一种带有aao纳米光栅的新型太阳能电池表面减反结构的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本专利发明的太阳能电池表面减反结构由AAO(阳极氧化铝模板)纳米光栅组成，可直接应用于各类薄膜硅太阳能电池，进而提高太阳能电池光电转换效率。
【背景技术】
[0002]薄膜硅太阳能电池以其用料少、成本低的特点而备受人们青睐。但是与晶体硅电池相比，薄膜硅太阳能电池面临着光电转化效率较低的难题。为此，人们提出了各种不同的方法来提高薄膜硅太阳能电池的光电转换效率。如表面制绒、刻录表面光栅、利用表面等离子体效应、制做背反射层、制造多层耦合结构等。其中，在太阳能电池器件表面制作减反结构，减少反射，加强光吸收是提高太阳能电池光电转换效率的有效手段之一。目前的减反结构中，通常的做法是在薄膜硅太阳能电池表面通过光刻、电子束刻蚀等技术制备衍射光栅，或者在太阳能电池表面做一些如纳米柱、纳米锥等复杂的周期性结构。但该方法需要清洁、昂贵的设备，且制备工艺复杂，制备条件苛刻、成本高，不适于批量生产。为此，本专利提出一种简单经济、制备方便、适合批量生产的太阳能电池表面减反结构。
【发明内容】
[0003]为解决金属光栅、表面制备复杂纳米结构等薄膜硅太阳能电池表面减反结构制备条件苛刻、成本高、不适合批量生产的难题，本专利设计提出了一种新型的太阳能电池表面减反结构。具体
【发明内容】
如下:
[0004](I)提出将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池表面结构中。
[0005](2)利用Tracepro、FDTD软件结合光栅方程设计了最佳的AAO纳米光栅结构。
[0006](3)太阳能电池表面减反结构由AAO纳米光栅、ITO导电玻璃两层结构组成。
[0007]本发明专利的创新之处在于提出将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池表面减反结构中。利用AAO纳米光栅可得到大倾斜角的入射光，通过减少表面反射和提高光在硅中的传播路程来提高太阳能电池光电转换效率。仿真结果表明，在400—600nm的可见光范围内，AAO加入后可有效提闻娃的光吸收率。
【附图说明】
[0008]图1AAO纳米光栅扫描电镜结构图
[0009]图2带有AAO的表面减反结构及光路不意图
[0010]图3表面带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池结构示意图
[0011]图4带有AAO纳米光栅的表面减反结构制备工艺流程图
[0012]图5带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池的反射谱线
[0013]图6带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池吸收谱线增强模拟图
【具体实施方式】
[0014]下面结合实例和图示对本发明专利做进一步的说明
[0015]实施例
[0016]本发明专利设计的表面减反结构可应用于薄膜硅、晶体硅等各类太阳能电池。AAO纳米光栅结构如图1所示。AAO纳米光栅表面减反结构及光路示意图如图2所示,其中a为光栅周期，即AAO孔径中心点之间的距离，h为光栅孔径深度，即AAO孔径深度。
[0017]工作原理
[0018]AAO纳米光栅表面减反结构的主要作用是通过光栅减少光在太阳能电池表面的反射损耗，同时通过光栅对光的I禹合作用，改变光在娃吸收层的传播方向，以提高光在娃中的传播距离。光栅对光的调制可用光栅方程来说明。
[0019]光栅结构参数选择
[0020]确定光栅高度:为了为了达到最好的减反效果，需要合适的AAO高度h。AAO高度的选择依据是减反膜设计理论。由减反膜设计理论，当让光线I的入射光与经过AAO和硅表面反射后的光干涉相消时，反射最小，即当光程差为2hni=(2k+l) λ / 2时，反射最小。取K=L λ为本设计中所要减少的中心波长。文中选取的是太阳能量密度谱线Aml.5中能量最高的532nm为中心波长,可计算得到h=75nm时反射最小。
[0021]确定光栅占空比:对于光栅，由于衍射效率与光栅周期的Fourier分量成比例，而当这一分量在光栅的高低折射率介质中数值相等时衍射效率最大，故取占空比f=0.5。
[0022]确定光栅周期:为了有最好的衍射效果，对光栅常数要有一定的要求。对于光栅而言，可以用光栅方程来描述衍射效果。在本文中用亚波长衍射理论来进一步简化模型，即假设光在AAO中不发生衍射。考虑垂直入射的情况，如果入射光都打在孔中(如光线2、3)，衍射光程差为n2asin Θ lt)考虑一级衍射，则有当n2asin θ 1= λ g时，出现衍射极大值。取最大衍射角Q1=Ji / 2，取Si的禁带波长为llOOnm。由光栅方程可以得到此种状态下最佳的光栅周期a的最佳值为a=314.29nm，在其它状态下入射的光程差要比n2asin Θ:大，所以AAO最佳周期要靠仿真得到。
[0023]利用Trac印ι?软件模拟仿真了光栅常数和AAO占空比对硅光吸收的影响。理论设计和仿真结果表明AAO纳米光栅作为太阳能电池表面减反结构，其最佳尺寸为光栅常数a为440nm，光栅高度h为75nm，占空比f为0.5。应用中可以通过调节AAO的孔径、占空比、槽深等参数来控制AAO纳米光栅的减反效果。图5显示了带有AAO纳米光栅的反射，从图中可以看出，AAO的加入可以在很大程度上减少反射。图6显示了加入AAO后的吸收谱线，由图6可知，AAO表面减反结构的加入可以很好的加强光吸收(尤其在可见光范围内)。
[0024]工艺流程
[0025]带有AAO纳米光栅的太阳能电池表面减反结构制备工艺流程如图4所示。首先在透明导电ITO上采用真空镀膜或磁控溅射的方法镀钛保护膜，然后在钛上镀一层厚度小于I μ m厚的铝膜，而后采用二次阳极氧化技术，通过控制氧化时间、电压和扩孔等工艺，制备所需的AAO纳米光栅结构。
【主权项】
1.一种新型太阳能电池表面减反结构，由AAO纳米光栅、ITO导电玻璃两层结构组成。2.根据权利要求1所述的太阳能电池减反结构，其特征是将Ti镀在ITO上，Ti的厚度不得大于20nm。3.根据权利要求1所述的太阳能电池减反结构，AAO纳米光栅是通过两步阳极氧化得至IJ，为实现超薄AAO的制备，Ti层上的铝膜厚度不超过I μ m。4.根据权利要求1所述的太阳能电池表面减反结构，其特点是AAO尺寸可调节，在制备过程中要求按照说明书中的尺寸制备AAO纳米光栅。5.根据权利要求1-4所述的太阳能电池表面减反结构，其特征是可用于多晶硅、单晶硅、薄膜硅等多种太阳能电池。
【专利摘要】提出将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池表面减反结构中，设计制备了一种带有AAO纳米光栅结构的太阳能电池表面减反结构。该表面减反结构由AAO纳米光栅、ITO导电玻璃两层结构组成。根据光栅方程和Tracepro光线追踪软件，理论设计和仿真分析了AAO最佳结构参数。该表面减反结构可有效减少太阳能电池表面反射损耗、延长太阳能电池内部的光程，提高光子的利用率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。该减反结构制作工艺简单、成本低廉，适合批量生产。
【IPC分类】H01L31/0216
【公开号】CN104900721
【申请号】CN201410081458
【发明人】张海明, 秦飞飞, 王彩霞, 王旭
【申请人】天津工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月3日