本發(fā)明涉及一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及光伏器件、微納加工。

背景技術(shù)：

1、硅作為太陽能電池的主要材料，卻具有36％的反射率，較高的反射率降低了電池對太陽光的利用率。為提高電池對光的吸收，陷光結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。傳統(tǒng)制備陷光結(jié)構(gòu)的技術(shù)包括表面制絨技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、光子晶體技術(shù)等，通過在電池表面形成納米線，納米球等納米結(jié)構(gòu)來增加入射光的散射，讓更多的光耦合進(jìn)電池，從而增加太陽能電池對入射光的吸收。太陽能電池表面的納米結(jié)構(gòu)可以減少太陽光的反射，增加入射光的光程，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率和短路電流密度等光電性能。

2、對于硅基薄膜電池來講，陷光是指讓更多的入射光進(jìn)入電池內(nèi)部而被光響應(yīng)層有效利用而轉(zhuǎn)換成電子。陷光技術(shù)主要作用于三方面：第一，減少表面反射，讓更多的光子進(jìn)入太陽電池內(nèi)的半導(dǎo)體光響應(yīng)層；第二，增加內(nèi)部吸收，其意義在于讓進(jìn)入電池的光子能夠更加有效地被吸收，減少光子的逃逸；第三，光譜轉(zhuǎn)化，旨在將半導(dǎo)體材料響應(yīng)較差的光子轉(zhuǎn)化成響應(yīng)更好的光子，擴(kuò)展吸收光譜寬度，提高全光譜的利用率。陷光技術(shù)不僅可以改善薄膜電池對全光譜光子的吸收率，提高光電轉(zhuǎn)換效率，還可進(jìn)一步地減小光伏器件中響應(yīng)層厚度，為降低成本提供更多可能。郭小偉等人于2016年公開的一種陷光結(jié)構(gòu)和其制作方法以及應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池(中國專利：201510815200.7)提供一種具有二維直角四棱錐形陷光硅層的陷光結(jié)構(gòu)和其制作方法以及應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池，來增強(qiáng)寬光譜吸收效率；劉俊星等人于2023年公開的一種利用雙層金屬超材料的新型薄膜太陽能電池(中國專利：202321213444.4)利用兩層二維納米光柵結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄膜薄膜形成界面接觸，形成陷光結(jié)構(gòu)，減少出射面的透射，最大限度的將入射光限制在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄膜內(nèi)；李躍龍等人于2024年公開的一種三維陷光電極背接觸太陽能電池(中國專利：202410247198.7)將背接觸太陽能電池的平面電極設(shè)計成三維陷光結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的三維陷光電極在避免遮光損耗的同時顯著提升整體的光電轉(zhuǎn)換效率。上述陷光技術(shù)都提升了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，但目前仍沒有探討將硅基薄膜太陽能電池材料依次沉積在陷光結(jié)構(gòu)表面，使硅基薄膜太陽能電池的表面陷光結(jié)構(gòu)與內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)同時作用，這就限制了陷光技術(shù)提升硅基薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的更多可能性。

3、本發(fā)明公開了一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。該發(fā)明以紋理玻璃為襯底，將薄膜太陽能電池材料依次沉積在所述紋理玻璃底面構(gòu)筑出一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。與在先技術(shù)相比，表面陷光結(jié)構(gòu)能夠使入射光在其凹陷結(jié)構(gòu)中多次反射，內(nèi)部的紋理結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步“捕獲”入射光于有源層中，增加光有效吸收面積、優(yōu)化光的散射提高電池對光的捕獲能力，并增大載流子傳輸層面積、縮短電荷傳輸距離降低電荷復(fù)合率，從而提升整體的光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。

2、本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

3、一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，它由前電極層2、非晶硅層3、空穴傳輸層4、背電極層5依次沉積在制備好的紋理結(jié)構(gòu)玻璃1的下表面組成。在受到太陽光6照射時，紋理結(jié)構(gòu)玻璃1為較高的抗反射結(jié)構(gòu)，減少入射光在電池表面的反射，讓更多的太陽光耦合進(jìn)電池從而提高太陽能電池的總體光吸收量，從而為活化層提供更多的入射光子，前電極層2為銦錫氧化物，作為電池的前觸點收集電子。然后，非晶硅層3通過產(chǎn)生電子-空穴對來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，作為整個器件的主要光吸收層；空穴傳輸層4用以阻止電子的通過；背電極層5阻止未被充分利用的長波長的光透過電池，為增加太陽光的利用率，背反射層將溢出的光反射回非晶硅層3來增加太陽能電池的吸收。在此過程中，入射太陽光6先通過頂部的陷光結(jié)構(gòu)發(fā)生散射，不再沿著原來與平面垂直的方向傳播，光程被延長。然后接觸到凹陷結(jié)構(gòu)前電極層2，光線再次發(fā)生散射，光能通過折射被匯集到非晶硅層中，增強(qiáng)電池對入射光的光能吸收，從而提高短路電路，進(jìn)一步提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

