等间距排列。
进一步的是，所述金属纳米栅线的长度与硅太阳能电池片的边长相等。
进一步的是，所述金属纳米栅线的横截面直径为20-300纳米。
进一步的是，所述相邻的金属纳米栅线之前的间距为20-200纳米。
本发明还提供了一种制备上述硅太阳能电池的方法，该硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
A、制备硅太阳能电池片，并对硅太阳能电池进行发射极掺杂处理；
B、对硅太阳能电池片进行表面清洗吹干处理；
C、在硅太阳能电池片的正面旋涂一层正性光刻胶，然后采用与金属纳米栅线结构配套的掩膜版进行掩膜曝光；
D、利用显影液进行显影，显影后硅片表面即可出现一个与金属纳米栅线结构相反的光刻胶图形；
E、在硅太阳能电池片表面镀一层厚度为20到100纳米金属膜；
F、将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉；
G、在沉积有金属纳米栅线的硅太阳能电池片正面印制金属电极母线完成硅太阳能电池的制备。
进一步的是，在步骤A中，制备的硅太阳能电池片的表面平整度小于5纳米。
进一步的是，在步骤E中，采用热蒸镀法在硅太阳能电池片表面镀一层厚度为20到100纳米金属膜。
进一步的是，在步骤F中，采用剥离有机溶液将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉。
进一步的是，在步骤G中，印制的金属电极母线数量为2到5条。
本发明的有益效果是：通过在硅太阳能电池片的正面铺设多条平行设置的金属纳米栅线，位于硅片表面的金属纳米栅线可以被近似看作入射光的汇聚天线，它们将入射的光能量存储在栅线表面的等离子体激元中，硅片材料吸收激元能量从而激发光生载流子，从而在不影响太阳能电池迎光面对入射光吸收的情况下增大入射光的利用率，提高太阳能电池的光吸收效率，光电转换效率较高，与此同时，金属纳米栅线还保留了常规栅线电极从硅片上收集光生电流并将电流汇集到母线的功能，而且金属纳米栅线电极不但避免了传统栅线电极存在的遮光问题，而且创造性地将栅线电极转变成能增加光吸收效率的陷光结构，另外，金属纳米栅线电极不仅能用于光生载流子的收集，同时也能用于增强太阳能电池的光吸收，因此可代替现有太阳能电池中的绒面结构，从而减少了太阳能电池制造的工艺步骤，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明所述的硅太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明所述的硅太阳能电池的横截面示意图。
图3为本发明所述的等离子体激元增强的原理示意图。
其中，1为硅太阳能电池片，2为金属纳米栅线，3为金属电极母线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，该硅太阳能电池，包括硅太阳能电池片1，所述硅太阳能电池片1的正面铺设有多条平行设置的金属纳米栅线2，在硅太阳能电池片1的正面设置有用于汇集金属纳米栅线2电流的金属电极母线3，所述金属电极母线3沿与金属纳米栅线2垂直的方向设置。
所述的金属表面等离子体激元增强效应，是指当光波电磁波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，振荡电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，从而将入射的太阳光能量存储在局域表面等离子体激元模式中。等离子体激元增加了激发材料的电荷分离，提高电池吸收光的效率，进而使太阳能电池的光电转换效率得到明显提高。当太阳能光波入射到介质与金属界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，振荡电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，激发金属表面等离子体激元。当太阳能电池晶体硅材料在这个有效范围之内时，即可吸收金属表面激发的激元光波能量，产生光生载流子，如图2所示。图3描述了太阳能光波入射到介质与金属界面时，界面处电磁场的分布示意图。
通过在硅太阳能电池片1的正面铺设多条平行设置的金属纳米栅线2，位于硅片表面的金属纳米栅线2可以被近似看作入射光的汇聚天线，它们将入射的光能量存储在栅线表面的等离子体激元中，硅片材料吸收激元能量从而激发光生载流子，从而在不影响太阳能电池迎光面对入射光吸收的情况下增大入射光的利用率，提高太阳能电池的光吸收效率，光电转换效率较高，而且金属纳米栅线2电极不但避免了传统栅线电极存在的遮光问题，而且创造性地将栅线电极转变成能增加光吸收效率的陷光结构，另外，金属纳米栅线2电极不仅能用于光生载流子的收集，同时也能用于增强太阳能电池的光吸收，因此可代替现有太阳能电池中的绒面结构，从而减少了太阳能电池制造的工艺步骤，降低了生产成本。
