一种二维硅基光子晶体太阳能电池的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种新型的光子晶体太阳能电池结构，特别是一种蜂窝状团簇、六边形区域分割、厚度小、结构特性好、光子相对禁带较宽、前电极沿分割区域嵌入、遮光少、具有一定慢光效应、载流子光电转换效率高的二维硅基光子晶体太阳能电池。
【背景技术】
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[0002]太阳能作为一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的能源，是新能源开发的重要方面。世界气象组织公布的太阳常数是1367±4W.πΓ2，每年到达地球表面的太阳能且便于人类利用的能量约为1.9Χ 122J,这些辐射主要集中在可见光区域(400-750nm)。太阳能已在电力、交通、航海、航空等很多领域有广泛应用。2010年我国的太阳能电池产量已达到8000兆瓦，占全球产量的50%。2030年以后，常规的石化能源消费将逐渐减少，新能源的占比会逐步增大，到2050年新能源会成为能源消费的主流。
[0003]太阳能电池是一种将光能转换为电能的半导体器件，是太阳能利用的重要形式，按照基体材料分，太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池、砸光太阳能电池、化合物太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等，影响太阳能光电转化效率的因素很多，例如材料厚度、电池接线、表面光的反射率等，具体包括以下因素:
[0004](I)半导体材料因素:研宄表明半导体材料的带隙宽度为Eg= 1.4eV时，太阳能电池具有最高的转换效率，由于硅材料300K时，带隙宽度为Eg= 1.12eV，而且其可利用的太阳光谱为300?llOOnm，所以娃材料是一般太阳能电池首选的材料，另外，娃原料材料丰富，光电转换效率高，光电性能稳定性和可靠性高，加工工艺技术成熟，不含有毒元素，不对环境造成污染；
[0005](2)光强因素:光强对太阳能电池的转换效率有较大影响，通过增强光线投射或者聚光等方式，可以提高单位面积上的太阳能电池的输出效率。太阳能电池前表面的金属栅线不能透光，在结构表面，会降低光的利用率和短路电流，为了提高太阳能电池的转换效率，一般采用减少金属栅线占有面积的方法；
[0006](3)光生载流子复合寿命:非平衡载流子产生后，不是稳定的，往往有复合发生。半导体材料的光生载流子复合寿命越长，短路电流就会越大，太阳能电池的转换效率就越高，一是在硅太阳能电池中，即使距离PN结在100 μπι处的光生载流子，只要其寿命大于
Iμ S，也会被PN结收集，从而提高载流子的收集率；二是长寿命的光生载流子能够增大开路电压，从而提尚太阳能电池的转换效率；
[0007](4)表面复合速率:在半导体材料的表面，由于晶格结构的不连续性或者非本征杂质的影响，会在表面形成晶体缺陷和杂质能级，从而形成表面复合中心。半导体材料表面低的复合效率，会极大提尚太阳能电池的短路电流，并使开路电压有所升尚，从而提尚太阳能电池的转换效率，现在多采用表面钝化层来降低表面复合速率；
[0008]另外，温度因素、串联电阻(金属栅线、体电阻和引线等都会产生串联电阻)等因素，也会对太阳能电池的转换效率产生影响，这些影响太阳能电池效率的主要因素又可以归结为光学损失和电学损失两方面，其中最主要因素是光学吸收，在传统太阳能电池中，这光学损失和电学损失两种效应会造成电池70%的能量损失，人们普遍认为太阳能电池的光转换效率最大为31%，所以硅太阳能电池研宄的重点方向之一提高光电转换效率，特别是材料对光子的有效吸收方面。
[0009]硅太阳能电池研宄的另一个重点方向是降低成本，初期的硅太阳能电池衬底厚度较厚，现在娃衬底的厚度可以从350?400 μm降低到150?200 μπι，英国BT公司实验证明:单晶娃太阳能电池降为175 μπι时，电池的效率没有附加损失。德国Fraunhofer公司制作的75 μ m厚的太阳能电池，效率仍可达到23.1%。而有的研宄指出，只要厚度大于50 μ m带有陷光结构的硅太阳能电池就有较好的转换效率，可见，如果采用适当的结构，可以在减少材料的厚度的同时，保证不降低硅太阳能电池的光电转换效率。现有的陷光方式主要是在光线射入电池体内后，增加光在吸收层的路径，使吸收层的折射率大于其上下层织构材料，使没有吸收的光再次返回电池吸收层，进行二次吸收。
