CN107039538B - 一种高光电转换效率太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光电转换效率太阳能电池，包括：一P型掺杂半导体衬底，所述衬底具有第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；一背电极，设置于第一表面，并与该第一表面欧姆接触；一第一凸锥型结构，所述第一凸锥型结构通过图形化处理在第二表面形成；一N型扩散层，通过磷扩散形成；一透明栅电极，由导电透明材料制成，设置于N型扩散层上方，并与N型扩散层欧姆接触；一透明减反层，由透明材料制成；所述透明减反层上刻蚀有正电极窗口区，所述正电极窗口区底部与透明栅电极上表层连通，所述正电极窗口区设置有与透明栅电极欧姆接触的正电极。通过改善衬底片表面粗化结构，以及在透明减反层刻蚀成微纳聚光透镜结构，可以大大提高光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，具体地涉及一种高光电转换效率太阳能电池及其制备方法。
背景技术
未来随着能源危机问题的日益突出，人类将开发和利用如太阳能之类的新能源，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。近年来，随着太阳能技术的发展，政府的政策扶持，太阳能已成为一种新型清洁能源，得到了广泛的普及。
但是，如何提高太阳能电池的光电转换效率，已成为业界普遍遇到的技术瓶颈，业内许多研发人员为之付出不少努力。
现有技术中，由于形成于掺杂硅层的表面为一平整的平面结构，其表面积较小，因此，使太阳能电池的取光面积较小。另外，太阳光线从外部入射到掺杂硅层的表面时，照射到掺杂硅层的光线一部分被吸收，一部分被反射，而被反射的光线不能再利用，因此太阳能电池对光线的利用率较低。
中国专利文献CN 103094374公开了一种太阳能电池，包括：一硅片衬底，所述硅片衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对设置的一第二表面；
多个三维纳米结构以阵列形式形成于所述硅片衬底的第二表面，且每一所述三维纳米结构包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱与第二凸棱并排延伸，相邻的第一凸棱与第二凸棱之间具有一第一凹槽，相邻的三维纳米结构之间形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小于第二凹槽的深度；
一背电极，所述背电极设置于所述硅片衬底的第一表面，并与该第一表面欧姆接触；
一掺杂硅层，所述掺杂硅层设置于所述三维纳米结构的表面；以及
一上电极，所述上电极设置于所述掺杂硅层的至少部分表面。
设置的三维纳米结构虽然增加了硅片衬底的表面积，但是结构非常复杂，形成的工艺也非常复杂，成本较高。
另外，掺杂硅层设置于所述三维纳米结构的表面，由其附图可知掺杂硅层必须也是三维纳米结构，才能达到照射到掺杂硅层的光线大部分被吸收。因此制作掺杂硅层也是非常复杂。
发明内容
针对上述现有技术存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种高光电转换效率太阳能电池及其制备方法，通过改善P型掺杂半导体衬底片表面粗化结构，以及在透明减反层表面刻蚀形成微纳聚光透镜结构，可以大大提高太阳能光电转换效率，是一种高性能的节能环保产品。
本发明的技术方案是：
一种高光电转换效率太阳能电池，包括：
一P型掺杂半导体衬底，所述P型掺杂半导体衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对的一第二表面；
一背电极，所述背电极设置于第一表面，并与该第一表面欧姆接触；
一第一凸锥型结构，所述第一凸锥型结构通过图形化处理在所述第二表面形成；
一N型扩散层，所述N型扩散层通过磷扩散形成；
一透明栅电极，所述透明栅电极由导电透明材料制成，设置于N型扩散层上方，并与N型扩散层欧姆接触；
一透明减反层，由透明材料制成；所述透明减反层上刻蚀有正电极窗口区，所述正电极窗口区底部与透明栅电极上表层连通，所述正电极窗口区设置有正电极，所述正电极与透明栅电极欧姆接触。
优选的，所述第一凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米。
优选的，所述透明栅电极为铟锡氧化物、氟锡氧化物或石墨烯的一种或多种合成材料，厚度为120～240纳米。
