CN105304733A - 太阳能电池微纳尺寸陷光结构、太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，包括晶体硅衬底，所述晶体硅衬底具有正面和背面，其特征在于：掩膜，图形化和刻蚀晶体硅衬底的背面获得的条状、柱状、锥状、孔状结构的一种或多种，在所述晶体硅衬底的正面和背面分别覆盖介质层。同时，本发明还公开了一种包含所述微纳尺寸陷光结构的太阳能电池，及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。它解决现有技术中晶体硅太阳能电池对长波长光谱段吸收较弱的技术问题。本发明增强太阳能电池的长波长光谱吸收，从而提高太阳能电池的电流密度和转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，以及包含所述微纳尺寸陷光结构的太阳能电池，及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
太阳能电池的陷光减反结构，是增强光谱吸收，提高电流，获得高转换效率的重要技术。目前，商品化晶体硅太阳能电池的受光正表面的陷光减反结构由数微米尺寸的绒面形貌覆盖单层或多层的介质薄膜组成，而背表面一般地是平面形貌。入射光中短、中波长光谱部分（波长范围为300至800nm）可以有效地被晶体硅吸收，转换为光生载流子，分离而被收集，贡献于光电流。由于晶体硅材料对长波长光谱部分（波长范围为900至1200nm）吸收系数较小，该部分的光经由背表面反射出太阳能电池，反射率一般为30至50%，没有被有效地转换为电流，造成光学损失。
在双面结构太阳能电池中，由于需要兼顾背面入射光，背表面形貌一般地是绒面形貌。这导致长波长的光很容易经由绒面形貌透射出太阳能电池，没有被有效地转换为电流。
在薄型或柔性晶体硅太阳能电池中，晶体硅的厚度被减薄到50至130μm。太阳能电池对长波长光谱的吸收相对更弱，导致电流密度变低。
光在介质界面和介质体内的光学行为由材料（折射率等参数）和几何尺寸、结构决定。当达到接近或小于光波长的微纳尺寸时，会发生散射、衍射、共振耦合等特殊光学机制。通过设计和制备微纳尺寸结构，利用这些光学机制，可以增加太阳能电池对光学吸收，提高电流密度。在较好的表面钝化情况下，获得更高的转换效率。
发明内容
本发明针对现有技术中晶体硅太阳能电池对长波长光谱段吸收较弱的技术问题，提供一种应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，增强太阳能电池对长波长光谱吸收，从而提高太阳能电池的电流密度和转换效率。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，包括晶体硅衬底，所述晶体硅衬底具有正面和背面，其特征在于：掩膜，图形化和刻蚀晶体硅衬底的背面获得的条状、柱状、锥状、孔状结构的一种或多种，在所述晶体硅衬底的正面和背面分别覆盖介质层。
进一步地，所述晶体硅衬底上的条状结构的宽度是200nm至10μm。
进一步地，所述晶体硅衬底上的柱状、锥状结构的底面直径是200nm至10μm。
进一步地，所述晶体硅衬底上的孔状结构的中心间距是200nm至10μm。
进一步地，所述晶体硅衬底上的的条状、柱状、锥状、孔状的结构是等间距分布、不等间距分布或随机分布。
进一步地，所述介质层是由SiNx、SiOx、Al2O3、TiO2、a-Si材料制成的单层或多层。
进一步地，所述介质层具有钝化晶体硅衬底表面的效果。
进一步地，所述晶体硅衬底是P型或N型多晶硅片，或是P型或N型单晶硅片。
同时，本发明还提供一种包含所述微纳尺寸陷光结构的太阳能电池，包括，晶体硅衬底，所述晶体硅衬底具有正面和背面，在所述晶体硅衬底的背面通过掩膜，图形化和刻蚀形成所述微纳尺寸陷光结构，在晶体硅衬底的正面依次形成具有绒面形貌的发射结、钝化减反介质层和金属化结构；在晶体硅衬底背面依次形成钝化减反介质层和金属化结构。
此外，本发明还提供一种制备所述微纳尺寸陷光结构的制备方法，包括如下步骤：
A.对晶体硅衬底作预处理；
B.在晶体硅衬底上制备正面结构或半成品正面结构，其中，完整的正面结构包括制绒形成绒面形貌、掺杂形成的发射结或前表面场、沉积形成钝化和减反薄膜；
C.在已制备的正面结构或半成品正面结构上制作保护层；
