CN106449807A - 一种光伏电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏电池及其制备方法，所述光伏电池包括：背电极；衬底层，其设置在所背电极上方；以及n型InaAlaGa1‑2aN层，其设置在所述衬底层上方，0.18≤a≤0.30；掺杂InbAlbGa1‑2bN层，其设置在所述n型InaAlaGa1‑2aN层上方，0.32≤b≤0.48；p型IncAlcGa1‑2cN层，其设置在所述掺杂InbAlbGa1‑2bN层上方，0.12≤c≤0.38；窗口层，其设置在所述p型IncAlcGa1‑2cN层的上方；正电极，其设置在所述窗口层的上方；其中，在所述衬底层、n型InaAlaGa1‑2aN层、掺杂InbAlbGa1‑2bN层、p型IncAlcGa1‑2cN层和窗口层分别设有陷光结构，本发明使光伏电池具有较高的输出功率和较高的光电转化率，还提供一种光伏电池陷光结构锥角和蚀刻计算公式，能够提高光在光伏电池中的光程，使光吸收增加，提高光电转化率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏领域，尤其是一种光伏电池及其制备方法。
背景技术
太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。
以砷化镓为代表的III-V族太阳电池具有低成本、高效率、稳定性好等优点，是公认的最具有发展和市场潜力的第二代光伏电池。人们对其研究兴起于上个世纪八十年代初，经过二十多年发展并取得了可喜的成果。
但是，第二代光伏电池为了保证入射光的充分吸收，需要吸收层厚度较厚，需要消耗更多的材料，增加材料成本。
发明内容
本发明的一个目的提供一种光伏电池，其选用氮化镓铝铟材料，使光伏电池具有较高的输出功率和较高的光电转化率。
本发明还有一个目的提供一种光伏电池，其设有陷光结构，能够提高光在光伏电池中的光程，使光吸收增加，提高光电转化率。
本发明还有一个目的提供一种光伏电池的制备方法，给出陷光结构锥角和等离子体蚀刻时间的计算公式，有效降低了光伏电池的反射率。
为实现上述目的，本发明提供一种光伏电池，包括：
背电极；
衬底层，其设置在所背电极上方；以及
n型InaAlaGa1-2aN层，其设置在所述衬底层上方，0.18≤a≤0.30；
掺杂InbAlbGa1-2bN层，其设置在所述n型InaAlaGa1-2aN层上方，0.32≤b≤0.48；
p型IncAlcGa1-2cN层，其设置在所述掺杂InbAlbGa1-2bN层上方，0.12≤c≤0.38；
窗口层，其设置在所述p型IncAlcGa1-2cN层的上方；
正电极，其设置在所述窗口层的上方；
其中，在所述衬底层、n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层、p型IncAlcGa1-2cN层和窗口层分别设有陷光结构。
优选的是，还包括：
籽晶层，其设置在所述衬底层与n型InaAlaGa1-2aN层之间，厚度为0.05-0.08μm。
优选的是，还包括：
缓冲层，其设置在所述籽晶层与n型InaAlaGa1-2aN层间，厚度为0.5-2.0μm。
优选的是，还包括：
减反射导电膜，其设置在所述窗口层上除正电极覆盖的区域，用于提高透光性能。
优选的是，所述陷光结构为均布设置的圆锥体。
优选的是，在所述衬底层、n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层、p型IncAlcGa1-2cN层和窗口层上的陷光结构中，圆锥体的密度由下至上依次降低。
优选的是，所述n型InaAlaGa1-2aN层的厚度为0.08-0.28μm，所述掺杂InbAlbGa1-2bN层的厚度为0.2-0.5μm，所述p型IncAlcGa1-2cN层的厚度为0.05-0.2μm。
优选的是，所述窗口层由ZnS材料制成，厚度为0.08-0.15μm。
优选的是，所述衬底层为硅衬底。
一种光伏电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：通过物理气相沉积法或电化学沉积法，硅衬底表面沉积背电极层得到沉积了背电极的衬底层；