优选的，所述透明减反层的材质为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝，厚度为15～20微米。
优选的，所述透明减反层上表面刻蚀有微纳聚光透镜，所述微纳聚光透镜为第二凸锥型结构，所述第二凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米。
优选的，所述微纳聚光透镜的凸锥的上表面为一个近似球面，所述近视球面的弧度为2.5～3.5rad。
优选的，所述P型掺杂半导体衬底为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铝铟磷、硫化镉或锑化镉材料中的一种。
本发明还公开了一种高光电转换效率太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）用光刻、干法或湿法刻蚀工艺对P型掺杂半导体衬底进行一次图形化处理，形成第一凸锥型结构，所述第一凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米；
（2）用扩散工艺对第一凸锥型结构表面进行磷扩散，形成一定厚度的N型扩散层，从而形成PN结；
（3）利用物理气相沉积（PVD）的方法在N型扩散层上方制作透明栅电极，在透明栅电极上方制作透明减反层；
（4）利用光刻、干法或湿法刻蚀工艺在透明减反层上刻蚀出正电极窗口区，所述正电极窗口区底部与透明栅电极上表层连通；
（5）通过丝网印刷工艺在正电极窗口区内填充印刷正电极，在P型掺杂半导体衬底背面印刷背电极，通过烧结合金工艺使背电极与衬底的P型区域、透明栅电极与与衬底的N型区域以及正电极与透明栅电极形成欧姆接触。
优选的，在透明减反层上利用光刻、干法或湿法刻蚀工艺进行二次图形化处理，形成微纳聚光透镜。
优选的，所述微纳聚光透镜为第二凸锥型结构，所述第二凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米，所述微纳聚光透镜的凸锥的上表面为一个近似球面，所述近视球面的弧度为2.5～3.5rad。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1，通过改善P型掺杂半导体衬底片表面粗化结构，利用一次图形化处理，对衬底片正面进行更规则的图形化表面粗化，形成凸锥型结构，工艺简单，可以使得电池片更加有效的减小入射光全反射，从而提高光量子吸收效率。
2，通过改变栅电极材料，用透明导电材料取代传统工艺中不透明的导电银浆料，由于透明导电材料具有透光性，能使电池片正面吸收光的有效面积有所增加，从而更好的提高光能转换成电能的有效面积。
3，通过改善透明减反层结构来提高光电转换效率，利用二次图形化处理，刻蚀出图形化微纳聚光透镜，改变了传统透明减反层的光学结构，图型化微纳聚光透镜能够起到聚光作用，吸纳更多的光能，从而提高光电转换效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明高光电转换效率太阳能电池的结构示意图；
图2为凸锥型结构的分布示意图；
图3为本发明高光电转换效率太阳能电池的制备方法的流程图。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图1所示，本发明高光电转换效率太阳能电池，包括：
P型掺杂半导体衬底1，P型掺杂半导体衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对的一第二表面；P型掺杂半导体衬底为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铝铟磷、硫化镉或锑化镉等材料中的一种。
在P型掺杂半导体衬底1的第一表面设置有背电极2，并与该第一表面欧姆接触；
在P型掺杂半导体衬底1的第二表面形成有第一凸锥型结构11，如图2所示，第一凸锥型结构11通过图形化处理形成，第一凸锥型结构11包括均匀分布的多个凸锥111，所述凸锥111底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥111与凸锥111的间距为0.2～0.5微米。
在第一凸锥型结构11表面进行磷扩散，在P型掺杂半导体衬底1内形成一定厚度的N型扩散层3，扩散层厚度为0.3～0.5微米，这样P型掺杂半导体衬底1没有扩散的区域为P型电导层12，P型电导层12与N型扩散层3形成PN结。
