一种太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地，涉及一种太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

砷化镓(gaas)禁带宽度1.43ev，是吸收太阳光最优选材料之一，由砷化镓制备的太阳能电池，具有转化效率高、温度特性好，抗辐射能力强等特点，gaas太阳能电池应用越来越广泛。

为了提高gaas太阳能电池的光电转化效率，常用做法是在gaas太阳能电池中制作反射层，反射层对光线的反射和散射并不是很充分，从而导致电池的光电转换效率并不是很高。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池中，多孔结构的反射层能使透过电池层中的光线吸收层照射到反射层上的太阳光光子发生充分反射和散射，发生反射和散射后的光子能被再次反射回到光线吸收层中并被光线吸收层再次吸收，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。

本发明提供一种太阳能电池，包括衬底和设置在所述衬底上的反射层和电池层，沿远离所述衬底的方向，所述反射层和所述电池层依次设置，所述反射层包括至少一个叠层单元，沿远离所述衬底的方向，各所述叠层单元依次叠置，所述叠层单元包括相互叠置的砷化镓层和砷化铝层，所述砷化镓层和所述砷化铝层均为多孔结构层。

优选地，所述砷化镓层和所述砷化铝层中孔的直径范围为1～20nm。

优选地，所述叠层单元的数量为5～50个。

优选地，所述砷化镓层的厚度满足d1＝λ/4n1，所述砷化铝层的厚度满足d2＝λ/4n2；其中，d1为所述砷化镓层的厚度，n1为所述砷化镓层的折射率，d2为所述砷化铝层的厚度，n2为所述砷化铝层的折射率，λ为入射光波长。

优选地，所述砷化镓层的厚度范围为4～30nm；所述砷化铝层的厚度范围为4～30nm。

本发明还提供一种上述太阳能电池的制备方法，包括：采用金属有机化合物化学气相沉积法或者分子束外延法在衬底上先后制备形成反射层基膜和电池层，形成所述反射层基膜包括形成至少一个叠层单元，形成所述叠层单元包括形成砷化镓层基膜和砷化铝层基膜的步骤，还包括通过电化学腐蚀的方法在所述砷化镓层基膜和所述砷化铝层基膜中形成孔。

优选地，所述砷化镓层基膜和所述砷化铝层基膜均为n型掺杂，所述砷化镓层基膜的掺杂浓度低于所述砷化铝层基膜的掺杂浓度。

优选地，所述砷化镓层基膜的掺杂浓度范围为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；所述砷化铝层基膜的掺杂浓度范围为1×10¹⁹cm^-3～1×10²¹cm^-3。

优选地，所述通过电化学腐蚀的方法在所述砷化镓层基膜和所述砷化铝层基膜中形成孔包括：

将制备形成所述砷化镓层基膜和所述砷化铝层基膜以及所述电池层的所述太阳能电池浸没于酸性电解液中；所述酸性电解液包括硫酸或盐酸；

通过太阳光照射所述太阳能电池；或者，向所述太阳能电池加载正向偏压，直至所述砷化镓层基膜和所述砷化铝层基膜中形成所述孔。

优选地，所述正向偏压的电压范围为0.5～1.5v。

本发明的有益效果：本发明所提供的太阳能电池，通过将叠层单元中的砷化镓层和砷化铝层设置为多孔结构层，由于孔中为空气，且空气与砷化镓层以及空气与砷化铝层的折射率之差都比较大(折射率之差大于1.9)，所以多孔结构的反射层能使透过电池层中的光线吸收层照射到反射层上的太阳光光子发生充分反射和散射，发生反射和散射后的光子能被再次反射回到光线吸收层中并被光线吸收层再次吸收，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例中一种太阳能电池的结构剖视图；

图2为本发明实施例中又一种太阳能电池的结构剖视图；

图3为图2中反射层的结构剖视图；

图4为本发明实施例中太阳能电池的制备方法的流程图。

其中的附图标记说明：

1.衬底；2.反射层；21.砷化镓层；22.砷化铝层；200.孔；3.电池层；4.电极；5.缓冲层；6.透明电极层；7.切割道。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种太阳能电池及其制备方法作进一步详细描述。

为了解决现有的太阳能电池光电转换效率不高的技术问题，本实施例提供一种太阳能电池，如图1所示，包括衬底1和设置在衬底1上的反射层2和电池层3，沿远离衬底1的方向，反射层2和电池层3依次设置，反射层2包括至少一个叠层单元，沿远离衬底1的方向，各叠层单元依次叠置，叠层单元包括相互叠置的砷化镓层21和砷化铝层22，砷化镓层21和砷化铝层22均为多孔结构层。

