增強薄膜太陽電池光子吸收效率的方法以及薄膜太陽電池結構與流程

2023-12-10 11:28:53 1

本發明涉及一種提高薄膜太陽電池光子吸收效率的方法，具體涉及以二維光子晶體和一維光子晶體(分布布拉格反射器dbr)為作為薄膜太陽電池的背面陷光結構，通過光子晶體對光的反射及衍射作用提高光子在薄膜太陽電池吸收層內的傳播路徑，從而提高薄膜太陽電池的光電轉換效率。

背景技術：

薄膜太陽電池由於低的原材料成本且成熟的製造技術一直受到光伏領域的青睞。然而，薄膜太陽電池的轉換效率遠低於體矽太陽電池，一個重要的原因在於薄膜太陽電池具有較薄的吸收層，對光子的吸收較弱，特別是對紅外－近紅外長波光子的吸收較弱。以單晶矽為例，波長為800nm的太陽光對應的吸收長度為10um，當波長為1000nm時，對應的吸收長度高達3mm。顯然，具有微納厚度的薄膜太陽電池(厚度一般約為2-10um)無法吸收這部分光子。然而這個波長範圍包含了超過36％的能量大於帶隙寬度的太陽光子，這部分光子透過電池底部直接逸出，極大地降低了太陽電池的光電轉換效率。解決這個問題的關鍵是在電池的背表面設計一種能夠延長光子在吸收層內傳播路徑的陷光結構。目前而言，解決這個問題的一般方法是在電池的背面構造一個金屬銀絨面背反射器，可以使穿過電池吸收層沒有被有效吸收的長波光子反射回吸收層進行二次吸收，提高光子在吸收層的傳播路徑，從而提高電池的轉換效率。然而，金屬絨面反射器僅僅實現光子雙倍光程有限吸收，同時還會遭受表面等離子模式本徵損失，而這種損失在長波範圍內表現得更為劇烈，因此該方法陷光作用十分有限。其陷光作用如附圖1所示。

技術實現要素：

本發明針對現有技術存在的光子在矽材料內的傳播路徑有限；部分光子會透過背反射結構直接從電池底部逸出的兩個問題，提供一種增強薄膜太陽電池光子吸收效率的方法以及薄膜太陽電池結構，既保證了光子晶體對光子的高反射作用，又可通過二維光子晶體衍射作用獲得較大傾角的衍射光

為達到上述目的，本發明採取如下技術方案：一種增強薄膜太陽電池光子吸收效率的方法，

步驟1：取一薄膜太陽電池所用的外延片，對外延片進行清洗；

步驟2：在電池的背表面熱蒸發導電極；

步驟3：在導電極層上面外延沉積一層二氧化矽層；

步驟4：在二氧化矽外延層上懸塗光刻膠；

步驟5：對光刻膠進行前烘，形成樣品；

步驟6：在光刻膠上製作二維光子晶體掩膜圖形；

步驟7：對形成掩膜圖形的樣品進行後烘；

步驟8：對烘好的樣品進行幹法刻蝕，將光刻膠上光子晶體圖形轉移至二氧化矽上；

步驟9：去除掩膜膠；

步驟10：在製作好光子晶體圖形的襯底上沉積矽材料，填充光子晶體孔洞；

步驟11：採用pecvd沉積工藝交替沉積若干層si/sio2薄膜層，製作分布布拉格反射層(dbr)，完成光子晶體陷光結構製作。

本發明提出了一種新型陷光結構，該結構是一種疊層結構底部反射器，由二維光子晶體和一維光子晶體(分布布拉格反射器dbr)組成。該結構既保證了光子晶體對太陽光的高無損耗反射，又可通過二維光子晶體衍射作用獲得較大傾角的衍射光。當衍射角大於光子臨界角時，在電池的上內表面會發生全反射，使光子重新回到電池吸收層，極大地延長了光子在電池內部的傳播路徑，增強了光子的吸收效率。

本發明以晶體矽太陽電池為例，可適用於任何薄膜太陽電池的陷光結構。形成高無損耗反射的原因是由於光子晶體會形成光子帶隙，處於帶隙頻率的光子會在光子晶體表面發生無損耗全反射，二維光子晶體由於具有周期性分布，光子在其表面會發生衍射作用。

附圖說明

圖1是以金屬作為背反射結構的薄膜太陽電池；

圖2是具有光子晶體陷光結構的薄膜太陽電池示意圖；

圖3是二維光子晶體能帶結構示意圖；

圖4是太陽電池光譜響應曲線；

圖5是薄膜太陽電池i-v曲線。

具體實施方式

下面結合具體實施案例，進一步闡述本發明。

如附圖所示，本發明的一種以光子晶體為背陷光結構的薄膜太陽電池結構，是由薄膜太陽電池外延片、二維光子晶體結構和分布布拉格反射器結構組成。

上述以光子晶體作為陷光結構，增強薄膜太陽電池對光子吸收的方法如下：

步驟1：取一薄膜太陽電池所用的外延片，對外延片進行清洗，該外延片為si-基薄膜太陽電池；

步驟2：利用簡便的射頻磁控濺射技術在si基外延片上製備出zno:al層作為透明導電極；

步驟3：在透明導電層上面用磁控濺射沉積一層厚度約為150nm厚的二氧化矽(sio2)層；

步驟4：在二氧化矽外延層上懸塗光刻膠，旋轉得到厚度為120nm左右的光刻膠層，方便後續刻蝕得到側壁垂直的二維光子晶體圖形；

步驟5：對光刻膠進行前烘，形成樣品。

步驟6：採用雙光束幹涉曝光設備，對樣品兩次曝光、顯影，形成二維周期光刻膠掩膜圖形；圖形尺寸大小周期為1微米左右，孔半徑為0.35微米左右，深度為光刻膠的厚度120nm左右。

步驟7：對形成掩膜圖形的樣品進行後烘，以除去光刻膠中殘餘溶劑，提高光刻膠掩膜的抗刻蝕能力；

步驟8：採用反應離子刻蝕方法對樣品進行幹法刻蝕，將光刻膠上的圖形轉移至sio2薄膜層上，通過調節刻蝕條件獲得側壁垂直光滑，大小均勻，孔深約為100nm的光子晶體；

步驟9：採用氧等離子氣體去除sio2表面殘餘的光刻膠；

步驟10：在製作好光子晶體圖形sio2層上用pecvd法沉積si薄膜，填充光子晶體孔洞，形成以si/sio2為材料的二維光子晶體結構；

步驟11：採用pecvd沉積工藝交替沉積若干層si/sio2薄膜層，形成分布布拉格反射層(dbr)，完成光子晶體陷光結構製作。

本發明的主要創新點在於包含以下幾個方面：

1、二維光子晶體參數的設計，光子晶體的周期，佔空比及光子晶體的厚度是影響光子晶體結構對陷光強弱的重要因素。

2、對不同的薄膜電池材料及厚度，光子晶體的參數選擇需要進行理論優化，以獲得最優的吸收效率。

3、進行光子晶體製作時，掩膜的種類及掩膜厚度的選擇是關鍵因素，需要選擇能夠滿足高寬深比刻蝕的光刻膠。同時控制好反應離子刻蝕條件是獲得孔洞大小均勻，側壁垂直光滑的光子晶體的關鍵因素。

以上僅是本發明的優選實施方式，並不用於限制本發明，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。