D.在晶体硅衬底背面实施掩膜，图形化，刻蚀晶体硅衬底，并沉积、生长介质薄膜覆盖，制备成微纳尺寸陷光结构；
E.根据实际情况，实施后段工艺，完成太阳能电池制造。
进一步地，所述步骤A中的预处理包括常规清洗、去除损伤层、适度抛光或适度制绒的一种或多种。
进一步地，所述步骤B中的半成品正面结构是制绒形成绒面形貌；或者是制绒形成绒面形貌，并且掺杂形成的发射结或前表面场。
进一步地，所述步骤C中保护层是由PMMA、PDMS、SiNx、SiOx材料制成的单层或多层。
进一步地，所述步骤D中掩膜层材料是PMMA、PDMS、SiNx、SiOx、金属Cr的单层或多层。
进一步地，所述步骤D中图形化方法是光刻、激光烧蚀、压印或自组装微球层技术。
进一步地，所述步骤D中刻蚀方法是反应离子刻蚀、感应耦合离子刻蚀、湿法刻蚀中的一种单独使用或多种联合使用。
进一步地，所述步骤D中沉积薄膜方法是等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、真空蒸镀、溅射、激光脉冲沉积中的一种单独使用或多种联合使用。
本文中，所述“PMMA”是指聚甲基丙烯酸甲酯；“PDMS”是指聚二甲基硅氧烷；“条状结构”是指在晶体硅衬底表面形成的具有较长水平长度、较浅垂直深度的长条形结构；“柱状结构”是指具有较深垂直深度、顶面和底面大致相等的结构；“锥状结构”指具有较深垂直深度、顶面和底面大小不等的结构；“孔状结构”是指水平方向和垂直方向尺寸大致相等的其他不规整的下陷结构。
本发明的应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，针对晶体硅太阳能电池对长波长光谱段吸收较弱的问题，设计陷光结构的材料和几何尺寸；采用与常规晶体硅太阳能电池制造兼容的掩膜、刻蚀、沉积薄膜等工艺，在太阳能电池背表面制备该陷光结构。微纳尺寸陷光结构通过光学共振耦合、散射的机制增强太阳能电池的长波长光谱吸收，从而增强其电流密度和转换效率。
本发明可应用于多种结构的太阳能电池，包括P型PERC（钝化发射极背面接触型太阳能电池）、N型PERT（钝化发射极，背面完全扩散型太阳能电池）、N型PERL（钝化发射极，背部局域扩散型太阳能电池）、双面太阳能电池、HIT（非晶/单晶异质结太阳能电池）、IBC（交指式背接触型太阳能电池）等结构，可应用于薄型或柔性晶体硅太阳能电池，应用范围广。
附图说明
图1为本发明应用于P型PERC结构太阳能电池的微纳尺寸陷光结构的结构示意图，其中：101为P型晶体硅衬底，102为具有绒面形貌的n+型发射结，103为衬底上刻蚀形成的微纳尺寸陷光结构，104为正面钝化减反介质层，105为背面钝化减反介质层，106为正面金属化结构，107为背面金属化结构；
图2为本发明应用于N型PERT结构太阳能电池的微纳尺寸陷光结构的结构示意图，其中：201为N型晶体硅衬底，202为具有绒面形貌的p+型发射结，203为衬底上刻蚀形成的微纳尺寸陷光结构，204为n+型背表面场，205为正面钝化减反介质层，206为背面钝化减反介质层，207为正面金属化结构，208为背面金属化结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的结构做进一步详细的说明，本发明中与现有技术相同的部分将参考现有技术。
实施例1：
如图1所示，本发明应用于P型PERC结构太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，包括P型晶体硅衬底101，P型晶体硅衬底101具有正面和背面，其中，正面为受光面，背面为与正面相对的面；掩膜，图形化和刻蚀所述P型晶体硅衬底101的背面获得的柱状结构103，柱状结构103的底面直径是200nm至10μm。
在P型晶体硅衬底101的正面形成具有绒面形貌的n+型发射结102，在P型晶体硅衬底101的正面和背面分别沉积钝化减反介质层104和105，介质材料采用SiNx、SiOx、Al2O3、TiO2、a-Si的单层或多层，沉积方法为等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、真空蒸镀、溅射或激光脉冲沉积的一种或多种联合使用。分别在P型晶体硅衬底101的正面和背面制备金属化结构106和107，完成本发明的应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构及其太阳能电池的制造。
