复合曲面陷光结构及其制备方法与流程

本发明涉及新型清洁能源和微纳光子领域，具体涉及了一种太阳能电池的复合曲面陷光结构及其制备方法。

背景技术：

目前市场上占主导地位的光伏电池为晶体硅电池。它具有工艺成熟、性能稳定、光电转换效率高的优点，商业生产的组件效率目前已超过19%，电池片的最高效率也已经达到25.6%。尽管经过多年的努力，电池的生产成本已经大幅下降，但是仍超过传统煤电成本。为了进一步降低成本，电池发展到第二代，即薄膜硅电池。

薄膜硅太阳能电池由于光损失较大，转换效率降低。目前，采用陷光结构是解决光学损失的有效方法之一。陷光结构就是在太阳能电池的表面做出一些特殊的结构，这可以增加太阳光的吸收率。

现在国际上所研究的用于薄膜硅太阳能电池的陷光结构可以分为两种：随机表面透明导电玻璃和倒金字塔周期性结构。

随机表面陷光结构虽然其工艺简单，成本低，可以延长在吸收层中的光程，但对光增强吸收能力较差。

倒金字塔纳米结构是一种周期结构，通过优化周期结构，可以很好的得到光谱与角谱响应都较好的光吸收效果。但该种结构有局限性，一是只能适用于单晶硅电池，二是通常采用深紫外光刻的方法获得，因而制备成本较高。

技术实现要素：

针对上述技术缺点，本发明设计了一种复合曲面陷光结构，理论上比倒金字塔结构具有更优的性能，并且该结构可以低成本地制备到大面积硅片上。不仅是单晶硅，多晶硅与非晶硅也可以使用此结构。

为了提高对不同波段光的吸收率，本结构的每个周期中都存在着四个不同的曲面，这样就能将整个太阳光波段的吸收率全面提高。

本发明采用如下技术方案：

一种用于薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，其结构表面具有周期性的复合曲面，且在曲面上覆盖有一层钝化膜。

除最外侧的曲面以外，每个曲面与其最相近的8个同样的曲面之间又间隔着3组曲面（x方向的两个为一组，y方向的两个为一组，倾斜方向的4个为一组），这三组曲面互相不同，任意两个相邻曲面之间在各自的最低点平顺地互相连接。

而且，本发明复合曲面陷光结构的制备方法的特征在于，该复合曲面陷光结构的制造方法具有以下工序：

使用干涉方法制造表面具有复合曲面的陷光结构的工序，以及，

在上述复合曲面陷光结构上形成钝化层的工序。

在在制备陷光结构所需要的抗蚀剂掩膜中，除最外侧的曲面以外，每个曲面与其最相近的8个同样的曲面之间又间隔着3组曲面（x方向的两个为一组，y方向的两个为一组，倾斜方向的4个为一组），这三组曲面互相不同，任意两个相邻曲面之间在各自的最低点平顺地互相连接。

该结构置于电池的迎光面，用于减少表面光的反射率，并且增加光在太阳能电池内部的光程，从而增加电池的短路电流密度。

与现有技术相比，本发明具有以下优良性质：

一、该结构由多个曲面复合而成，能增强多个波段光的吸收率，整体提高太阳能电池的吸收率。

二、该结构的曲面连接十分平顺，有效避免的由于尖锐面而导致的对某一个角度的反射率增强。

三、本发明提出的制备复合曲面陷光结构方法为多步干涉方法，可以制备大面积（大于1m²）上的均匀性好的陷光结构，这是之前的方法达不到的。

四、该结构不依赖于材料本身的性质，因此可以制备于各种材料之上。

附图说明

图1为复合曲面陷光结构太阳能电池示意图。

图2为结构的光谱响应。

图3为结构的角度谱响应。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施对本发明进行进一步的描述：

该结构的具体形貌如图1所示，除最外侧的曲面以外，每个曲面与其最相近的8个同样的曲面之间又间隔着3组曲面（x方向的两个为一组，y方向的两个为一组，倾斜方向的4个为一组），这三组曲面互相不同，任意两个相邻曲面之间在各自的最低点平顺地互相连接。

本发明制备陷光结构的步骤为：

步骤一，利用四步干涉的方法在抗蚀剂上制备出复合曲面掩膜。

步骤二，利用化学或物理方法将抗蚀剂上的图案传递到作为基底的硅片表面，包括但不限于反应离子刻蚀方法、等离子体刻蚀方法。

步骤三，洗去残余的反应物，得到太阳能电池上的复合曲面陷光结构。

步骤四，通过真空溅射成膜等方法在复合曲面陷光结构表面覆盖一层钝化膜。

下面结合实施例来进行说明。

实施例：

本实施例中，需要制备出的结构周期为1μm，结构内每个曲面大小为500nm*500nm,结构最高点与最低点高度差为300nm，采用硅作为基底。

利用旋转涂覆法在硅基底的上表面均匀涂覆一层az6112抗蚀剂薄膜，在该抗蚀剂膜上曝光四次之后，使抗蚀剂显影而制作出复合曲面结构的掩膜。此步骤中制作干涉条纹的光源为波长405nm的半导体激光器，第一次与第二次干涉方向垂直且干涉夹角都为23.4°，第三次与第四次干涉方向垂直且干涉夹角都为47.8°，其中第一次与第三次干涉方向相同。

利用等离子体刻蚀的方法，将抗蚀剂掩膜上的图案成比例地打入硅基底表面，最终在硅表面形成与掩膜一样的复合曲面结构。

在硅陷光结构上形成钝化膜而消除表面悬挂键。钝化膜是利用真空溅射法成膜的氮化硅薄膜，厚度为30nm。

最后将此结构形成在1µm晶硅电池上。

附图2，3为拥有该复合曲面结构的电池相对比其他结构的电池的光谱与角谱响应对比。

由附图2可以看出，在光谱响应方面，三种结构都有陷光功能，金字塔与余弦结构的响应取消比较相似，而我们复合曲面结构优于金字塔结构与单余弦结构，尤其是在700到900nm波段，更是远远超出了其他两个结构，这可以大大增强太阳能电池的近红外吸收。这三种结构的吸收增强系数分别为：复合曲面31.94，金字塔11.70，单余弦12.89。

由附图3可以看出，在角谱方面，复合曲面结构在全角度明显优于其他结构，且在65°入射之内其短路电流密度都有较好表现，随角度降低率不到5%。即使入射角达到80°，复合曲面结构的短路电流密度依然能保持20ma/cm²以上，这可以减少太阳能追光系统的使用，进而减少太阳能发电的成本。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种提升薄膜硅太阳能电池效率的复合曲面陷光结构，整体为周期单元陷光结构组成，每个单元由复合曲面构成，在单元陷光结构之上覆盖着一层透明钝化膜。除最外侧的曲面以外，每个曲面与其最相近的8个同样的曲面之间又间隔着3组曲面（x方向的两个为一组，y方向的两个为一组，倾斜方向的4个为一组），这三组曲面互相不同，任意两个相邻曲面之间在各自的最低点平顺地互相连接，以避免尖锐面导致的对某个角度的强反射。如图，标记为1的曲面是一组，标记为2的曲面是一组，标记为3的曲面是一组，标记为4的曲面是一组，各组曲面都有同样的周期而又复合在一起。本发明提出的这种结构易于加工，而且具有角谱范围大和光谱吸收高的特点，有利于提高薄膜硅电池的吸光效率。

技术研发人员：郭小伟;徐文龙;王大帅;李绍荣
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2017.05.23
技术公布日：2017.09.05