步骤二：在衬底层上选取基区依次沉积制备n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层和p型IncAlcGa1-2cN层，其中，0.18≤a≤0.30，0.32≤b≤0.48，0.12≤c≤0.38；
步骤三：通过电子束蒸发法在具有p-n结的电池膜层上方依次沉积窗口层和正电极；
步骤四：采用等离子束刻蚀工艺在n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层和p型IncAlcGa1-2cN层形成锥形陷光结构，所述陷光结构的锥角为：
其中，D为陷光结构的开槽宽度，W为电池表面积，P为电池表面设置陷光结构的孔隙率，h为刻蚀厚度。
等离子体化学刻蚀的腐蚀气体为BCl3、Ar和Cl2的混合气体，设备压强为48-55Pa，刻蚀制备时间为：
其中t为刻蚀制备时间，Q为腐蚀气体流速，ρ为膜层密度，ng为对应膜层材料的分子个数，nr为腐蚀气体的平均分子个数，为腐蚀气体的平均摩尔质量，R为热力学常数，T为制备设备的开氏温度，P为刻蚀设备内部压强，P0为标准大气压强。
本发明的有益效果是：1、其选用氮化镓铝铟材料，使光伏电池具有较高的输出功率和较高的光电转化率；2、在所述衬底层、n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层、p型IncAlcGa1-2cN层和窗口层分别设有陷光结构，能够将入射光线分散到各个角度，从而提高光在光伏电池中的光程，使光吸收增加，提高光电转化率；3、各层的陷光结构中，圆锥体的密度由下至上依次降低，是光线易于射入，不易射出，进一步提高了光电转化率。
附图说明
图1是本发明一种光伏电池的结构图；
图2是本发明中窗口层的陷光结构的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-2所示，本发明的一种实现形式，为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括：
背电极111，由金属材料制成，用于传导电流。作为一种优选，所述背电极111由金或镍金或铬金材料制成，背电极111的厚度为1-5μm。
衬底层120设置在所背电极111上方。作为一种优选，所述衬底层120为硅衬底，。
n型InaAlaGa1-2aN层150设置在所述衬底层120上方，其中，0.18≤a≤0.30。n型InaAlaGa1-2aN层150为太阳电池p-i-n结的n区。作为一种优选，所述n型InaAlaGa1-2aN层150的厚度为0.08-0.28μm。
掺杂InbAlbGa1-2bN层160设置在所述n型InaAlaGa1-2aN层150上方，其中，0.32≤b≤0.48。掺杂InbAlbGa1-2bN层160为太阳电池p-i-n结的i区。作为一种优选，所述掺杂InbAlbGa1-2bN层160的厚度为0.2-0.5μm。
p型IncAlcGa1-2cN层170，设置在所述掺杂InbAlbGa1-2bN,160的上方，其中0.12≤c≤0.38。p型IncAlcGa1-2cN层170为太阳电池p-i-n结的p区。作为一种优选，所述p型IncAlcGa1- 2cN层170的厚度为0.05-0.2μm。
窗口层180，由ZnS材料制成。窗口层180设置在所述p型IncAlcGa1-2cN层170的上方。窗口层180的厚度为0.08-0.15μm。
正电极112，由金属材料制成，用于传导电流。正电极112设置在所述窗口层180的上方；
其中，在所述衬底层120、n型InaAlaGa1-2aN层150、掺杂InbAlbGa1-2bN层160、p型IncAlcGa1-2cN层170和窗口层180分别设有陷光结构，作为一种优选，所述陷光结构为为均布设置的圆锥体，如图2所示设置在所述窗口层180上的圆锥体181。作为进一步优选，在所述衬底层、n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层、p型IncAlcGa1-2cN层和窗口层上的陷光结构中，圆锥体的密度由下至上依次降低。
