專利名稱：適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽電池結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種能顯著提高高倍聚光電池和薄膜電池效率的電極結(jié)構(gòu)，屬于太陽能應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽電池作為太陽能利用的典型方式，成為可再生能源的重要發(fā)展方向。性價(jià)比 成為衡量太陽電池研發(fā)以及地面民用的重要指標(biāo)?；诟弑毒酃庀到y(tǒng)的高倍聚光電池和基 于減少材料厚度的薄膜電池成為實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比太陽電池的兩種主要途徑，也是太陽電池真 正能夠民用化的主要手段。對于太陽電池，為了降低串聯(lián)電阻，采用在金半接觸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步蒸鍍導(dǎo)電率 高、價(jià)格便宜的金屬層，如Ag或者Cu等；對于聚光電池，隨著聚光倍數(shù)的增加，電池效率一 方面對電池的串聯(lián)電阻變得更加敏感，另一方面對電池表面的遮光比要求更高。通常采用 各種布局的密柵+公共電極結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，鑒于現(xiàn)有剝離技術(shù)和電極機(jī)械穩(wěn)定性的 限制，柵極條寬最窄只能做到3 μ m，采用該種電極結(jié)構(gòu)，聚光1000倍單結(jié)電池的最高效率 達(dá) 26. 2%，2000 倍單結(jié)電池的最高效率達(dá) 25% (IEEE Trans. Electron Devices, 48 (5), PP840-844)。進(jìn)一步提高高倍聚光電池的效率，很大程度上依賴于電池串聯(lián)電阻的減少，因 此，改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，在保證機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步降低電池的串聯(lián)電阻和遮光比，成為 提高高倍聚光電池效率的重要手段。然而，目前的條形電極結(jié)構(gòu)，無論形狀如何，都是一種 平面實(shí)體電極結(jié)構(gòu)，串聯(lián)電阻的減少基本上依賴于平面面積的增加，電極高度的增加受到 電極穩(wěn)定性的限制，只能和電極的寬度相當(dāng)，目前已做到極致。此外，對于薄膜電池，半導(dǎo)體 與金屬接觸界面的載流子非輻射復(fù)合非常嚴(yán)重，勢必會(huì)影響載流子的高效收集，因此，盡量 減少金半接觸，也是提高電池性能的重要因素(中國發(fā)明專利“一種制備晶Si太陽電池局 域背接觸的方法”申請?zhí)?200810119967. 6)。如圖1所示，給出了目前太陽電池普遍采用的一種正面梳狀的電極結(jié)構(gòu)，其中，正 面柵線電極1、共用電極2和半導(dǎo)體接觸層3的復(fù)合結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)金屬與半導(dǎo)體的歐姆 接觸；半導(dǎo)體電池的其他部分4為對應(yīng)于不同太陽電池的基本單元。對于Si電池，該部分 包括PN結(jié)的emitter layer、base layer、背場以及襯底；對于III-V電池，包括window layer,emitter layer and base layer以及背場、隧道結(jié)和襯底等構(gòu)成電池的所有材料。正 面電極呈柵線結(jié)構(gòu)，并且有一共用電極與諸柵線相連，且提供金屬壓焊地方，實(shí)現(xiàn)與外界連 接。這里，所有電極圖形均為實(shí)體結(jié)構(gòu)，遮光比通過柵線的疏密和柵線自身的寬窄來控制， 而柵線電極自身的寬窄和高低受到器件剝離工藝和金屬立體穩(wěn)定性的限制，成為電池串聯(lián) 電阻減少的一個(gè)障礙。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有太陽電池電極結(jié)構(gòu)對電池效率的限制，本發(fā)明的目的旨在提出一種 適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，以期減少金半接觸，提高電池性能。
