CN110190138B - 多晶硅太阳电池光吸收增强结构、多晶硅太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶硅太阳电池光吸收增强结构、多晶硅太阳电池及其制备方法，该光吸收增强结构包括依次层叠的多晶硅绒面结构、介质纳米薄膜以及介质纳米小球，其中，所述介质纳米薄膜位于所述多晶硅绒面结构的绒面一侧，所述介质纳米小球单层分布于所述介质纳米薄膜的表面。该介质纳米小球对入射光角度不敏感，在宽广谱范围内能够对太阳光进行前向散射，增强电池对光的捕获，且介质纳米小球与介质纳米薄膜的配合使用，弥补了现有微米尺度绒面结构技术的光捕获能力较弱的劣势。另外，本发明的单层介质纳米小球集成方法简单，与现有的多晶硅绒面技术兼容性好，能够实现多晶硅太阳电池效率的有效提升。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，尤其涉及一种多晶硅太阳电池光吸收增强结构、多晶硅太阳电池及其制备方法。
背景技术
晶体硅太阳电池作为一种主要的光伏技术具有极其重要的地位和许多广泛的应用场景，比如居民建筑供电，太阳能发电站，路灯供电，自驱动显示等等。晶体硅材料分为单晶硅和多晶硅，其中多晶硅由于其制造成本低，性价比高从而在光伏市场中占据着主导的地位。然而多晶硅电池由于表面不同取向的晶向，难以像单晶硅电池一样采用碱性化学溶液刻蚀的方法来实现金字塔形状的高效陷光结构。通常，多晶硅利用酸性溶液进行表面刻蚀，在硅表面形成一些类似蜂窝状的绒面结构达到对太阳光的捕获和陷光，其性能远远不及单晶硅电池的金字塔结构，造成其光电转换效率往往低于单晶硅电池。目前的多晶硅电池通过在多晶硅绒面上面蒸镀一层介质纳米薄膜，利用绒面结构对光的多次反射和介质膜的干涉效应实现对于太阳光反射的降低和吸收的增强。
纳米结构提供了一种有效的太阳光捕获和陷光方案。目前的基于纳米结构的方案主要包括金属纳米结构和介质纳米结构。利用纳米结构中的光学模式干涉或者与太阳电池吸收层的耦合能够降低对于太阳光的反射和增加入射光的入射角，从而提高太阳光在电池吸收层中的光程，有效提升电池效率。然而金属纳米结构由于其光学吸收损耗大，材料成本高，对电池材料复合有较大影响，从而不适用于实际应用。同时目前的纳米结构主要应用于平面太阳电池上，能够起到明显的降低反射和增强近红外光的吸收。而在绒面电池表面，特别是多晶硅的微米尺度的绒面结构上，并且具有减反射薄膜情况下还未有有效的纳米增强技术方案。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是：提供多晶硅太阳电池光吸收增强结构、多晶硅太阳电池及其制备方法，以提升现有的多晶硅太阳电池光电转换效率。基于此目的，本发明至少提供如下技术方案：
多晶硅太阳电池光吸收增强结构，其包括，依次层叠的多晶硅绒面结构、介质纳米薄膜以及介质纳米小球，其中，所述介质纳米薄膜位于所述多晶硅绒面结构的绒面一侧，所述介质纳米小球单层分布于所述介质纳米薄膜的表面，所述介质纳米小球的直径为纳米量级，所述介质纳米薄膜在太阳光谱范围内的折射率为1.7～2.7，所述介质纳米小球在太阳光谱范围内的折射率为1.4～2.0，所述介质纳米小球的折射率低于所述介质纳米薄膜的折射率。
进一步的，所述介质纳米小球为聚苯乙烯小球或者二氧化硅小球；所述介质纳米薄膜的厚度为1～100nm。
进一步的，所述介质纳米薄膜的材料为氧化铝、氮化硅以及二氧化钛中的至少一种。
进一步的，所述介质纳米薄膜为氮化硅单层薄膜，所述氮化硅单层薄膜的厚度约为80nm，所述氮化硅单层薄膜的折射率为1.9～2.2；或者所述介质纳米薄膜为氧化铝/氮化硅、氮化硅/二氧化钛或者氧化铝/二氧化钛的双层结构的介质纳米薄膜，且远离所述多晶硅绒面结构的介质纳米薄膜的折射率低于靠近所述多晶硅绒面结构的介质纳米薄膜的折射率。
进一步的，所述多晶硅绒面结构为通过化学刻蚀方法在多晶硅表面刻蚀形成的特征尺寸为微米量级的凹凸起伏状结构。
进一步的，所述介质纳米小球的直径为100nm～900nm。
多晶硅太阳电池，该多晶硅太阳电池包括上述多晶硅太阳电池光吸收增强结构。
多晶硅太阳电池光吸收增强结构的制备方法，其包括，
在多晶硅太阳电池的表面制备微米级多晶硅绒面结构；