通过将叠层单元中的砷化镓层21和砷化铝层22设置为多孔结构层，即在砷化镓层21和砷化铝层22中分别形成多个孔200，由于孔200中为空气，且空气与砷化镓层21以及空气与砷化铝层22的折射率之差都比较大(折射率之差大于1.9)，所以多孔结构的反射层2能使透过电池层3中的光线吸收层照射到反射层2上的太阳光光子发生充分反射和散射，发生反射和散射后的光子能被再次反射回到光线吸收层中并被光线吸收层再次吸收，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。

现有的反射层，由砷化镓层和砷化铝层构成，但反射层中没有形成孔结构，砷化镓层和砷化铝层的折射率之差在0.53左右，虽然反射层也能使太阳光光子发生反射和散射，但反射和散射远不及本实施例中的反射层2对太阳光光子的反射和散射充分，因此，本实施例中的反射层2相对于现有的反射层，能大大提高太阳能电池的光电转换效率。

基于上述实施例中太阳能电池的整体改进方案，本实施例提供一种太阳能电池，如图2所示，包括衬底1和设置在衬底1上的反射层2和电池层3，沿远离衬底1的方向，反射层2和电池层3依次设置，反射层2包括至少一个叠层单元，沿远离衬底1的方向，各叠层单元依次叠置，叠层单元包括相互叠置的砷化镓层21和砷化铝层22，砷化镓层21和砷化铝层22均为多孔结构层。

其中，砷化镓层21和砷化铝层22中孔200的直径范围为1～20nm。孔200为通孔或盲孔或者，通孔和盲孔都有。该直径范围的孔200有利于透过电池层3中的光线吸收层照射到反射层2上的太阳光光子发生充分反射和散射，从而有利于提高太阳能电池的光电转换效率。

通过将叠层单元中的砷化镓层21和砷化铝层22设置为多孔结构层，由于孔200中为空气，且空气与砷化镓层21以及空气与砷化铝层22的折射率之差都比较大(折射率之差大于1.9)，所以多孔200结构的反射层2能使透过电池层3中的光线吸收层照射到反射层2上的太阳光光子发生充分反射和散射，发生反射和散射后的光子能被再次反射回到光线吸收层中并被光线吸收层再次吸收，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。

优选的，叠层单元的数量为5～50个。其中，如此设置，使形成有多个孔200的砷化镓层21和砷化铝层22能更加充分地对照射到其上的太阳光光子进行反射和散射，从而使太阳光光子绝大部分被反射回到电池层3中的光线吸收层，进而大大提高了太阳能电池的光电转换效率。本实施例中，如图3所示，叠层单元的数量为5个。

本实施例中，砷化镓层21的厚度满足d1＝λ/4n1，砷化铝层22的厚度满足d2＝λ/4n2；其中，d1为砷化镓层21的厚度，n1为砷化镓层21的折射率，d2为砷化铝层22的厚度，n2为砷化铝层22的折射率，λ为入射光波长。通过上述公式确定砷化镓层21和砷化铝层22的厚度，能够进一步提高照射到反射层2上的光线的反射率，反射光线被电池层3中的光线吸收层吸收，从而进一步提高电池层3中光线吸收层对入射光线的吸收率，进而进一步提高太阳能电池的光电转换效率。

优选的，本实施例中，砷化镓层21的厚度范围为4～30nm；砷化铝层22的厚度范围为4～30nm。

另外，本实施例中的太阳能电池还包括电极4、缓冲层5、透明电极层6和按照需要设计的切割道7。电极4设置于衬底1的背离反射层2的一侧；缓冲层5设置于衬底1与反射层2之间，用于遮挡衬底1的表面缺陷；透明导电层6设置于电池层3背离反射层2的一侧；透明导电层6和电极4为太阳能电池的电源输出电极。切割道7用于将大尺寸的太阳能电池板分割为需要的各种小尺寸的太阳能电池板。

其中，衬底1为gaas衬底、ge衬底或sic衬底等。缓冲层5采用gaas材料，厚度100～1000nm。电池层3是由bsf层(背场层)、基层、发射层、窗口层、欧姆接触层、隧道结等共同组成的单结或者多结砷化镓电池。bsf层设置在反射层2上并与反射层2相接触，背场层为n型掺杂层，且所述背场层的掺杂浓度低于砷化镓层21的掺杂浓度。背场层的掺杂浓度范围为0～1×10¹⁷cm^-3。背场层的材料为alxga1-xas或者(alyga1-y)zin1-zp；其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.5，z的取值范围为0.4～0.6。背场层的厚度范围为30～200nm。

