CN107204386A - 增强薄膜太阳电池光子吸收效率的方法以及薄膜太阳电池结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高薄膜太阳电池光子吸收效率的方法，具体步骤如下：1：取一薄膜太阳电池所用的外延片，对外延片进行清洗；2：在电池的背表面热蒸发导电极；3：在导电极层上面外延沉积一层二氧化硅层；4：在二氧化硅外延层上悬涂光刻胶；5：对光刻胶进行前烘，形成样品；6：在光刻胶上制作二维光子晶体掩膜图形；7：对形成掩膜图形的样品进行后烘；8：对烘好的样品进行干法刻蚀，将光刻胶上光子晶体图形转移至二氧化硅上；9：去除掩膜胶；10：在制作好光子晶体图形的衬底上沉积硅材料，填充光子晶体孔洞；11：采用PECVD沉积工艺交替沉积若干层Si/SiO 2薄膜层，制作分布布拉格反射层(DBR)，完成光子晶体陷光结构制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高薄膜太阳电池光子吸收效率的方法，具体涉及以二维光子晶体和一维光子晶体(分布布拉格反射器DBR)为作为薄膜太阳电池的背面陷光结构，通过光子晶体对光的反射及衍射作用提高光子在薄膜太阳电池吸收层内的传播路径，从而提高薄膜太阳电池的光电转换效率。
背景技术
薄膜太阳电池由于低的原材料成本且成熟的制造技术一直受到光伏领域的青睐。然而，薄膜太阳电池的转换效率远低于体硅太阳电池，一个重要的原因在于薄膜太阳电池具有较薄的吸收层，对光子的吸收较弱，特别是对红外－近红外长波光子的吸收较弱。以单晶硅为例，波长为800nm的太阳光对应的吸收长度为10um，当波长为1000nm时，对应的吸收长度高达3mm。显然，具有微纳厚度的薄膜太阳电池(厚度一般约为2-10um)无法吸收这部分光子。然而这个波长范围包含了超过36％的能量大于带隙宽度的太阳光子，这部分光子透过电池底部直接逸出，极大地降低了太阳电池的光电转换效率。解决这个问题的关键是在电池的背表面设计一种能够延长光子在吸收层内传播路径的陷光结构。目前而言，解决这个问题的一般方法是在电池的背面构造一个金属银绒面背反射器，可以使穿过电池吸收层没有被有效吸收的长波光子反射回吸收层进行二次吸收，提高光子在吸收层的传播路径，从而提高电池的转换效率。然而，金属绒面反射器仅仅实现光子双倍光程有限吸收，同时还会遭受表面等离子模式本征损失，而这种损失在长波范围内表现得更为剧烈，因此该方法陷光作用十分有限。其陷光作用如附图1所示。
发明内容
本发明针对现有技术存在的光子在硅材料内的传播路径有限；部分光子会透过背反射结构直接从电池底部逸出的两个问题，提供一种增强薄膜太阳电池光子吸收效率的方法以及薄膜太阳电池结构，既保证了光子晶体对光子的高反射作用，又可通过二维光子晶体衍射作用获得较大倾角的衍射光
为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：一种增强薄膜太阳电池光子吸收效率的方法，
步骤1：取一薄膜太阳电池所用的外延片，对外延片进行清洗；
步骤2：在电池的背表面热蒸发导电极；
步骤3：在导电极层上面外延沉积一层二氧化硅层；
步骤4：在二氧化硅外延层上悬涂光刻胶；
步骤5：对光刻胶进行前烘，形成样品；
步骤6：在光刻胶上制作二维光子晶体掩膜图形；
步骤7：对形成掩膜图形的样品进行后烘；
步骤8：对烘好的样品进行干法刻蚀，将光刻胶上光子晶体图形转移至二氧化硅上；
步骤9：去除掩膜胶；
步骤10：在制作好光子晶体图形的衬底上沉积硅材料，填充光子晶体孔洞；
步骤11：采用PECVD沉积工艺交替沉积若干层Si/SiO2薄膜层，制作分布布拉格反射层(DBR)，完成光子晶体陷光结构制作。
本发明提出了一种新型陷光结构，该结构是一种叠层结构底部反射器，由二维光子晶体和一维光子晶体(分布布拉格反射器DBR)组成。该结构既保证了光子晶体对太阳光的高无损耗反射，又可通过二维光子晶体衍射作用获得较大倾角的衍射光。当衍射角大于光子临界角时，在电池的上内表面会发生全反射，使光子重新回到电池吸收层，极大地延长了光子在电池内部的传播路径，增强了光子的吸收效率。
本发明以晶体硅太阳电池为例，可适用于任何薄膜太阳电池的陷光结构。形成高无损耗反射的原因是由于光子晶体会形成光子带隙，处于带隙频率的光子会在光子晶体表面发生无损耗全反射，二维光子晶体由于具有周期性分布，光子在其表面会发生衍射作用。
附图说明
图1是以金属作为背反射结构的薄膜太阳电池；
图2是具有光子晶体陷光结构的薄膜太阳电池示意图；
图3是二维光子晶体能带结构示意图；
图4是太阳电池光谱响应曲线；
图5是薄膜太阳电池I-V曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施案例，进一步阐述本发明。
如附图所示，本发明的一种以光子晶体为背陷光结构的薄膜太阳电池结构，是由薄膜太阳电池外延片、二维光子晶体结构和分布布拉格反射器结构组成。