在使用过程中，入射光线自窗口层射入，依次进入p型IncAlcGa1-2cN层170、掺杂InbAlbGa1-2bN层160、n型InaAlaGa1-2aN层150，最终到达衬底层120。在此过程中，p型IncAlcGa1-2cN层170、掺杂InbAlbGa1-2bN层160和n型InaAlaGa1-2aN层150进行光电转化，产生的电流自背电极111和正电极112流出。在此过程中，由于衬底层120、n型InaAlaGa1-2aN层150、掺杂InbAlbGa1-2bN层160、p型IncAlcGa1-2cN层170和窗口层180上分别设有陷光结构，使光线不断地发生折射，延长了光在光伏电池中的光程，使光吸收增加，提高光电转化率。同时，由p型IncAlcGa1-2cN层170、掺杂InbAlbGa1-2bN层160和n型InaAlaGa1-2aN层150形成的n-i-p结具有较高的输出功率和较高的光电转化率。
在另一个实施例中，还包括：籽晶层130。籽晶层130设置在所述衬底层120与n型InaAlaGa1-2aN层150之间，厚度为0.05-0.08μm。所述籽晶层130为氧化锌籽晶层，用于提高太阳能电池的晶体质量。
在另一个实施例中，还包括：缓冲层140。缓冲层140设置在所述籽晶层130与n型InaAlaGa1-2aN层150间，厚度为0.5-2.0μm。所述缓冲层为的氧化锌纳米阵列缓冲层，用于进一步提高太阳能电池的晶体质量。
在另一个实施例中，还包括：减反射导电膜190。减反射导电膜190设置在所述窗口层180上除正电极112覆盖的区域，用于提高透光性能。作为一种优选，所述减反射导电膜190为ITO导电膜，厚度为0.05-0.1μm。
在另一个实施例中，所述陷光结构为均布设置的圆锥体，如图2所示，设置在所述窗口层180上的圆锥体181。
在另一个实施例中，在所述衬底层120、n型InaAlaGa1-2aN层150、掺杂InbAlbGa1-2bN层160、p型IncAlcGa1-2cN层170和窗口层180上的陷光结构中，圆锥体的密度由下至上依次降低。圆锥体的密度由下至上依次降低，使光线越进入到太阳能电池的底部产生的折射越多，光在光伏电池中的光程越长，进一步使光吸收增加，提高光电转化率。
在另一个实施例中，所述n型InaAlaGa1-2aN层150的厚度为0.08-0.28μm，所述掺杂InbAlbGa1-2bN层160的厚度为0.2-0.5μm，所述p型IncAlcGa1-2cN层170的厚度为0.05-0.2μm。
在另一个实施例中，所述窗口层180由ZnS材料制成，厚度为0.08-0.15μm。
在另一个实施例中，所述衬底层120为硅衬底。硅衬底价格低廉，尺寸大。
一种光伏电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：通过物理气相沉积法或电化学沉积法，硅衬底表面沉积背电极层得到沉积了背电极的衬底层；
步骤二：在衬底层上选取基区依次沉积制备n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层和p型IncAlcGa1-2cN层，其中，0.18≤a≤0.30，0.32≤b≤0.48，0.12≤c≤0.38；
步骤三：通过电子束蒸发法在具有p-n结的电池膜层上方依次沉积窗口层和正电极；
步骤四：采用等离子束刻蚀工艺在n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层和p型IncAlcGa1-2cN层形成锥形陷光结构，所述陷光结构的锥角为：
其中，D为陷光结构的开槽宽度，单位为nm；W为电池表面积，单位为平方米；P为电池表面设置陷光结构的孔隙率，为百分数；h为刻蚀厚度单位为nm。
等离子体化学刻蚀的腐蚀气体为BCl3、Ar和Cl2的混合气体，设备压强为48-55Pa，刻蚀制备时间为：
其中t为刻蚀制备时间，单位为min；Q为腐蚀气体流速，单位为mL/min；ρ为膜层密度，其单位为kg/m3；ng为对应膜层材料的分子个数，nr为腐蚀气体的平均分子个数，为腐蚀气体的平均摩尔质量，单位为g/mol；R为热力学常数，为8.314J/mol·K；T为制备设备的开氏温度，单位为K；P为刻蚀设备内部压强，单位为Pa；P0为标准大气压强，单位为Pa。
