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CN103035752B - 包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池，包括自下而上的金属背场与背电极、单晶硅基体、PN结有源层、抗反膜、及栅电极，其特征在于，所述抗反膜有若干层，自下而上的抗反膜的折射率逐渐减小。其制备方法是采用斜角入射物理沉积法，通过调整入射角度和沉积材料，生成多层折射率不同的抗反膜。本发明大大优化了硅太阳能电池的光吸收，从而提高了电池效率。这种方法不会损伤硅晶体本身的光伏特性，能够真正将多吸收的光转化为电能。提高光转化效率，将极大地推动太阳能电池产品的发展。

Description

包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种提高硅太阳能电池转化效率的办法，特别是包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池及其制备方法，属于半导体材料应用领域。
背景技术
影响太阳能电池效率的主要因素主要包括光学损失和电学损失。其中光学损失主要包括电池前表面接触栅线的阴影损失，表面的反射损失以及长波段的非吸收损失.太阳光入射时，裸硅表面有高达30％以上的反射率，这会大大增加电池的光学损失。单层的氮化硅钝化和酸碱进行的硅片表面织构化结合是常见的工业上的制作方式，但是这种抗反膜只在很窄的光谱范围和很小的角度范围内能把反射率降得比较低。近年来，亚波长纳米结构制作的抗反膜引起了越来越多的关注。这种结构的特色是能在宽光谱范围和很大的角度范围内实现极低的反射率。但是这种方法的主要需要解决的是两方面问题：一方面是方法是否与现有的硅太阳能电池流程兼容，二是这种方法的成本如何。
发明内容
本发明为克服以上不足而提供一种包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池，包括自下而上的金属背场与背电极、单晶硅基体、PN结有源层、抗反膜、及栅电极，其中，所述抗反膜有若干层，自下而上的抗反膜的折射率逐渐减小。
优选地，抗反膜为纳米结构的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成。
优选地，抗反膜有2至5层。
优选地，每层抗反膜纳米棒的直径在10-200nm之间，孔隙率在0.1-0.9之间。
优选地，TiO2膜的反射率为2.7到1.3之间，SiO2膜的反射率为1.46-1.05之间。
本发明的另一个目的还在于，提供了一种包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池的制备方法，包括斜角入射物理沉积法生成抗反膜，其特征在于，用以下方法在PN结有源层上依次沉积若干层抗反膜：
步骤1：将含有PN结有源层的单晶硅基体固定，调整蒸发源的入射方向与PN结有源层的沉积表面形成一倾斜入射角；
步骤2：在20-100度的温度下，以0.1nm/s-1nm/s的速率将TiO2或SiO2沉积于PN结有源层上形成抗反膜。
优选地，抗反膜为纳米结构的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成。
优选地，抗反膜有2至5层。
优选地，每层抗反膜纳米棒的直径在10-200nm之间，孔隙率在0.1-0.9之间；TiO2膜的反射率为2.7到1.3之间，SiO2膜的反射率为1.46-1.05之间。
优选地，入射角度在10-89度之间。
本发明采用斜角入射沉积的方法，制备的这种包含有多层反射率渐变的多孔隙纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池，大大优化了硅太阳能电池的光吸收，从而提高了电池效率。与一些其他的典型纳米技术如黑硅或纳米多孔硅技术相比，这种方法不会损伤硅晶体本身的光伏特性，能够真正将多吸收的光转化为电能。提高光转化效率，将极大地推动太阳能电池产品的发展。该制备方法还具备以下优点：1)对纳米结构的生产工艺流程高度灵活可控，所生产的纳米结构具有高度的均一性和重现性；2)方法基于热沉积镀膜，基本不受材料的限制。3)工艺流程简单，可在一次工艺流程完成多层复杂有序纳米结构如柱状、S形、螺旋形、之字形等的制备生产，可以实现批量生产，成本也并不高。4)与现有的其他硅太阳能电池工艺完全兼容，不需要额外的设备和成本。
附图说明
图1是本发明实施例晶体硅太阳能电池结构示意图。
图2是本发明实施例多层反射率渐变的纳米结构抗反膜的结构示意图。
图3是本发明实施例斜角入射物理沉积方法应用的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图用实施例对本发明进一步说明。
本发明实施例的目的在于制作纳米结构的抗反膜以降低反射率，提高太阳能电池的光电转化效率而提供这种晶体硅太阳能电池及制作方法。这种纳米结构的抗反膜能在宽光谱和广角度范围内实现极低的反射率。本实施例使用斜角入射物理沉积的方法，工艺简单，成本较低，且工艺与现有的硅太阳能电池流程完全兼容。
以上所述晶体硅太阳能电池结构如图1所示，自下而上分别是金属背场与背电极3、P型单晶硅基体1、N型有源层2、抗反膜4及栅电极5，其中，P型单晶硅基体1和N型有源层2之间形成PN结，特别是，抗反膜有多层，而且自下而上的各层抗反膜的折射率逐渐减小。通常抗反膜是TiO2膜或SiO2膜，见图2，分别有5层抗反膜，即a至e层，自下而上，第一层a为折射率2.03的纳米结构TiO2，第二层b为折射率1.95的纳米结构TiO2，第三层c为折射率为1.65的纳米结构TiO2，第四层d为折射率1.26的SiO2，第五层e为折射率1.05的SiO2，而且，每一层的纳米棒的直径要求在10-200nm之间，孔隙率在0.1-0.9之间。这样，纳米结构孔隙率和折射率都从上到下逐层递增，大大提升了抗反膜的优化效果，从而实现了宽光谱和大角度范围的全面抗反。基于以上分析，各层抗反膜可以选取TiO2单一构成，或由TiO2和SiO2混合而成的二到五层纳米结构膜，其中TiO2的反射率为2.7到1.3之间，SiO2的反射率为1.46-1.05之间。其中每层抗反膜的纳米结构孔隙率自下而上逐层递减，从而折射率也自下而上逐层递减，且分布在1.05-2.7之间。
以上实施例晶体硅太阳能电池结构的制备方法，参见图3，采用斜角入射物理沉积法。其原理是通过控制带有PN结的基片相对于入射气流的入射方向形成一倾斜角度，这样形成的纳米柱状结构之间就有一定的孔隙。而每一层抗反膜对应不同的倾斜角，则每一层抗反膜的纳米结构孔隙率不同。我们采用每一层反射率自下而上逐层递增的入射角，则孔隙率自下而上逐层递减，从而反射率自下而上也逐层递减。图3中的1为含有PN结有源层的单晶硅基体，6为沉积的材料，α为入射角，7为抗反膜微观结构中的纳米柱。
具体操作步骤是：自下而上，第一层a抗反膜沉积材料为TiO2，工作真空度为1e-6托，入射角为24度，即与垂直线呈24度角入射(下同)，沉积速度为0.2nm/s，沉积时间为400s，厚度为80nm，折射率为2.03。
第二层b抗反膜沉积材料为TiO2，工作真空度为1e-6托，入射角为39度，沉积速度为0.2nm/s，沉积时间为400s，厚度为80nm，折射率为1.95。
第三层c抗反膜沉积材料为TiO2，工作真空度为1e-6托，入射角为64度，沉积速度为0.2nm/s，沉积时间为500s，厚度为100nm，折射率为1.65。
第四层d抗反膜沉积材料为SiO2，工作真空度为1e-6托，入射角为反向68度，沉积速度为0.4nm/s，沉积时间为375s，厚度为150nm，折射率为1.26。
第五层e抗反膜沉积材料为SiO2，工作真空度为1e-6托，入射角为反向86度，沉积速度为0.4nm/s，沉积时间为575s，厚度为230nm，折射率为1.05。
本发明的主要原理是，采用斜角入射物理沉积的方法，通过控制基片相对于入射气流的倾斜角度和方向来控制材料在基片表面沉积成型的形态。对于正常的沉积方式，原子分子会在整个平面较均匀地沉积，而当倾斜沉积入射角度以后，会导致原子分子在某个倾斜的方向聚集的多，形成一个类似于树荫的结构，时间一长，“树荫”遮蔽下的区域就不会有原子分子沉积，“树荫”则会越长越长，成为周期型的纳米结构。而对每一层材料采用不同的倾斜入射角度，就会得到不同的纳米结构的孔隙率。周期性的多孔隙纳米结构，会使得该层材料的等效折射率比同样的正常材料低，而变更孔隙率，就使折射率在一定范围内持续可调，达到我们的折射率需求。具体说来，就是采用从下到上每一层逐层递增的入射角，则孔隙率从下到上逐层递减，从而反射率从下到上也逐层递减。传统的单层抗反膜的折射率只能匹配单个波长和很小入射角范围，而本发明这种多层的，每层折射率从下到上逐层递减的结构，则可以大大提升抗反膜的优化效果，实现宽光谱和大角度范围的全面抗反。
斜角入射物理沉积法的主要优点是他克服了其它纳米材料制备生长工艺的局限性。例如，化学方法通常步骤冗长、对反应条件(温度、气压、酸度等)要求苛刻。而基于模板刻蚀(电子束/激光束微刻)的方法设备昂贵，目前无法进行大规模生产。而斜角入射物理沉积法技术是制备高度可控的纳米孔隙和纳米结构薄膜的一种强有力的方法。
本实施例以P型单晶硅基体和N型有源层为例，同理，也可以是N型单晶硅基体1和P型有源层的单晶硅太阳能电池结构，其制备方式和所达到的发明效果相同。
以上虽然是本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (5)

