半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法
【专利摘要】一种半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，包括以下步骤：步骤1：在玻璃衬底上通过溅射生长一层反射镜；步骤2：在反射镜上沉积一层第一金属纳米颗粒；步骤3：在第一金属纳米颗粒上生长第一背电极；步骤4：在第一背电极上再沉积一层第二金属纳米颗粒；步骤5：在第二金属纳米颗粒上再沉积一层第二背电极；步骤6：在第二背电极上生长一层薄膜太阳能电池材料；步骤7：在薄膜太阳能电池材料的上表面上刻蚀出二维光栅结构；步骤8：在二维光栅结构上生长一层前电极，完成制备。本发明是利用前表面光栅和背面双层金属纳米结构对入射光形成多次散射作用，增强对入射光及透射光的作用效果。
【专利说明】半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜太阳能电池，特别是提供一种半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，本发明把传统单一陷光结构结合起来增加对光的吸收，为提高太阳能电池效率提供了 一种新思路。
【背景技术】
[0002]太阳能电池发电成本同传统火力、水力发电成本相比很高。为了提高太阳能电池的竞争力必须提高太阳能电池的转换效率和降低成本。作为第二代太阳能电池，薄膜电池比晶体硅电池所使用材料减少了 90%以上，因此成本大幅度降低。但是由于电池吸收层太薄，电池对光的吸收不够充分。因此，增强薄膜电池光吸收对提高太阳能电池转换效率至关重要。
[0003]传统晶硅电池的表面陷光结构除了减反层外，主要是利用酸碱腐蚀出倒金字塔结构，其大小在2-10微米范围内。但是一般薄膜电池厚度在1-2微米范围，因此倒金字塔结构并不适用于薄膜电池。通常的薄膜电池通过沉积在随机表面织构的衬底上来达到陷光的效果。由于衬底表面织构的陷光能力有限，薄膜电池更为有效的陷光结构得到进一步发展:电池表面光栅结构；利用光子晶体增强电池的光吸收；利用金属纳米颗粒的表面等离子体近场增强作用增加光吸收等。光栅使光产生高级衍射改变光的传播方向，使光在吸收层中横向传播，增加了光的传播路径从而增加了光被吸收的可能。光子晶体是折射率周期性变化的纳米结构，经过光子晶体绕射的光会以更小的角度重新进入电池吸收层，低角度可防止光逃离硅，增加光被吸收和转换成光电流的机会。利用金属纳米颗粒激发表面等离子体激元增强薄膜电池光吸收的原理在于入射光受表面等离子体作用，大部分入射光将被散射进入折射率较大的介质(电池)中。而且，当金属纳米颗粒直径较大时对光的散射能力较强，吸收层中光程大大延长。
[0004]然而，以上特定的陷光结构针对特定波段的光吸收增强效果更明显，由于半导体太阳能电池的吸收谱较宽(比如晶体硅太阳能电池的光吸收谱在300nmll00nm之间)，单一的陷光结构不可能有效散射所有的入射光。本发明提出将单一的陷光结构结合起来，在正面和背面均有陷光结构，形成对更宽波段的光有散射作用的混合陷光结构，对于提高半导体薄膜太阳能电池的光吸收具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，其是区别于传统陷光结构的混合陷光结构，利用前表面光栅和背面双层金属纳米结构对入射光形成多次散射作用，增强对入射光及透射光的作用效果。前表面光栅主要使入射光大角度进入电池吸收层，增加其传播路径，降低光的反射率，背面双层金属纳米颗粒把长波方向的透射光散射回电池吸收层，增加该部分光的吸收。
[0006]本发明提供一种半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:在玻璃衬底上通过溅射生长一层反射镜；
[0008]步骤2:在反射镜上沉积一层第一金属纳米颗粒；
[0009]步骤3:在第一金属纳米颗粒上生长第一背电极；
[0010]步骤4:在第一背电极上再沉积一层第二金属纳米颗粒；
[0011]步骤5:在第二金属纳米颗粒上再沉积一层第二背电极；
[0012]步骤6:在第二背电极上生长一层薄膜太阳能电池材料；
[0013]步骤7:在薄膜太阳能电池材料的上表面上刻蚀出二维光栅结构；
[0014]步骤8:在二维光栅结构上生长一层前电极，完成制备。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下积极效果:
[0016]1、由于单一陷光结构只是在特定波段的光有较好的陷光效果。本发明通过调整光栅结构陷光和金属颗粒表面等离子体陷光的参数优化，周期、占空比等，扩展了陷光结构对光的作用范围；