本發(fā)明的目的，將通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)形成于高倍聚光電池或薄膜電池的表面，其特征在于所述電池表面形成的金屬電極為密布而分散的網(wǎng)絡(luò)孔狀 結(jié)構(gòu)，與半導(dǎo)體的電池表面形成歐姆接觸，其中所述網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單孔軸向長度遠(yuǎn) 大于徑向長度。進(jìn)一步地，前述的一種電極結(jié)構(gòu)，其中該金屬電極的圖形包括網(wǎng)孔覆蓋部分柵線 電極配合實(shí)體共用電極、網(wǎng)孔覆蓋全部柵線電極配合實(shí)體共用電極，或網(wǎng)孔全面覆蓋柵線 電極和共用電極。進(jìn)一步地，前述的一種電極結(jié)構(gòu)，其中該網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單孔形狀包括圓形、 方形或任意多邊形，單一或混雜地互聯(lián)成網(wǎng)狀。進(jìn)一步地，前述的一種電極結(jié)構(gòu)，其中該網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)個(gè)單孔大小相同且 均勻排布成陣列形狀，或離散分布；或單孔大小存在差異，均勻或離散地分布于金屬電極 上。進(jìn)一步地，前述的一種電極結(jié)構(gòu)，其中高倍聚光電池或薄膜電池為基于III-V族 材料的任意單結(jié)、雙結(jié)及多結(jié)電池；或?yàn)榛隗w硅、多晶硅、微晶硅、多孔硅和非晶硅材料的 任意單結(jié)或多結(jié)電池。本發(fā)明的目的通過一種電極結(jié)構(gòu)的制備方法來實(shí)現(xiàn)，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)孔狀 電極的結(jié)構(gòu)為先在半導(dǎo)體的電池表面沉積金屬層，而后對金屬層進(jìn)行刻蝕形成。其中所述 沉積金屬層的方法至少包括熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射及電鍍；所述網(wǎng)絡(luò)孔狀電極圖形 采用至少包括電子束曝光、干涉光刻、聚焦離子束光刻、普通光刻及自組裝的方法制成；且 針對金屬層刻蝕的方法包括離子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和濕法腐蝕。本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)，還可以通過一種太陽電池電極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 所述網(wǎng)絡(luò)孔狀電極的結(jié)構(gòu)制法為先在半導(dǎo)體的電池表面形成相反圖形，沉積金屬層后采用 剝離的方式去除相反圖形。實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，其有益效果為本發(fā)明提出采用網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)電極代替原有的實(shí)體電極，一方面可以在柵線相同 的情況下，獲得穩(wěn)定的電極圖形，有效減少金屬和半導(dǎo)體之間的非輻射復(fù)合，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)孔透射的 光一方面可以有效減少遮光比，同時(shí)降低發(fā)射層和窗口層的串聯(lián)電阻。此外，采用大長徑比的 孔狀結(jié)構(gòu)，可以有效增加金屬電極的高度，降低金屬電極層的串聯(lián)電阻，而密集排列的網(wǎng)絡(luò)孔 狀電極又有利于載流子的有效收集，從而整體上提高該聚光電池或者薄膜電池的效率。


下面結(jié)合具體實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明創(chuàng)新實(shí)質(zhì)作進(jìn)一步地詳細(xì)說明圖1是現(xiàn)有傳統(tǒng)普式正面梳狀電極結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)覆蓋柵線電極和共用電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)覆蓋整個(gè)電池表面的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明為提高傳統(tǒng)太陽電池的性能，提出了一種適用于高倍聚光電池和薄膜電池的新型電極結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的電極代替原有的實(shí)體電極，可以在柵線相同的情況 下，獲得穩(wěn)定的電極圖形。該電極結(jié)構(gòu)的特殊性體現(xiàn)在先選擇合適的高倍聚光電池或薄膜 電池結(jié)構(gòu)材料，然后再采用適當(dāng)方法在電池表面形成網(wǎng)絡(luò)孔狀電極結(jié)構(gòu)。 