一種提高矽薄膜太陽電池光電流的方法
2023-10-23 20:49:12 3
專利名稱：一種提高矽薄膜太陽電池光電流的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高矽薄膜太陽電池光電流的方法，屬於光伏技術領域。
背景技術：
在光伏領域中，為提高矽薄膜太陽電池的短路電流，人們常採用光陷阱技術增加光在電池中的路程。目前的光陷阱技術主要採用絨面結構的前電極或電池背面的背反射器，這種技術的最大特點是透明電極具有一定的織構，因此可起到陷光作用。但這種技術也存在著很大的缺陷:(I)透明電極的織構多採用溼法刻蝕形成，不僅需要腐蝕性較強的強酸，而且工藝條件不易控制；(2)這種織構或絨面結構的薄膜上生長的電池有源層的缺陷態密度較大，從而導致電池的開路電壓和填充因子降低；(3)由於織構而導致的表面積的增大會增加載流子的表面複合；(4)起到陷光效應的光波段是固定的，不能與有源層的禁帶寬度進行匹配。
發明內容
為解決目前矽薄膜太陽電池光陷阱技術的不足，本發明提供一種新型銅納米顆粒表面等離激元陷光技術，製備工藝與薄膜電池的電極工藝完全兼容，克服了由於溼法刻蝕而帶來的工藝複雜且不易控制的問題；同時也解決了由於織構而導致的載流子表面複合、有源層缺陷態密度增大的問題；除此之外，還可通過調節銅顆粒表面等離激元的共振頻率，調節其陷光波段，因此可靈活地與電池有源層禁帶寬度進行匹配，進而有效地提高太陽電池的光電流。
本發明涉及一種利用新型銅納米顆粒表面等離激元提高矽薄膜太陽電池短路電流的方法。所採用的技術方案是 第一，以透明導電玻璃為襯底，在磁控濺射真空腔體內沉積島狀銅膜，腔體的本底真空為5*10_4Pa或更高，氣源採用氬氣，銅模的的厚度及微結構通過濺射過程中的氣體壓強、功率密度、襯底溫度及沉積時間進行調控；第二，將銅島膜進行真空原位退火形成銅納米顆粒陣列，銅納米顆粒的形態可以是球形，橢球形，圓柱形或稜柱形，其密度及顆粒尺寸可由銅膜厚度、退火溫度及退火時間來控制，無需光刻工藝；第三，退火完畢後，在同一腔體內沉積5-10nm的氧化鋅薄膜；第四，利用化學氣相沉積法製備常規PIN結；第五，再次利用磁控濺射系統製備銅納米陣列，基本同二和三；第六，在同一腔體內沉積常規鋁電極。本發明的有益效果是(I)克服了由於溼法刻蝕而帶來的工藝複雜且不易控制的問題；(2)無需採用光刻工藝，因此成本低；(3)解決了由於織構而導致的載流子表面複合、有源層缺陷態密度增大的問題；(4)可通過調節銅顆粒表面等離激元的共振頻率，調節其陷光波段，因此可靈活地與電池有源層禁帶寬度進行匹配，進而有效地提高太陽電池的光電流。
下面，結合附圖和實施例對本發明做進一步說明附圖是應用銅納米顆粒表面等離激元後的太陽電池的縱剖面圖1.透明導電玻璃襯底，作為太陽電池的一個電極；2.銅納米顆粒陣列，其形態可以為球形，橢球形，圓柱形及稜柱形；3.極薄的高阻氧化鋅薄膜4.常規 PIN 結；5.銅納米顆粒陣列，其形態可以為球形，橢球形，圓柱形及稜柱形；6.常規鋁電極。