[0017]2、由于单一陷光结构，二维光栅结构和金属纳米颗粒材料单一，仅对一定范围的入射光起作用。本发明通过调整金属纳米颗粒与光栅结构的种类，扩展了混合陷光结构对入射光的作用范围；
[0018]3、同时改变混合陷光结构的参数(周期、占空比等)和种类可大大扩展混合陷光结构对入射光的作用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为使本发明的目的、内容、优点更加清楚明白，下面将参照附图结合实施例进行详细说明，其中:
[0020]图1为本发明的制作方法流程图；
[0021]图2为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]请参阅图1至图2所示，本发明提供了一种半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，包括以下步骤:
[0023]步骤1:在玻璃衬底I上通过溅射生长一层反射镜2，所述的反射镜2的材料为Ag或Al，该反射镜2的厚度为50nm-150nm ；
[0024]步骤2:在反射镜2上沉积一层第一金属纳米颗粒3 ；
[0025]步骤3:在第一金属纳米颗粒3上生长第一背电极4 ；
[0026]步骤4:在第一背电极4上再沉积一层第二金属纳米颗粒5 ；
[0027]其中所述的第一、第二金属纳米颗粒3、5的材料为Ag、Au、Cu或Al,直径为IOOnm一 300nm,周期为600nm — 1200nm,该金属纳米颗粒在入射光的激发下可以形成表面等离子体，将从电池中透射出来的太阳光定向散射回电池吸收层，当金属颗粒较大时，其散射能力对光吸收的增强效果要大于表面等离子体作用；
[0028]步骤5:在第二金属纳米颗粒5上再沉积一层第二背电极6 ；
[0029]其中所述的第一、第二背电极4、6的材料为ΑΖ0，厚度为50nm250nm，这两层背电极除了用作电极外，还用来阻止反射镜2，第一、第二金属纳米颗粒3和5向电池吸收层的扩散，降低太阳能电池表面光生载流子的复合速率；
[0030]步骤6:在第二背电极6上生长一层薄膜太阳能电池材料7 ；
[0031]步骤7:在薄膜太阳能电池材料7的上表面上刻蚀出二维光栅结构9，所述的二维光栅结构9的光栅周期为400nm800nm,厚度为50nm500nm,纳米柱直径为50nm600nm, 二维光栅结构9目的在于针对薄膜电池光吸收较弱的特点，散射入射光，增强光在吸收层中的传播路径，从而增加光吸收；
[0032]步骤8:在二维光栅结构9上生长一层前电极10，所述的太阳能电池前电极10的材料为ΙΤ0,厚度为50nm— 150nm,完成制备。
[0033]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，包括以下步骤: 步骤1:在玻璃衬底上通过溅射生长一层反射镜； 步骤2:在反射镜上沉积一层第一金属纳米颗粒； 步骤3:在第一金属纳米颗粒上生长第一背电极； 步骤4:在第一背电极上再沉积一层第二金属纳米颗粒； 步骤5:在第二金属纳米颗粒上再沉积一层第二背电极； 步骤6:在第二背电极上生长一层薄膜太阳能电池材料； 步骤7:在薄膜太阳能电池材料的上表面上刻蚀出二维光栅结构； 步骤8:在二维光栅结构上生长一层前电极，完成制备。
2.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，其中所述的反射镜的材料为Ag或Al，该反射镜的厚度为50nm-250nm。
3.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，其中所述的第一、第二金属纳米颗粒的材料为Ag、Au、Cu或Al,直径为IOOnm — 300nm,周期为600nm-1200nmo
4.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，其中所述的第一、第二背电极的材料为AZO,厚度为50nm — 250nm。
5.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，其中所述的二维光栅结构的光栅周期为400nm — 800nm,厚度为50nm — 500nm。
6.根据权利要求1所述的半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构制备方法，其中所述的太阳能电池前电极的材料为ΙΤ0,厚度为50nml50nm。
【文档编号】H01L31/18GK103811589SQ201410052413
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】时彦朋, 王晓东, 刘雯, 杨添舒, 马静, 杨富华 申请人:中国科学院半导体研究所