專利名稱：包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的辦法，特別是包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池及其制備方法，屬于半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
影響太陽能電池效率的主要因素主要包括光學(xué)損失和電學(xué)損失。其中光學(xué)損失主要包括電池前表面接觸柵線的陰影損失，表面的反射損失以及長波段的非吸收損失.太陽光入射時，裸硅表面有高達(dá)30%以上的反射率，這會大大增加電池的光學(xué)損失。單層的氮化硅鈍化和酸堿進(jìn)行的硅片表面織構(gòu)化結(jié)合是常見的工業(yè)上的制作方式，但是這種抗反膜只在很窄的光譜范圍和很小的角度范圍內(nèi)能把反射率降得比較低。近年來，亞波長納米結(jié)構(gòu)制作的抗反膜引起了越來越多的關(guān)注。這種結(jié)構(gòu)的特色是能在寬光譜范圍和很大的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)極低的反射率。但是這種方法的主要需要解決的是兩方面問題一方面是方法是否與現(xiàn)有的硅太陽能電池流程兼容，二是這種方法的成本如何。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服以上不足而提供一種包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，包括自下而上的金屬背場與背電極、單晶硅基體、PN結(jié)有源層、抗反膜、及柵電極，其中，所述抗反膜有若干層， 自下而上的抗反膜的折射率逐漸減小。優(yōu)選地，抗反膜為納米結(jié)構(gòu)的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成。優(yōu)選地,抗反膜有2至5層。優(yōu)選地，每層抗反膜納米棒的直徑在10_200nm之間，孔隙率在O. 1-0. 9之間。優(yōu)選地，TiO2膜的反射率為2. 7到1. 3之間，SiO2膜的反射率為1. 46-1. 05之間。本發(fā)明的另一個目的還在于，提供了一種包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池的制備方法，包括斜角入射物理沉積法生成抗反膜，其特征在于，用以下方法在PN結(jié)有源層上依次沉積若干層抗反膜步驟1:將含有PN結(jié)有源層的單晶硅基體固定，調(diào)整蒸發(fā)源的入射方向與PN結(jié)有源層的沉積表面形成一傾斜入射角；步驟2 :在20-100度的溫度下，以O(shè). lnm/s-lnm/s的速率將TiO2或SiO2沉積于PN結(jié)有源層上形成抗反膜。優(yōu)選地，抗反膜為納米結(jié)構(gòu)的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成。優(yōu)選地，抗反膜有2至5層。優(yōu)選地，每層抗反膜納米棒的直徑在10_200nm之間，孔隙率在O. 1_0. 9之間；Ti02膜的反射率為2. 7到1. 3之間，SiO2膜的反射率為1. 46-1. 05之間。優(yōu)選地，入射角度在10-89度之間。本發(fā)明采用斜角入射沉積的方法，制備的這種包含有多層反射率漸變的多孔隙納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，大大優(yōu)化了硅太陽能電池的光吸收，從而提高了電池效率。與一些其他的典型納米技術(shù)如黑硅或納米多孔硅技術(shù)相比，這種方法不會損傷硅晶體本身的光伏特性，能夠真正將多吸收的光轉(zhuǎn)化為電能。提高光轉(zhuǎn)化效率，將極大地推動太陽能電池產(chǎn)品的發(fā)展。該制備方法還具備以下優(yōu)點1)對納米結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝流程高度靈活可控，所生產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)具有高度的均一性和重現(xiàn)性；2)方法基于熱沉積鍍膜，基本不受材料的限制。3)工藝流程簡單，可在一次工藝流程完成多層復(fù)雜有序納米結(jié)構(gòu)如柱狀、S形、螺旋形、之字形等的制備生產(chǎn)，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成本也并不高。4)與現(xiàn)有的其他硅太陽能電池工藝完全兼容，不需要額外的設(shè)備和成本。