1.一种包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池，包括自下而上的金属背场与背电极、单晶硅基体、PN结有源层、抗反膜、及栅电极，其特征在于，所述抗反膜有若干层，自下而上的抗反膜的折射率逐渐减小；其中，所述抗反膜为纳米结构的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成；
其中，每层抗反膜纳米结构的直径在10-200nm之间，孔隙率在0.1-0.9之间；
其中，所述TiO2膜的反射率为2.7到1.3之间，SiO2膜的反射率为1.46-1.05之间。
2.根据权利要求1所述的包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述抗反膜有2至5层。
3.一种包含纳米结构抗反膜的晶体硅太阳能电池的制备方法，包括斜角入射物理沉积法生成抗反膜，其特征在于，用以下方法在PN结有源层上依次沉积若干层抗反膜：
步骤1：将含有PN结有源层的单晶硅基体固定，调整蒸发源的入射方向与PN结有源层的沉积表面形成一倾斜入射角；
步骤2：在20-100度的温度下，以0.1nm/s-1nm/s的速率将TiO2或SiO2沉积于PN结有源层上形成抗反膜；
其中，所述抗反膜为纳米结构的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成；
其中，每层抗反膜纳米结构的直径在10-200nm之间，孔隙率在0.1-0.9之间；所述TiO2膜的反射率为2.7到1.3之间，SiO2膜的反射率为1.46-1.05之间。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抗反膜有2至5层。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述入射角度在10-89度之间。
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