在N型扩散层3的上表面制备透明栅电极4和透明减反层5，其中透明栅电极4的厚度为120～240纳米，透明减反层5的厚度为15～20微米。透明栅电极4为铟锡氧化物、氟锡氧化物或石墨烯等导电透明材料的一种或多种合成材料，所述透明栅电极4与N型扩散层3欧姆接触。透明减反层5的材质为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝等透明材质。
透明栅电极相比传统正银栅电极，由于具有透光性，能使电池片正面吸收光的有效面积有所增加，从而更好的提高光能转换成电能的有效面积；透明减反层一方面起到电池片表面的钝化作用，提高了电池的可靠性，另一方面起到入射光减反的作用。
透明减反层5上表面刻蚀有微纳聚光透镜51，微纳聚光透镜51为第二凸锥型结构，第二凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米。微纳聚光透镜51的凸锥的上表面为一个近似球面，近视球面的弧度为2.5～3.5rad。
微纳聚光透镜能够起到聚光作用，吸纳更多的光能，进一步提高光电转换效率。
在透明减反层5两端刻蚀有正电极窗口区，正电极窗口区底部与透明栅电极4上表层连通，正电极窗口区设置有正电极6，所述正电极6与透明栅电极4欧姆接触。
如图3所示，该太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
（1）选用P型掺杂的半导体衬底片作为太阳能电池基板，半导体衬底片为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铝铟磷、硫化镉、锑化镉等材料中的一种。
（2）用光刻、干法或湿法刻蚀等半导体工艺对P型掺杂的半导体衬底片进行一次图形化处理，形成凸锥型结构，凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米。
凸锥型结构的制备步骤为：甩胶---前烘---曝光---显影----坚膜---刻蚀---去胶---清洗，其中刻蚀步骤的工艺参数可以为下述中的其中一种：
1、湿法刻蚀硅，用氢氟酸、硝酸、去离子水配的混合液，配比氢氟酸：硝酸：去离子水=6ml:100ml:40ml，温度40-80℃，刻蚀时间1-3分钟。
2、IBE干法刻蚀硅，反应源Ar，Kr，Xe等惰性气体，离子能量在300-350ev，用时60-90分钟。优点分辨率高，可精确到10纳米。
（3）用扩散工艺对P型掺杂半导体衬底片正面进行磷扩散，形成一定厚度的N型扩散层，从而形成PN结，扩散层厚度为0.3～0.5微米。
（4）用物理气相沉积（PVD）的方法在N型扩散层上方制作透明栅电极，透明栅电极的厚度为120～240纳米。透明栅电极为铟锡氧化物、氟锡氧化物、石墨烯等导电透明材料中的一种或多种合成材料，透明栅电极相比传统正银栅电极，由于具有透光性，能使电池片正面吸收光的有效面积有所增加，从而更好的提高光能转换成电能的有效面积；
（5）用物理气相沉积（PVD）的方法在透明栅电极上方制作透明减反层，透明减反层的厚度为15～20微米。透明减反层一方面起到电池片表面的钝化作用，提高了电池的可靠性，另一方面起到入射光减反的作用，所述透明减反层的材质为氮化硅、二氧化硅、三氧化二铝等透明材质中的一种；
（6）在透明减反层上利用光刻、干法或湿法刻蚀等工艺进行二次图形化处理，形成微纳聚光透镜，微纳聚光透镜为凸锥型结构，凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米。微纳聚光透镜51的凸锥的上表面为一个近似球面，近视球面的弧度为2.5～3.5rad。
微纳聚光透镜刻蚀的方法与一次图形化的步骤相同，也为：甩胶---前烘---曝光---显影----坚膜---刻蚀---去胶---清洗，其中刻蚀步骤的工艺参数可以为下述中的其中一种：
1、湿法刻蚀二氧化硅，氮化硅，用氢氟酸、氟化氨和去离子水配置的混合液，配比氢氟酸：氟化氨：去离子水=3ml:6g:9ml，水浴温度控制在30-40摄氏度，刻蚀时间在50-70秒。
2、RIE干法刻蚀二氧化硅，氮化硅，反应源用CHF3，SF6，He，O2，功率控制在300-400W，用时1-4分钟。
3、湿法刻蚀三氧化二铝，用硫酸、磷酸配置的混合液，配比硫酸：磷酸=3ml:1ml，刻蚀温度在270-500℃，刻蚀时间10-20分钟。
4、ICP干法刻蚀三氧化二铝，反应源气体：Cl2，BCl3，刻蚀射频功率控制在700-1500W，偏压功率在250-450W，刻蚀时间1-3分钟。