上述以光子晶体作为陷光结构，增强薄膜太阳电池对光子吸收的方法如下：
步骤1：取一薄膜太阳电池所用的外延片，对外延片进行清洗，该外延片为Si-基薄膜太阳电池；
步骤2：利用简便的射频磁控溅射技术在Si基外延片上制备出ZnO:Al层作为透明导电极；
步骤3：在透明导电层上面用磁控溅射沉积一层厚度约为150nm厚的二氧化硅(SiO2)层；
步骤4：在二氧化硅外延层上悬涂光刻胶，旋转得到厚度为120nm左右的光刻胶层，方便后续刻蚀得到侧壁垂直的二维光子晶体图形；
步骤5：对光刻胶进行前烘，形成样品。
步骤6：采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶掩膜图形；图形尺寸大小周期为1微米左右，孔半径为0.35微米左右，深度为光刻胶的厚度120nm左右。
步骤7：对形成掩膜图形的样品进行后烘，以除去光刻胶中残余溶剂，提高光刻胶掩膜的抗刻蚀能力；
步骤8：采用反应离子刻蚀方法对样品进行干法刻蚀，将光刻胶上的图形转移至SiO2薄膜层上，通过调节刻蚀条件获得侧壁垂直光滑，大小均匀，孔深约为100nm的光子晶体；
步骤9：采用氧等离子气体去除SiO2表面残余的光刻胶；
步骤10：在制作好光子晶体图形SiO2层上用PECVD法沉积Si薄膜，填充光子晶体孔洞，形成以Si/SiO2为材料的二维光子晶体结构；
步骤11：采用PECVD沉积工艺交替沉积若干层Si/SiO2薄膜层，形成分布布拉格反射层(DBR)，完成光子晶体陷光结构制作。
本发明的主要创新点在于包含以下几个方面：
1、二维光子晶体参数的设计，光子晶体的周期，占空比及光子晶体的厚度是影响光子晶体结构对陷光强弱的重要因素。
2、对不同的薄膜电池材料及厚度，光子晶体的参数选择需要进行理论优化，以获得最优的吸收效率。
3、进行光子晶体制作时，掩膜的种类及掩膜厚度的选择是关键因素，需要选择能够满足高宽深比刻蚀的光刻胶。同时控制好反应离子刻蚀条件是获得孔洞大小均匀，侧壁垂直光滑的光子晶体的关键因素。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.增强薄膜太阳电池光子吸收效率的方法，其步骤如下：
步骤1：取一薄膜太阳电池所用的外延片，对外延片进行清洗；
步骤2：在电池的背表面热蒸发导电极；
步骤3：在导电极层上面外延沉积一层二氧化硅层；
步骤4：在二氧化硅外延层上悬涂光刻胶；
步骤5：对光刻胶进行前烘，形成样品；
步骤6：在光刻胶上制作二维光子晶体掩膜图形；
步骤7：对形成掩膜图形的样品进行后烘；
步骤8：对烘好的样品进行干法刻蚀，将光刻胶上光子晶体图形转移至二氧化硅上；
步骤9：去除掩膜胶；
步骤10：在制作好光子晶体图形的衬底上沉积硅材料，填充光子晶体孔洞；
步骤11：采用PECVD沉积工艺交替沉积若干层Si/SiO 2薄膜层，制作分布布拉格反射层(DBR)，完成光子晶体陷光结构制作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中是利用简便的射频磁控溅射技术在Si基外延片上制备出ZnO:Al层作为透明导电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3中是在透明导电层上面用磁控溅射沉积一层厚度为140-160nm厚的二氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中是在二氧化硅外延层上悬涂光刻胶，旋转得到厚度为110-130nm的光刻胶层，后续刻蚀得到侧壁垂直的二维光子晶体图形。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤6采用双光束干涉曝光设备，对样品两次曝光、显影，形成二维周期光刻胶掩膜图形；图形尺寸大小周期为0.8-1.1微米，孔半径为0.3-0.4微米，深度为光刻胶的厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤8采用反应离子刻蚀方法对样品进行干法刻蚀，将光刻胶上的图形转移至SiO 2薄膜层上，通过调节刻蚀条件获得侧壁垂直光滑，大小均匀，孔深约为80-120nm的光子晶体。
7.以光子晶体为背陷光结构的薄膜太阳电池结构，其特征在于由薄膜太阳电池外延片、二维光子晶体结构和分布布拉格反射器结构组成。
8.根据权利要求7所述的薄膜太阳电池结构，其特征在于所述二维光子晶体结构是由任何两种折射率不同材料制成的光子晶体。
9.根据权利要求8所述的薄膜太阳电池结构，其特征在于所述的分布布拉格反射器是由两种不同折射率材料交替制成，di＝λc/4ni，λ为中心波长，ni为材。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170926 |