为了使光电转换效率进一步的提高，所述多条金属纳米栅线2的沿硅太阳能电池片1的正面等间距排列。
所述金属纳米栅线2的长度可以是任意的，为了使金属纳米栅线2尽可能的增强太阳能电池的光吸收，所述金属纳米栅线2的长度与硅太阳能电池片1的边长相等。
进一步的，为了尽可能的提高光电转化效率，所述金属纳米栅线2的横截面直径优选为20-300纳米。所述相邻的金属纳米栅线2之前的间距优选为20-200纳米。由于金属纳米栅线2间距非常小，光生载流子在到达金属纳米栅线2之前所经过的距离大幅度减小，提高了载流子的收集效率，减小了电池的横向电阻。
本发明还提供了一种制备上述硅太阳能电池的方法，该硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
A、制备硅太阳能电池片，并对硅太阳能电池进行发射极掺杂处理；
B、对硅太阳能电池片进行表面清洗吹干处理；
C、在硅太阳能电池片的正面旋涂一层正性光刻胶，然后采用与金属纳米栅线结构配套的掩膜版进行掩膜曝光；
D、利用显影液进行显影，显影后硅片表面即可出现一个与金属纳米栅线结构相反的光刻胶图形；
E、在硅太阳能电池片表面镀一层厚度为20到100纳米金属膜；
F、将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉；
G、在沉积有金属纳米栅线的硅太阳能电池片正面印制金属电极母线完成硅太阳能电池的制备。
利用上述方法可以很方便的制作本发明所述的硅太阳能电池，在上述实施方式过程中，为了保证金属纳米栅线和金属电极母线的制作效果，在步骤A中，制备的硅太阳能电池片的表面平整度小于5纳米。
为了方便在在硅太阳能电池片表面镀膜，在步骤E中，采用热蒸镀法在硅太阳能电池片表面镀一层厚度为20到100纳米金属膜。
为了方便快速的将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉，在步骤F中，采用剥离有机溶液将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉。
进一步的是，在步骤G中，印制的金属电极母线的数量可以根据实际情况而定，作为优选的，印制的金属电极母线数量为2到5条即可。
Claims (10)
1.一种硅太阳能电池，包括硅太阳能电池片(1)，其特征在于：所述硅太阳能电池片(1)的正面铺设有多条平行设置的金属纳米栅线(2)，在硅太阳能电池片(1)的正面设置有用于汇集金属纳米栅线(2)电流的金属电极母线(3)，所述金属电极母线(3)沿与金属纳米栅线(2)垂直的方向设置。
2.如权利要求1所述的硅太阳能电池，其特征在于：所述多条金属纳米栅线(2)的沿硅太阳能电池片(1)的正面等间距排列。
3.如权利要求2所述的硅太阳能电池，其特征在于：所述金属纳米栅线(2)的长度与硅太阳能电池片(1)的边长相等。
4.如权利要求3所述的硅太阳能电池，其特征在于：所述金属纳米栅线(2)的横截面直径为20-300纳米。
5.如权利要求4所述的硅太阳能电池，其特征在于：所述相邻的金属纳米栅线(2)之前的间距为20-200纳米。
6.一种硅太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、制备硅太阳能电池片，并对硅太阳能电池进行发射极掺杂处理；
B、对硅太阳能电池片进行表面清洗吹干处理；
C、在硅太阳能电池片的正面旋涂一层正性光刻胶，然后采用与金属纳米栅线结构配套的掩膜版进行掩膜曝光；
D、利用显影液进行显影，显影后硅片表面即可出现一个与金属纳米栅线结构相反的光刻胶图形；
E、在硅太阳能电池片表面镀一层厚度为20到100纳米金属膜；
F、将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉；
G、在沉积有金属纳米栅线的硅太阳能电池片正面印制金属电极母线完成硅太阳能电池的制备。
7.如权利要求6所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤A中，制备的硅太阳能电池片的表面平整度小于5纳米。
8.如权利要求7所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤E中，采用热蒸镀法在硅太阳能电池片表面镀一层厚度为20到100纳米金属膜。
9.如权利要求8所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤F中，采用剥离有机溶液将光刻胶以及光刻胶上层的金属膜去掉。
10.如权利要求9所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤G中，印制的金属电极母线数量为2到5条。
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