对应地，本发明提供的制备所述应用于P型PERC结构太阳能电池的微纳尺寸陷光结构的制备方法，包括如下步骤：
A.通过清洗、制绒、扩散、抛光等工艺，在P型晶体硅衬底101的正面形成具有绒面形貌的n+型发射结102，在背面形成抛光形貌；
B.在已制备的正面结构或半成品正面结构上制作保护层，保护层材料是PMMA、PDMS、SiNx、SiOx的单层或多层；
C.在抛光背面实施掩膜，图形化，刻蚀P型晶体硅衬底101，形成柱状结构103，柱状结构的底面直径是200nm至10μm，柱状结构是等间距分布、不等间距分布或随机分布。掩膜层材料是PMMA、PDMS、SiNx、SiOx、金属Cr的单层或多层，图形化方法是光刻、激光烧蚀、压印或自组装微球层技术，刻蚀方法是反应离子刻蚀、感应耦合离子刻蚀、湿法刻蚀中的一种单独使用或多种联合使用；
D.去除正面保护层和背面掩膜层，并清洗表面；
E.分别在正、背面沉积钝化减反介质层104和105，介质材料是SiNx、SiOx、Al2O3、TiO2、a-Si的单层或多层，沉积方法是等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、真空蒸镀、溅射、激光脉冲沉积中的一种或多种联合使用；
F.分别在正、背面制备金属化结构106和107，完成本发明的应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构及其太阳能电池的制造。
实施例2：
如图2所示，本发明应用于N型PERT结构太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，包括N型晶体硅衬底201，N型晶体硅衬底201具有正面和背面，其中，正面为受光面，背面为与正面相对的面；掩膜，图形化和刻蚀所述N型晶体硅衬底201的背面，形成条状结构203，条状结构的宽度是200nm至10μm，条状结构是等间距分布、不等间距分布或随机分布。
在N型晶体硅衬底201的正面形成具有绒面形貌的p+型发射结202；通过扩散在N型晶体硅衬底201的背面形成n+型的背表面场204；分别在N型晶体硅衬底201的正、背面沉积钝化减反介质层205和206，介质材料是SiNx、SiOx、Al2O3、TiO2、a-Si的单层或多层，沉积方法是等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、真空蒸镀、溅射、激光脉冲沉积中的一种或多种联合使用；分别在正、背面制备金属化结构207和208，完成本发明的应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构及其太阳能电池的制造。
对应地，本发明提供的制备所述应用于N型PERT结构太阳能电池的微纳尺寸陷光结构的制备方法，包括如下步骤：
A.通过清洗、制绒、扩散、抛光等工艺，在N型晶体硅衬底201的正面形成具有绒面形貌的p+型发射结202，在背面形成抛光形貌；
B.在已制备的正面结构或半成品正面结构上制作保护层，保护层材料是SiNx、SiOx的单层或多层；
C.在抛光背面实施掩膜，图形化，刻蚀衬底，形成条状结构203，条状结构的宽度是200nm至10μm，条状结构是等间距分布、不等间距分布或随机分布；掩膜层材料是PMMA、PDMS、SiNx、SiOx、金属Cr的单层或多层，图形化方法是光刻、激光烧蚀、压印或自组装微球层技术，刻蚀方法是反应离子刻蚀、感应耦合离子刻蚀、湿法刻蚀中的一种单独使用或多种联合使用；
D.去除背面掩膜层，并清洗表面；
E.通过扩散在背面形成n+型的背表面场204；
F.去除正面保护层，并清洗表面；
G.分别在正、背面沉积钝化减反介质层205和206，介质材料是SiNx、SiOx、Al2O3、TiO2、a-Si的单层或多层，沉积方法是等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、真空蒸镀、溅射、激光脉冲沉积中的一种或多种联合使用；
H.分别在正、背面制备金属化结构207和208，完成本发明的应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构及其太阳能电池的制造。