如上所述本发明一种光伏电池1，选用氮化镓铝铟材料，使光伏电池具有较高的输出功率和较高的光电转化率；在所述衬底层120、n型InaAlaGa1-2aN层150、掺杂InbAlbGa1-2bN层160、p型IncAlcGa1-2cN层170和窗口层180分别设有陷光结构，能够将入射光线分散到各个角度，从而提高光在光伏电池1中的光程，使光吸收增加，提高光电转化率；3、各层的陷光结构中，圆锥体的密度由下至上依次降低，是光线易于射入，不易射出，进一步提高了光电转化率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种光伏电池，其特征在于，包括：
背电极；
衬底层，其设置在所背电极上方；以及
n型InaAlaGa1-2aN层，其设置在所述衬底层上方，0.18≤a≤0.30；
掺杂InbAlbGa1-2bN层，其设置在所述n型InaAlaGa1-2aN层上方，0.32≤b≤0.48；
p型IncAlcGa1-2cN层，其设置在所述掺杂InbAlbGa1-2bN层上方，0.12≤c≤0.38；
窗口层，其设置在所述p型IncAlcGa1-2cN层的上方；
正电极，其设置在所述窗口层的上方；
其中，在所述衬底层、n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层、p型IncAlcGa1-2cN层和窗口层分别设有陷光结构。
2.如权利要求1所述的光伏电池，其特征在于，还包括：
籽晶层，其设置在所述衬底层与n型InaAlaGa1-2aN层之间，厚度为0.05-0.08μm。
3.如权利要求2所述的光伏电池，其特征在于，还包括：
缓冲层，其设置在所述籽晶层与n型InaAlaGa1-2aN层间，厚度为0.5-2.0μm。
4.如权利要求1或2所述的光伏电池，其特征在于，还包括：
减反射导电膜，其设置在所述窗口层上除正电极覆盖的区域，用 于提高透光性能。
5.如权利要求1所述的光伏电池，其特征在于：所述陷光结构为均布设置的圆锥体。
6.如权利要求5所述的光伏电池，其特征在于：在所述衬底层、n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层、p型IncAlcGa1-2cN层和窗口层上的陷光结构中，圆锥体的密度由下至上依次降低。
7.如权利要求1或2所述的光伏电池，其特征在于：所述n型InaAlaGa1-2aN层的厚度为0.08-0.28μm，所述掺杂InbAlbGa1-2bN层的厚度为0.2-0.5μm，所述p型IncAlcGa1-2cN层的厚度为0.05-0.2μm。
8.如权利要求1或2所述的光伏电池，其特征在于：所述窗口层由ZnS材料制成，厚度为0.08-0.15μm。
9.如权利要求1或2所述的光伏电池，其特征在于：所述衬底层为硅衬底。
10.一种光伏电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：通过物理气相沉积法或电化学沉积法，硅衬底表面沉积背电极层得到沉积了背电极的衬底层；
步骤二：在衬底层上选取基区依次沉积制备n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂InbAlbGa1-2bN层和p型IncAlcGa1-2cN层，其中，0.18≤a≤0.30，0.32≤b≤0.48，0.12≤c≤0.38；
步骤三：通过电子束蒸发法在具有p-n结的电池膜层上方依次沉积窗口层和正电极；
步骤四：采用等离子束刻蚀工艺在n型InaAlaGa1-2aN层、掺杂 InbAlbGa1-2bN层和p型IncAlcGa1-2cN层形成锥形陷光结构，所述陷光结构的锥角为：
其中，D为陷光结构的开槽宽度，W为电池表面积，P为电池表面设置陷光结构的孔隙率，h为刻蚀厚度。
等离子体化学刻蚀的腐蚀气体为BCl3、Ar和Cl2的混合气体，设备压强为48-55Pa，刻蚀制备时间为：
其中t为刻蚀制备时间，Q为腐蚀气体流速，ρ为膜层密度，ng为对应膜层材料的分子个数，nr为腐蚀气体的平均分子个数，为腐蚀气体的平均摩尔质量，R为热力学常数，T为制备设备的开氏温度，P为刻蚀设备内部压强，P0为标准大气压强。
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