上述太陽電池電極結(jié)構(gòu)，其細(xì)化的技術(shù)方案主要包括首先，所選擇的電池結(jié)構(gòu)材料包括基于III-V族材料的任何單結(jié)、雙結(jié)及多結(jié)電 池結(jié)構(gòu)材料，也包括基于體Si、多晶Si、微晶Si和非晶Si材料的單結(jié)多結(jié)電池結(jié)構(gòu)材料。 但凡用于高倍聚光的電池，或?qū)庹彰娲?lián)電阻特別敏感的電池結(jié)構(gòu)材料、或?qū)饘侔雽?dǎo) 體界面非輻射復(fù)合非常敏感的電池結(jié)構(gòu)。其次，該網(wǎng)絡(luò)孔狀的電極結(jié)構(gòu)，每個(gè)單孔5形狀可以包括圓形、方形、多邊形以及 其它任何形狀，但務(wù)必保證在每個(gè)結(jié)構(gòu)單元中孔狀網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；此外，該任意單孔的大 小沒有具體限制，可根據(jù)具體的電池設(shè)計(jì)，主要是能滿足電極間實(shí)現(xiàn)電互聯(lián)并保證機(jī)械穩(wěn) 定性要求和實(shí)際工藝水平；且這些單孔的大小均勻性和密度均勻性也沒有嚴(yán)格要求，只要 滿足金屬和半導(dǎo)體間實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸，金屬電極層可實(shí)現(xiàn)電互聯(lián)，有效收集載流子，自 身機(jī)械穩(wěn)定性高即可。特別地，該網(wǎng)絡(luò)孔狀電極形成的電極圖形包括網(wǎng)孔覆蓋部分柵線電極配合實(shí)體 共用電極、網(wǎng)孔覆蓋全部柵線電極配合實(shí)體共用電極，或網(wǎng)孔全面覆蓋柵線電極和共用電 極。以下通過本發(fā)明兩個(gè)具體實(shí)施案例并結(jié)合其附圖，進(jìn)一步詳細(xì)說明該太陽電池電 極結(jié)構(gòu)的特征及其效果，但值得注意的是這些實(shí)施例僅作為示例提供，并非限制本發(fā)明的 專利申請保護(hù)范圍及實(shí)施范圍。實(shí)施例一如圖2所示，給出了具有網(wǎng)絡(luò)孔狀的柵線電極和共有電極結(jié)構(gòu)示意圖。其中網(wǎng)絡(luò) 孔狀柵線電極1、網(wǎng)絡(luò)孔狀共用電極1、半導(dǎo)體接觸層部分3、電池的其他半導(dǎo)體材料部分 4復(fù)合構(gòu)成，對于Si電池，該電池的其它半導(dǎo)體材料部分4包括PN結(jié)的emitter layer, base layer、背場以及襯底；而對于III-V電池，則電池的其他半導(dǎo)體材料部分包括window layer、emitter layer and base layer以及背場、隧道結(jié)和襯底等構(gòu)成電池的所有材料。 該種電池具有與目前普通電池一樣的電極圖形，所不同的是將所有的實(shí)體電極替換成了網(wǎng) 絡(luò)孔狀電極，網(wǎng)孔的大小以及與實(shí)體的分布可以根據(jù)實(shí)際需要(電極機(jī)械穩(wěn)定性和電極工 藝)隨意排布，遮光比仍然由柵線占空比決定，但是采用該種網(wǎng)絡(luò)孔狀電極構(gòu)成的柵線電 極和共用電極結(jié)構(gòu)，一方面網(wǎng)絡(luò)孔的長徑比提高，可以有效增加電極高度，降低電極的串聯(lián) 電阻；同時(shí)減少金半接觸面積，從網(wǎng)絡(luò)孔進(jìn)入的太陽光可以直接被電池的接觸層吸收，降低 接觸層的串聯(lián)電阻。因此，總體上有效降低了太陽電池的串聯(lián)電阻和金屬與半導(dǎo)體的界面 復(fù)合，獲得優(yōu)異的聚光電池和薄膜電池性能。 實(shí)施例二如圖3所示，給出了完全采用網(wǎng)絡(luò)孔狀電極結(jié)構(gòu)的太陽電池示意圖。由網(wǎng)絡(luò)孔狀 金屬電極1、電池半導(dǎo)體接觸層3和半導(dǎo)體電池的其它部分4復(fù)合而成，其中電池的其它 部分對于Si電池來說，該部分包括PN結(jié)的emitterlayer、base layer、背場以及襯底；對 于III-V電池來說，該部分包括windowlayer、emitter layer、base layer以及背場、隧道 結(jié)和襯底等構(gòu)成電池的所有材料。由于正面電極不是實(shí)體電極，而是網(wǎng)絡(luò)孔狀電極，對于III-V族電池，在對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)孔下面去除相應(yīng)的接觸層，太陽光可以透過這些網(wǎng)孔進(jìn)入被電池吸收，其遮光比取決于網(wǎng)孔的占空比，同時(shí)，高長徑比的網(wǎng)絡(luò)孔狀電極結(jié)構(gòu)又可以獲得低 的串聯(lián)電阻，此外該種結(jié)構(gòu)電極與載流子產(chǎn)生區(qū)更接近，有利于高效收集載流子，也有利于 散熱。因此，非常適合高倍聚光電池使用。