基于太阳能电池的上述结构，本实施例还提供一种该太阳能电池的制备方法，如图4所示，包括：

步骤s10：采用金属有机化合物化学气相沉积法或者分子束外延法在衬底上先后制备形成反射层基膜和电池层，形成反射层基膜包括形成至少一个叠层单元，形成叠层单元包括形成砷化镓层基膜和砷化铝层基膜的步骤。

该步骤中，反射层基膜为具有多孔结构的反射层在形成前的初始形态，即其中还未形成多孔结构。砷化镓层基膜为具有多孔结构的砷化镓层在形成前的初始形态，即其中还未形成多孔结构。砷化铝层基膜为具有多孔结构的砷化铝层在形成前的初始形态，即其中还未形成多孔结构。砷化镓层基膜和砷化铝层基膜均为n型掺杂，掺杂物质如si，但不限于si。砷化镓层基膜的掺杂浓度低于所述砷化铝层基膜的掺杂浓度。砷化镓层基膜的掺杂浓度范围为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；砷化铝层基膜的掺杂浓度范围为1×10¹⁹cm^-3～1×10²¹cm^-3。上述掺杂浓度设置，有利于后续通过电化学腐蚀形成多孔结构的砷化镓层和砷化铝层。

步骤s11：通过电化学腐蚀的方法在砷化镓层基膜和砷化铝层基膜中形成孔。

该步骤具体包括：将制备形成砷化镓层基膜和砷化铝层基膜以及电池层的太阳能电池浸没于酸性电解液中；酸性电解液包括硫酸或盐酸。通过太阳光照射太阳能电池；或者，向太阳能电池加载正向偏压，直至砷化镓层基膜和砷化铝层基膜中形成孔。

其中，通过电化学腐蚀的方法在砷化镓层基膜和砷化铝层基膜中形成孔的原理为：反射层在酸性电解液的电化学腐蚀作用下，其中的n型掺杂浓度不同的砷化镓层基膜和砷化铝层基膜会被表面反型层的空穴氧化，使砷化镓层基膜中的多个局部氧化形成镓氧化物，砷化铝层基膜中的多个局部氧化形成铝氧化物，镓氧化物和铝氧化物溶解于酸性电解液，从而使砷化镓层基膜和砷化铝层基膜中形成了孔，进而制备形成了太阳能电池反射层中的砷化镓层和砷化铝层。

通过太阳光照射太阳能电池实现电化学腐蚀的原理为：太阳光照射太阳能电池，太阳能电池接收太阳光并将其转化为电流，电流流经砷化镓层基膜和砷化铝层基膜，使砷化镓层基膜和砷化铝层基膜与酸性电解液之间形成了一个回路，该回路构成了一个腐蚀原电池，从而实现酸性电解液对砷化镓层基膜和砷化铝层基膜的腐蚀，使砷化镓层基膜和砷化铝层基膜形成多孔结构。同理，通过向太阳能电池的电极上加载正向偏压，在太阳能电池内部形成电流，电流流经砷化镓层基膜和砷化铝层基膜，使砷化镓层基膜和砷化铝层基膜与酸性电解液之间形成了一个回路，该回路构成了一个腐蚀原电池，从而实现酸性电解液对砷化镓层基膜和砷化铝层基膜的腐蚀，使砷化镓层基膜和砷化铝层基膜形成多孔结构。

其中，正向偏压的电压范围为0.5～1.5v。正向偏压加载到太阳能电池的透明导电层和电极上。

太阳能电池的其他各个膜层的制备均采用比较成熟的mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)法或mbe(molecularbeamepitaxy，分子束外延)法，具体不再赘述。

本发明的有益效果：本发明中所提供的太阳能电池，通过将叠层单元中的砷化镓层和砷化铝层设置为多孔结构层，由于孔中为空气，且空气与砷化镓层以及空气与砷化铝层的折射率之差都比较大(折射率之差大于1.9)，所以多孔结构的反射层能使透过电池层中的光线吸收层照射到反射层上的太阳光光子发生充分反射和散射，发生反射和散射后的光子能被再次反射回到光线吸收层中并被光线吸收层再次吸收，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。