在所述多晶硅绒面结构表面制备介质纳米薄膜；
在所述介质纳米薄膜的表面形成单层介质纳米小球；
其中，所述单层介质纳米小球的折射率小于所述介质纳米薄膜的折射率。
进一步的，采用溶液抽滤法在所述介质纳米薄膜的表面形成单层介质纳米小球：将制备完介质纳米薄膜的多晶硅太阳电池置于水溶液中，将介质纳米小球通过自组装的方式在上述水溶液界面形成单层分布的纳米薄膜；将上述水溶液从上述多晶硅太阳电池的表面抽离，以将上述单层分布的纳米薄膜转移至多晶硅太阳电池的介质纳米薄膜表面。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明通过在多晶硅绒面结构上形成单层的介质纳米小球分布，能够明显提升现有多晶硅电池的光捕获能力，从而提高其光电转换效率，并且与现有的微米尺度的绒面结构具有较大的兼容性。
(2)本发明中的介质纳米小球对入射光角度不敏感，能够在大角度范围内实现对太阳光的有效捕获，通过对介质纳米小球以及介质纳米薄膜折射率的设置，弥补了现有减反射薄膜和绒面技术的角度依赖性劣势，从而增强了多晶硅太阳电池的光吸收。
(3)本发明采用工艺简单的溶液抽滤方法将介质纳米小球转移至多晶硅绒面结构上，该集成方法简单、速度快、稳定性好，且与多晶硅绒面技术兼容性非常好，不需要对现有的电池制造工艺做改进，只需要在现有工艺流程中加入该集成工艺即可实现电池效率的提升，且该集成工艺使用面积大，速度。
(4)本发明所采用的介质纳米小球相比较于金属纳米颗粒而言，其材料普通、无毒、成本低廉，具有本征吸收损耗小，前向散射光谱范围广等优点，总体上成本低，易于生产。
附图说明
图1是本发明的多晶硅太阳电池光吸收增强结构的示意图及其光吸收增强结构的表面扫描电子显微镜图。
图2是本发明实施例中多晶硅电池在集成介质纳米小球之后的性能测试图。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
集成了本发明光吸收增强结构的多晶硅太阳电池结构如图1所示，该多晶硅太阳电池光吸收增强结构包括了依次层叠的多晶硅绒面结构、介质纳米薄膜以及纳米介质小球，介质纳米薄膜作为减反射薄膜位于多晶硅绒面结构的绒面一侧，由该图可知，介质纳米小球单层分布于介质纳米薄膜的表面，介质纳米小球为聚苯乙烯小球或者是二氧化硅小球，介质纳米小球的直径为100nm～900nm，介质纳米小球在太阳光谱范围内的折射率为1.4～2.0，在宽光谱范围内能够对太阳光进行前向散射，增强电池对光的捕获，并且不依赖于基底材料。介质纳米薄膜为单层的介质纳米薄膜或双层结构的介质纳米薄膜，介质纳米薄膜的厚度为1～100nm。介质纳米薄膜的材料为氮化硅、二氧化硅或者是二氧化钛中的至少一种，介质纳米薄膜在太阳光谱范围内的折射率为1.7～2.7，介质纳米小球的折射率低于介质纳米薄膜的折射率，介质纳米小球与减反射薄膜的配合使用，弥补了现有微米尺度绒面结构技术的光捕获能力较弱的劣势。
该实施例中，介质纳米小球优选直径为520nm的聚苯乙烯小球。介质纳米薄膜为单层时，优选氮化硅单层薄膜，氮化硅单层薄膜的厚度约为80nm，该80nm对应氮化硅介质纳米薄膜的最佳减反射厚度，同时其折射率位于1.9-2.2之间，520nm的聚苯乙烯小球的折射率在1.6左右，小于氮化硅薄膜的折射率。
介质纳米薄膜为双层结构时，介质纳米薄膜为氧化铝/氮化硅、氮化硅/二氧化钛或者氧化铝/二氧化钛双层结构的介质纳米薄膜，其中，双层结构的介质纳米薄膜中，远离多晶硅绒面的介质纳米薄膜的折射率低于靠近多晶硅绒面的介质纳米薄膜，且介质纳米小球的折射率小于远离多晶硅绒面的介质纳米薄膜的折射率。
本发明中的多晶硅绒面结构是通过化学刻蚀方法在多晶硅表面刻蚀形成的特征尺寸为微米量级的凹凸起伏状结构，本实施例中所选用的多晶硅太阳电池为商业标准的硝酸刻蚀绒面结构，为硝酸溶液刻蚀形成的不规则凹凸状的蜂窝结构。
介质纳米小球可以通过旋涂法、提拉法或溶液抽滤法集成于介质纳米薄膜的表面，本实施例优选溶液抽滤法来实现纳米小球的集成。首先在多晶硅太阳电池的多晶硅绒面结构表面制备介质纳米薄膜，将制备完介质纳米薄膜的多晶硅太阳电池放置于盛有水溶液的玻璃器皿底部，然后将直径为520nm的聚苯乙烯小球通过自组装的方式在水溶液界面上形成单层分布的纳米薄膜，接着将水溶液缓慢地通过吸管抽离，从而将纳米小球薄膜转移至多晶硅太阳电池的表面，之后电池置于空气中等待水分蒸发晾干，即可完成器件的制备。