圖1是本發(fā)明實施例晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例多層反射率漸變的納米結(jié)構(gòu)抗反膜的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例斜角入射物理沉積方法應(yīng)用的示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖用實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。本發(fā)明實施例的目的在于制作納米結(jié)構(gòu)的抗反膜以降低反射率，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率而提供這種晶體硅太陽能電池及制作方法。這種納米結(jié)構(gòu)的抗反膜能在寬光譜和廣角度范圍內(nèi)實現(xiàn)極低的反射率。本實施例使用斜角入射物理沉積的方法，工藝簡單，成本較低，且工藝與現(xiàn)有的硅太陽能電池流程完全兼容。以上所述晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上分別是金屬背場與背電極3、P型單晶硅基體1、N型有源層2、抗反膜4及柵電極5，其中，P型單晶硅基體I和N型有源層2之間形成PN結(jié)，特別是，抗反膜有多層，而且自下而上的各層抗反膜的折射率逐漸減小。通?？狗茨な荰iO2膜或SiO2膜，見圖2，分別有5層抗反膜，即a至e層，自下而上，第一層a為折射率2. 03的納米結(jié)構(gòu)TiO2，第二層b為折射率1. 95的納米結(jié)構(gòu)TiO2，第三層c為折射率為1. 65的納米結(jié)構(gòu)TiO2，第四層d為折射率1. 26的SiO2，第五層e為折射率1. 05的SiO2，而且，每一層的納米棒的直徑要求在10-200nm之間，孔隙率在O. 1-0. 9之間。這樣，納米結(jié)構(gòu)孔隙率和折射率都從上到下逐層遞增，大大提升了抗反膜的優(yōu)化效果，從而實現(xiàn)了寬光譜和大角度范圍的全面抗反?；谝陨戏治觯鲗涌狗茨た梢赃x取TiO2單一構(gòu)成，或由TiO2和SiO2混合而成的二到五層納米結(jié)構(gòu)膜，其中TiO2的反射率為2. 7到1. 3之間，SiO2的反射率為1. 46-1. 05之間。其中每層抗反膜的納米結(jié)構(gòu)孔隙率自下而上逐層遞減，從而折射率也自下而上逐層遞減，且分布在1. 05-2. 7之間。以上實施例晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，參見圖3，采用斜角入射物理沉積法。其原理是通過控制帶有PN結(jié)的基片相對于入射氣流的入射方向形成一傾斜角度，這樣形成的納米柱狀結(jié)構(gòu)之間就有一定的孔隙。而每一層抗反膜對應(yīng)不同的傾斜角，則每一層抗反膜的納米結(jié)構(gòu)孔隙率不同。我們采用每一層反射率自下而上逐層遞增的入射角，則孔隙率自下而上逐層遞減，從而反射率自下而上也逐層遞減。圖3中的I為含有PN結(jié)有源層的單晶硅基體，6為沉積的材料，α為入射角，7為抗反膜微觀結(jié)構(gòu)中的納米柱。

具體操作步驟是自下而上，第一層a抗反膜沉積材料為TiO2，工作真空度為le-6托，入射角為24度，即與垂直線呈24度角入射(下同)，沉積速度為O. 2nm/s，沉積時間為400s，厚度為80nm，折射率為2· 03。第二層b抗反膜沉積材料為TiO2，工作真空度為le-6托，入射角為39度，沉積速度為O. 2nm/s，沉積時間為400s，厚度為80nm，折射率為1. 95。第三層c抗反膜沉積材料為TiO2,工作真空度為le-6托，入射角為64度，沉積速度為O. 2nm/s，沉積時間為500s，厚度為lOOnm，折射率為1. 65。第四層d抗反膜沉積材料為SiO2，工作真空度為le-6托，入射角為反向68度，沉積速度為O. 4nm/s，沉積時間為375s，厚度為150nm，折射率為1. 26。第五層e抗反膜沉積材料為SiO2，工作真空度為le-6托，入射角為反向86度，沉積速度為O. 4nm/s，沉積時間為575s，厚度為230nm，折射率為1. 05。本發(fā)明的主要原理是，采用斜角入射物理沉積的方法，通過控制基片相對于入射氣流的傾斜角度和方 向來控制材料在基片表面沉積成型的形態(tài)。對于正常的沉積方式，原子分子會在整個平面較均勻地沉積，而當(dāng)傾斜沉積入射角度以后，會導(dǎo)致原子分子在某個傾斜的方向聚集的多，形成一個類似于樹蔭的結(jié)構(gòu)，時間一長，“樹蔭”遮蔽下的區(qū)域就不會有原子分子沉積，“樹蔭”則會越長越長，成為周期型的納米結(jié)構(gòu)。而對每一層材料采用不同的傾斜入射角度，就會得到不同的納米結(jié)構(gòu)的孔隙率。周期性的多孔隙納米結(jié)構(gòu)，會使得該層材料的等效折射率比同樣的正常材料低，而變更孔隙率，就使折射率在一定范圍內(nèi)持續(xù)可調(diào)，達(dá)到我們的折射率需求。