当然，本发明还有其他实施方式，上文所列仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (17)
1.一种应用于太阳能电池的微纳尺寸陷光结构，包括晶体硅衬底，所述晶体硅衬底具有正面和背面，其特征在于：掩膜，图形化和刻蚀晶体硅衬底的背面获得的条状、柱状、锥状、孔状结构的一种或多种，在所述晶体硅衬底的正面和背面分别覆盖介质层。
2.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述晶体硅衬底上的条状结构的宽度是200nm至10μm。
3.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述晶体硅衬底上的柱状、锥状结构的底面直径是200nm至10μm。
4.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述晶体硅衬底上的孔状结构的中心间距是200nm至10μm。
5.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述晶体硅衬底上的的条状、柱状、锥状、孔状的结构是等间距分布、不等间距分布或随机分布。
6.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述介质层是由SiNx、SiOx、Al2O3、TiO2、a-Si材料制成的单层或多层。
7.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述介质层具有钝化晶体硅衬底表面的效果。
8.根据权利要求1所述的微纳尺寸陷光结构，其特征在于：所述晶体硅衬底是P型或N型多晶硅片，或是P型或N型单晶硅片。
9.一种包含权利要求1-8任一所述微纳尺寸陷光结构的太阳能电池，包括，晶体硅衬底，所述晶体硅衬底具有正面和背面，在所述晶体硅衬底的背面通过掩膜，图形化和刻蚀形成所述微纳尺寸陷光结构，在晶体硅衬底的正面依次形成具有绒面形貌的发射结、钝化减反介质层和金属化结构；在晶体硅衬底背面依次形成钝化减反介质层和金属化结构。
10.一种制备权利要求1-8任一所述微纳尺寸陷光结构的制备方法，包括如下步骤：
A.对晶体硅衬底作预处理；
B.在晶体硅衬底上制备正面结构或半成品正面结构，其中，完整的正面结构包括制绒形成绒面形貌、掺杂形成的发射结或前表面场、沉积形成钝化和减反薄膜；
C.在已制备的正面结构或半成品正面结构上制作保护层；
D.在晶体硅衬底背面实施掩膜，图形化，刻蚀晶体硅衬底，并沉积、生长介质薄膜覆盖，制备成微纳尺寸陷光结构；
E.根据实际情况，实施后段工艺，完成太阳能电池制造。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的预处理包括常规清洗、去除损伤层、适度抛光或适度制绒的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中的半成品正面结构是制绒形成绒面形貌；或者是制绒形成绒面形貌，并且掺杂形成的发射结或前表面场。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤C中保护层是由PMMA、PDMS、SiNx、SiOx材料制成的单层或多层。
14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中掩膜层材料是PMMA、PDMS、SiNx、SiOx、金属Cr的单层或多层。
15.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中图形化方法是光刻、激光烧蚀、压印或自组装微球层技术。
16.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中刻蚀方法是反应离子刻蚀、感应耦合离子刻蚀、湿法刻蚀中的一种单独使用或多种联合使用。
17.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中沉积薄膜方法是等离子增强化学气相沉积、原子层沉积、真空蒸镀、溅射、激光脉冲沉积中的一种单独使用或多种联合使用。
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