具體實施例方式如圖1，以透明導電玻璃(I)為襯底，在磁控濺射真空腔體內沉積銅島膜，具體工藝參數如下:本底真空為5*10_4Pa或更高，銅靶純度為99.99%以上，氣體採用純度為99.999%的氬氣，沉積氣壓在0.8Pa-3Pa之間，襯底溫度為150°C -200°C，沉積時間為10S-30S，薄膜厚度為15nm-30nm。將製備完成後的銅島膜在同一真空腔體內進行原位退火，退火溫度維持在300°C _400°C，退火時間為1.5-3小時，形成銅納米顆粒陣列(2)，其尺寸在15-30nm之間，其形態可以為球形、橢球形、圓柱形或稜柱形，可根據需要通過延長退火時間增加顆粒間距。退火完畢後抽真空10-20分鐘，使腔體內真空度達到5*10_4Pa或更高，在銅納米陣列上沉積高阻氧化鋅薄膜(3)，靶材採用純度為99.99%以上的氧化鋅靶，氣體採用純度為99.999%的氬氣，沉積氣壓在l-2Pa左右，襯底溫度為200°C左右，氧化鋅薄膜的厚度在5-8nm。然後將樣品從腔體取出，利用化學氣相沉積法製備常規PIN結(4)。PIN結上面製備銅納米顆粒陣列(5)，製備方法基本與(2)同，但顆粒尺寸應在15nm-60nm之間。銅納米陣列(2)與(5)可激發表面等離激元，表面等離激元的共振頻率可通過調節顆粒尺寸及密度進行調控，進而可與有源層的禁帶寬度(1.2-1.7eV)進行優化匹配。最後在同一磁控濺射腔體內製備常規鋁電極(6)。
權利要求
1.本發明涉及一種利用新型銅納米顆粒表面等離激元提高矽薄膜太陽電池短路電流的方法。其工藝流程是:第一，以透明導電玻璃為襯底，在磁控濺射真空腔體內沉積島狀銅膜，腔體的本底真空為5*10_4Pa或更高，氣源採用氬氣，銅模的的厚度及微結構通過濺射過程中的氣體壓強、功率密度、襯底溫度及沉積時間進行調控；第二，將銅島膜進行真空原位退火形成銅納米顆粒陣列，銅納米顆粒的形態可以是球形，橢球形，圓柱形或稜柱形，其密度及顆粒尺寸可由銅膜厚度、退火溫度及退火時間來控制，無需光刻工藝；第三，退火完畢後，在同一腔體內沉積5-10nm的高阻氧化鋅薄膜；第四，利用化學氣相沉積法製備常規PIN結；第五，再次利用磁控濺射系統製備銅納米陣列；第六，在同一腔體內沉積常規鋁電極。
2.根據權利要求1中所述的方法，其特徵是以銅納米顆粒陣列激發表面等離激元，顆粒形態可以為球形，橢球形，稜柱形和圓柱形，表面等離激元分別位於矽薄膜太陽電池的兩個電極；
3.根據權利要求1中所述的方法，其特徵是在磁控濺射真空腔體內沉積銅膜，然後進行原位退火形成銅納米顆粒陣列，無需光刻技術；
4.根據權利要求1中所述的方法，其特徵是在銅納米顆粒陣列上製備一層厚度為5-1Onm的高阻氧化鋅薄膜；
5.根據權利要求1中所述的方法，其特徵是通過調節銅納米顆粒尺寸及密度調控表面等離激元的共振頻率，進而與有源層的禁帶寬度(1.2-1.7eV)進行優化匹配。
全文摘要
本發明涉及一種提高矽薄膜太陽電池光電流的方法，屬於光伏技術領域。傳統矽薄膜太陽電池的陷光技術主要是前、後電極採用織構結構，這種結構往往會導致載流子表面複合及有源層缺陷態密度的增大，同時由於需要溼法刻蝕，所以工藝較複雜且不易控制。為解決這些問題，本發明提供一種利用銅納米顆粒表面等離激元增加光吸收的方法，其核心工藝是利用磁控濺射設備在真空腔體內沉積銅島膜，然後進行原位退火形成銅納米顆粒陣列，置於矽薄膜太陽電池的兩個電極附近，以此激發表面等離激元。利用表面等離激元的近場增強效應和散射效應提高光吸收，進而提高光電流。這種方法不需要溼法刻蝕、光刻等工藝，因此電池成本將大大降低。
文檔編號H01L31/18GK103094404SQ201110340268
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者郝會穎 申請人:中國地質大學(北京)