该结构能够起到聚光作用，吸纳更多的光能，从而提高光电转换效率；
（7）利用光刻、干法或湿法刻蚀工艺在透明减反层上刻蚀出正电极窗口区，正电极窗口区底部与透明栅电极上表层连通；
（8）用丝网印刷工艺，在正面电极窗口区内填充印刷正银电极，选用的材料为具有导电性的银浆、铝浆中的一种或多种合成材料，优先的选用银浆，正银电极的厚度在15～25微米；
（9）用丝网印刷工艺在电池片背面印刷背银电极，选用的材料为具有导电性的银浆、铝浆中的一种或多种合成材料，优先的选用银浆，背银电极15的厚度在15～25微米；
（10）将电池片送入烧结炉内烧结，烧结温度在800～1000℃，形成欧姆接触。最终制得所需要的高光电转换效率太阳能电池。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种高光电转换效率太阳能电池，其特征在于，包括：
一P型掺杂半导体衬底，所述P型掺杂半导体衬底具有一第一表面以及与该第一表面相对的一第二表面；
一背电极，所述背电极设置于第一表面，并与该第一表面欧姆接触；
一第一凸锥型结构，所述第一凸锥型结构通过图形化处理在所述第二表面形成；所述第一凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥；
一N型扩散层，所述N型扩散层通过在所述第一凸锥型结构表面进行磷扩散形成；
一透明栅电极，所述透明栅电极由导电透明材料制成，设置于N型扩散层上方，并与N型扩散层欧姆接触；
一透明减反层，由透明材料制成；所述透明减反层上刻蚀有正电极窗口区，所述正电极窗口区底部与透明栅电极上表层连通，所述正电极窗口区设置有正电极，所述正电极与透明栅电极欧姆接触；所述透明减反层上表面刻蚀有微纳聚光透镜，所述微纳聚光透镜为第二凸锥型结构。
2.根据权利要求1所述的高光电转换效率太阳能电池，其特征在于，所述透明栅电极为铟锡氧化物、氟锡氧化物或石墨烯的一种或多种合成材料，厚度为120～240纳米。
3.根据权利要求1所述的高光电转换效率太阳能电池，其特征在于，所述透明减反层的材质为氮化硅、二氧化硅或三氧化二铝，厚度为15～20微米。
4.根据权利要求2-3任一项所述的高光电转换效率太阳能电池，其特征在于，所述第二凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米。
5.根据权利要求4所述的高光电转换效率太阳能电池，其特征在于，所述微纳聚光透镜的凸锥的上表面为一个近似球面，所述近似球面的弧度为2.5～3.5rad。
6.根据权利要求1所述的高光电转换效率太阳能电池，其特征在于，所述P型掺杂半导体衬底为单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、铝铟磷、硫化镉或锑化镉材料中的一种。
7.一种高光电转换效率太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用光刻、干法或湿法刻蚀工艺对P型掺杂半导体衬底进行一次图形化处理，形成第一凸锥型结构，所述第一凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米；
（2）用扩散工艺对第一凸锥型结构表面进行磷扩散，形成一定厚度的N型扩散层，从而形成PN结；
（3）利用物理气相沉积（PVD）的方法在N型扩散层上方制作透明栅电极，在透明栅电极上方制作透明减反层；在透明减反层上利用光刻、干法或湿法刻蚀工艺进行二次图形化处理，形成微纳聚光透镜，所述微纳聚光透镜为第二凸锥型结构；
（4）利用光刻、干法或湿法刻蚀工艺在透明减反层上刻蚀出正电极窗口区，所述正电极窗口区底部与透明栅电极上表层连通；
（5）通过丝网印刷工艺在正电极窗口区内填充印刷正电极，在P型掺杂半导体衬底背面印刷背电极，通过烧结合金工艺使背电极与衬底的P型区域、透明栅电极与与衬底的N型区域以及正电极与透明栅电极形成欧姆接触。
8.根据权利要求7所述的高光电转换效率太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第二凸锥型结构包括均匀分布的多个凸锥，所述凸锥底面宽为2～3微米，高度为1～2微米，凸锥与凸锥的间距为0.2～0.5微米，所述微纳聚光透镜的凸锥的上表面为一个近似球面，所述近似球面的弧度为2.5～3.5rad。
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