具體說來，就是采用從下到上每一層逐層遞增的入射角，則孔隙率從下到上逐層遞減，從而反射率從下到上也逐層遞減。傳統(tǒng)的單層抗反膜的折射率只能匹配單個波長和很小入射角范圍，而本發(fā)明這種多層的，每層折射率從下到上逐層遞減的結(jié)構(gòu)，則可以大大提升抗反膜的優(yōu)化效果，實現(xiàn)寬光譜和大角度范圍的全面抗反。斜角入射物理沉積法的主要優(yōu)點是他克服了其它納米材料制備生長工藝的局限性。例如，化學(xué)方法通常步驟冗長、對反應(yīng)條件(溫度、氣壓、酸度等)要求苛刻。而基于模板刻蝕(電子束/激光束微刻)的方法設(shè)備昂貴，目前無法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。而斜角入射物理沉積法技術(shù)是制備高度可控的納米孔隙和納米結(jié)構(gòu)薄膜的一種強有力的方法。本實施例以P型單晶娃基體和N型有源層為例，同理，也可以是N型單晶娃基體I和P型有源層的單晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)，其制備方式和所達(dá)到的發(fā)明效果相同。以上雖然是本發(fā)明是參照其示例性的實施例被具體描述和顯示的，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，包括自下而上的金屬背場與背電極、單晶硅基體、PN結(jié)有源層、抗反膜、及柵電極，其特征在于，所述抗反膜有若干層，自下而上的抗反膜的折射率逐漸減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，其特征在于，所述抗反膜為納米結(jié)構(gòu)的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，其特征在于，所述抗反膜有2至5層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，其特征在于，所述每層抗反膜納米棒的直徑在10-200nm之間，孔隙率在O. 1-0. 9之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，其特征在于，所述TiO2膜的反射率為2. 7到1. 3之間，SiO2膜的反射率為1. 46-1. 05之間。
6.一種包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池的制備方法，包括斜角入射物理沉積法生成抗反膜，其特征在于，用以下方法在PN結(jié)有源層上依次沉積若干層抗反膜 步驟1:將含有PN結(jié)有源層的單晶硅基體固定，調(diào)整蒸發(fā)源的入射方向與PN結(jié)有源層的沉積表面形成一傾斜入射角； 步驟2 :在20-100度的溫度下，以O(shè). lnm/s-lnm/s的速率將TiO2或SiO2沉積于PN結(jié)有源層上形成抗反膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述抗反膜為納米結(jié)構(gòu)的TiO2膜，或由TiO2膜和SiO2膜混合而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，其特征在于，所述抗反膜有2至5層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述每層抗反膜納米棒的直徑在10-200nm之間，孔隙率在O. 1-0. 9之間；所述TiO2膜的反射率為2. 7到1. 3之間，SiO2膜的反射率為1. 46-1. 05之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一所述的制備方法，其特征在于，所述入射角度在10-89度之間。
全文摘要
一種包含納米結(jié)構(gòu)抗反膜的晶體硅太陽能電池，包括自下而上的金屬背場與背電極、單晶硅基體、PN結(jié)有源層、抗反膜、及柵電極，其特征在于，所述抗反膜有若干層，自下而上的抗反膜的折射率逐漸減小。其制備方法是采用斜角入射物理沉積法，通過調(diào)整入射角度和沉積材料，生成多層折射率不同的抗反膜。本發(fā)明大大優(yōu)化了硅太陽能電池的光吸收，從而提高了電池效率。這種方法不會損傷硅晶體本身的光伏特性，能夠真正將多吸收的光轉(zhuǎn)化為電能。提高光轉(zhuǎn)化效率，將極大地推動太陽能電池產(chǎn)品的發(fā)展。
文檔編號H01L31/18GK103035752SQ20131002985
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者張宇翔, 朱煜, 黃寓洋, 宋賀倫, 張耀輝 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所