通过对集成纳米小球的多晶硅电池进行光谱反射，量子效率曲线和电流电压伏安特性曲线表征如图2所示，可以看到集成介质小球之后多晶硅电池效率具有明显的提升。本例中未集成纳米小球的电池量子效率在700nm左右的波段达到最大值，这是由于介质纳米薄膜的减反射作用，在特定波段实现反射损失最小，对应量子效率最大。集成纳米小球后，太阳光与纳米小球进行相互作用，激发起纳米小球中的电磁模式。由于介质纳米小球的折射率相对较低，使得电偶极子模式展宽，从而在宽广谱的范围与其它模式进行干涉，从而减小背向散射增加前向散射，最终增强太阳电池对于光的宽带捕获能力。同时由于介质纳米小球的散射特性，使得入射光进入到太阳电池层中形成大角度入射，这有利于太阳光在电池吸收层中多次传播，增强其光程，进而增加近红外弱吸收光子的吸收能力。综合上述两种机制最终使得多晶硅电池的量子效率曲线提升，尤其是在短波段和长波段量子效率提升比较明显。
通过所选用的介质纳米小球能够明显看到电池短路电流密度从34.3mA/cm2提升到35.2mA/cm2，对应的电池效率从15.39％提升到15.80％。电流的提升和量子效率曲线的增强保持了一致性，证实了结果的可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.多晶硅太阳电池光吸收增强结构，其特征在于，其包括，依次层叠的多晶硅绒面结构、介质纳米薄膜以及介质纳米小球，其中，所述介质纳米薄膜位于所述多晶硅绒面结构的绒面一侧，所述介质纳米小球单层分布于所述介质纳米薄膜的表面，所述介质纳米小球的直径为纳米量级，所述介质纳米薄膜的材料为氧化铝、氮化硅以及二氧化钛中的至少一种，所述介质纳米薄膜在太阳光谱范围内的折射率为1.7～2.7，所述介质纳米小球在太阳光谱范围内的折射率为1.4～2.0，所述介质纳米小球的折射率低于所述介质纳米薄膜的折射率。
2.根据权利要求1的所述多晶硅太阳电池光吸收增强结构，其特征在于，所述介质纳米小球为聚苯乙烯小球或者二氧化硅小球；所述介质纳米薄膜的厚度为1～100nm。
3.根据权利要求1的所述多晶硅太阳电池光吸收增强结构，其特征在于，所述介质纳米薄膜为氮化硅单层薄膜，所述氮化硅单层薄膜的厚度为80nm，所述氮化硅单层薄膜的折射率为1.9～2.2；或者所述介质纳米薄膜为氧化铝/氮化硅、氮化硅/二氧化钛或者氧化铝/二氧化钛的双层结构的介质纳米薄膜，且远离所述多晶硅绒面结构的介质纳米薄膜的折射率低于靠近所述多晶硅绒面结构的介质纳米薄膜的折射率。
4.根据权利要求1、2或3的所述多晶硅太阳电池光吸收增强结构，其特征在于，所述多晶硅绒面结构为通过化学刻蚀方法在多晶硅表面刻蚀形成的特征尺寸为微米量级的凹凸起伏状结构。
5.根据权利要求1、2或3的所述多晶硅太阳电池光吸收增强结构，其特征在于，所述介质纳米小球的直径为100nm～900nm。
6.多晶硅太阳电池，其特征在于，该多晶硅太阳电池包括权利要求1-5之一的所述多晶硅太阳电池光吸收增强结构。
7.多晶硅太阳电池光吸收增强结构的制备方法，其特征在于，其包括，
在多晶硅太阳电池的表面制备微米级多晶硅绒面结构；
在所述多晶硅绒面结构表面制备介质纳米薄膜；
在所述介质纳米薄膜的表面形成单层介质纳米小球，所述介质纳米薄膜的材料为氧化铝、氮化硅以及二氧化钛中的至少一种；
其中，所述单层介质纳米小球的折射率小于所述介质纳米薄膜的折射率。
8.根据权利要求7的所述制备方法，其特征在于，采用溶液抽滤法在所述介质纳米薄膜的表面形成单层介质纳米小球：将制备完介质纳米薄膜的多晶硅太阳电池置于水溶液中，将介质纳米小球通过自组装的方式在上述水溶液界面形成单层分布的纳米薄膜；将上述水溶液从上述多晶硅太阳电池的表面抽离，以将上述单层分布的纳米薄膜转移至多晶硅太阳电池的介质纳米薄膜表面。
9.根据权利要求7或8的所述制备方法，其特征在于，所述介质纳米小球为聚苯乙烯小球或者二氧化硅小球，所述介质纳米小球的直径为100nm～900nm。
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