權(quán)利要求
適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)形成于高倍聚光電池或薄膜電池的表面，其特征在于所述電池表面形成的金屬電極為密布而分散的網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)，與半導(dǎo)體的電池表面形成歐姆接觸，其中所述網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單孔軸向長度遠(yuǎn)大于徑向長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述金屬電極的圖形包括網(wǎng)孔覆蓋部分柵線電極配合實(shí)體共用電極、網(wǎng)孔覆蓋全部柵線電 極配合實(shí)體共用電極，或網(wǎng)孔全面覆蓋柵線電極和共用電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單孔形狀包括圓形、方形或任意多邊形，單一或混雜地互聯(lián)成網(wǎng) 狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)個(gè)單孔大小相同且均勻排布成陣列形狀，或離散分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)個(gè)單孔大小存在差異，均勻或離散地分布于金屬電極上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述高倍聚光電池或薄膜電池為基于III-V族材料的任意單結(jié)、雙結(jié)及多結(jié)電池；或?yàn)榛?于體硅、多晶硅、微晶硅、多孔硅和非晶硅材料的任意單結(jié)或多結(jié)電池。
7.權(quán)利要求1所述適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在 于所述網(wǎng)絡(luò)孔狀電極的結(jié)構(gòu)為先在半導(dǎo)體的電池表面沉積金屬層，而后對金屬層進(jìn)行刻 蝕形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特 征在于所述沉積金屬層的方法至少包括熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射及電鍍；所述網(wǎng)絡(luò) 孔狀電極圖形采用至少包括電子束曝光、干涉光刻、聚焦離子束光刻、普通光刻及自組裝的 方法制成；且針對金屬層刻蝕的方法包括離子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和濕法腐蝕。
9.權(quán)利要求1所述適用于高倍聚光電池和薄膜電池的電極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在 于所述網(wǎng)絡(luò)孔狀電極的結(jié)構(gòu)制法為先在半導(dǎo)體的電池表面形成相反圖形，沉積金屬層后 采用剝離的方式去除相反圖形。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種太陽電池電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)適用于高倍聚光電池或薄膜電池，其特征在于該電池表面形成的金屬電極為密布而分散的網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)，與半導(dǎo)體的電池表面形成歐姆接觸，其中每個(gè)單孔軸向長度遠(yuǎn)大于徑向長度。制法上先選擇高倍聚光電池或薄膜電池結(jié)構(gòu)材料，而后再在電池表面通過金屬沉積、刻蝕或剝離等方法制備形成網(wǎng)絡(luò)孔狀電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)電極代替實(shí)體電極，一方面可以在柵線相同的情況下，獲得穩(wěn)定的電極圖形，有效減少金屬和半導(dǎo)體之間的接觸電阻和金半接觸導(dǎo)致的非輻射復(fù)合，并有效減少遮光比，提升載流子的收集效率，從而整體上提高該聚光電池或者薄膜電池的效率。
文檔編號H01L31/0224GK101807609SQ20101014616
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者張瑞英, 楊輝, 董建榮 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所