[0010]硅介质柱(或孔)结构被认为是最有陷光潜力的太阳能电池器件材料之一，但是现有研宄中，采用的纳米结构多为一维结构，采用的机理也是通过漫反射陷光，有些研宄提出了径向硅纳米线二维结构，也没有与光子晶体结构的禁带和慢光理论结合起来。因此，设计一种新型二维硅基光子晶体太阳能电池，有效实现低成本、高效率的光电转换结构，首先，太阳光作为自然光包括等量的TE模式和TM模式的电磁波，可以采用光子晶体禁带理论，通过蜂窝状团簇结构(孔状或柱状)设计，让垂直于硅纳米孔或柱的方向，对TE模式或者TM模式电磁波具有很好的禁带，基本包括300?IlOOnm的范围，这样结构就可以更好地实现陷光；其次，根据光子晶体慢光理论，将蜂窝状团簇的硅纳米柱或孔，进行六边形区域分割，形成慢光波导，使某些频率的光在这些波导中传输很慢，波导的慢光效应能保证载流子的稳定性和方向性；将前电极嵌入这些波导的底部，这样不仅可以遮光少、减少对光吸收的影响，而且由于电极嵌入到加工底部，载流子只需扩散很短的距离就可达到结区；另外，还要兼顾结构力学稳定性和加工等方面的因素。
【发明内容】
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[0011]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种二维硅基光子晶体太阳能电池，将光子晶体的禁带特性、慢光特性与硅纳米结构的优势相结合，采用蜂窝状团簇结构作为单元，通过模拟计算设计二维硅基蜂窝状团簇的光子晶体太阳能电池结构；并进行六边形区域分割，将每组蜂窝状团簇单元周围形成网状慢光波导，前电极则嵌入波导底部形成网状结构，而且通过前接触层对入射光减反，二维硅基蜂窝状团簇、六边形区域分割的光子晶体太阳能电池结构进行有效陷光和光电转换，前电极和背电极的搭建，以及背接触层对入射光增反几个方面有机结合，达到提高电池效率的目的。
[0012]为了实现上述目的，本发明的主体结构包括前接触层、前电极、蜂窝状太阳能电池结构、背电极和背接触层；透明导电氧化物(TCO)材料制成前接触层的下侧面上设有前电极；前电极和背电极之间设有蜂窝状太阳能电池结构，蜂窝状太阳能电池结构的上层为N型硅半导体层，下层为P型硅半导体层，N型硅半导体层和P型硅半导体层形成PN结；背电极的底部设有背接触层，背接触层的材料与前接触层的材料相同；铝薄层结构的背电极设置在P型硅半导体层的慢光区域或禁带区域，背电极的形状与前电极的形状相同，均为条形状；入射光通过前接触层照射在蜂窝状太阳能电池结构上，前电极和背电极为光伏效应的载流子构成电路，背接触层对入射光增反，提高电池效率。
[0013]本发明所述N型硅半导体层为有禁带和慢光效应的纳米光子晶体介质柱或空气孔结构，包括禁带区构建基元、禁带区构建基元间隙和线缺陷波导；禁带区构建基元之间为均匀分布的禁带区构建基元间隙，19行以上的禁带区构建基元和禁带区构建基元间隙组成禁带区，以便入射光或其分量不能向垂直于介质柱或空气孔的方向传播，具有很好的陷光作用；相邻禁带区构建基元交接处为线缺陷波导，线缺陷波导则构成网状慢光波导结构，前电极嵌入网状慢光波导结构的底部；纳米光子晶体介质柱或空气孔结构的加工高度或深度为50 μπι，整个N型娃半导体层的厚度为70 μπι ;Ρ型娃半导体层的结构与N型娃半导体层的结构相同，或为单一的半导体结构，P型硅半导体层与N型硅半导体层结构相同时，其厚度为70 μπι ;Ρ型娃半导体层为单一的半导体结构时，其厚度为200 μπι ；Ρ型娃半导体层与背电极在同一平面上，此时背电极为网状结构，与前电极的结构对应。
[0014]本发明所述蜂窝状太阳能电池结构的晶格常数为a，六边形边长1，参数a、I根据禁带和慢光的要求而变化，β代表六边形边长I与晶格常数a的比值，S卩β = 1/a,从O到I变化。
[0015]本发明所述蜂窝状太阳能电池结构由具有禁带和慢光效应的六边形空气孔或介质柱结构构成的二维硅基光子晶体蜂窝状团簇结构排列组成，蜂窝状太阳能电池结构由内外完全对称的两个六边形组成，或由外面六边形、内部同心圆形组成，禁带区构建基元形成的每个结构单元的边长不少于禁带区构建基元边长的9倍，此时每个单元有252个以上禁带区构建基元8