4、所述的紋理結(jié)構(gòu)玻璃上表面凹陷結(jié)構(gòu)的具體制備流程為：其一，采用標(biāo)準(zhǔn)清洗法步驟對實驗玻璃基片進(jìn)行徹底的清洗，去除玻璃表面的雜質(zhì)，保證玻璃的高清潔度，放進(jìn)干燥箱中備用；其二，由于銅或金與玻璃襯底間的結(jié)合力較差，先采用磁控濺射方法在清潔玻璃表面先濺射一層鉻，再濺射一層銅或金，形成復(fù)合金屬種子層結(jié)構(gòu)；其三，旋涂光刻膠，涂膠完成后進(jìn)行烘干處理，使膠膜硬化；其四，采用紫外光照射光刻膠，然后在顯影液中顯影，將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)到襯底表面的光刻膠上，然后在烘箱中進(jìn)行烘烤；其五，采用離子束刻蝕方法刻蝕種子層，接著將樣品浸泡在丙酮中進(jìn)行去膠處理；其六，采用氫氟酸溶液刻蝕帶結(jié)構(gòu)金屬種子層掩膜的玻璃襯底；其七，將刻蝕后的玻璃基片浸沒在硝酸鈰銨和高氯刻蝕液中，直至將殘留的金屬種子層去除干凈，得到一面有紋理結(jié)構(gòu)的玻璃。所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃凹坑陣列尺寸為微納米級別。

5、所述的紋理結(jié)構(gòu)玻璃下表面凸包結(jié)構(gòu)的具體制備流程為：以pdms為澆注材料，以上述凹坑陣列結(jié)構(gòu)玻璃為模擬，通過澆注工藝，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的“復(fù)制”，形成表面凸包陣列的pdms膠模，并將其應(yīng)用到硅薄膜太陽能電池上。具體步驟為：其一，制備好干凈的微納結(jié)構(gòu)玻璃基片并清潔玻璃襯底；其二，制備結(jié)構(gòu)玻璃模板；其三，澆鑄pdms膠；其四，脫模，形成帶結(jié)構(gòu)的pdms膠。所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃凹坑陣列尺寸為微納米級別。

6、所述硅基薄膜太陽能電池沉積在紋理玻璃的下表面的具體步驟為：其一，采用磁控濺射法，在紋理玻璃的下表面濺射前電極層；其二，采用電子束蒸發(fā)法，在電池前電極層上沉積電子傳輸層；其三，在透明電極上，沉積非晶硅薄膜形成非晶硅層；其四，采用電子束蒸發(fā)法，在非晶硅層上沉積空穴傳輸層；最后采用磁控濺射法，在空穴傳輸層上濺射背電極層。

技術(shù)特征：

1.一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：包括紋理結(jié)構(gòu)玻璃1，所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃1的上下表面均設(shè)有陷光結(jié)構(gòu)，上下結(jié)構(gòu)的參數(shù)相同，所述陷光結(jié)構(gòu)的下表面依次沉積有前電極層2、非晶硅層3、空穴傳輸層4、背電極層5。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：所述紋理結(jié)構(gòu)玻璃1采用熔融石英玻璃基板制備，所述陷光結(jié)構(gòu)為周期排列的半球凹坑陣列。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：所述前電極層2的材料為氧化銦錫(ito)，是一種透明導(dǎo)電玻璃，具有良好的導(dǎo)電性和透明性，厚度為50-150nm；所述非晶硅層3的材料為a-si，厚度為200-500nm；所述空穴傳輸層4的材料為氧化鋅(zno)，厚度為50-100nm；所述背電極層5的材料可以是金、銀、鋁中的一種，厚度為100-300nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半球凹坑陣列，其特征是：半徑為0.2μm-0.4μm，其深度和直徑的比值為0.5。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供的是一種表面凹陷紋理結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征是：它由前電極層2、非晶硅層3、空穴傳輸層4、背電極層5依次沉積在制備好的紋理結(jié)構(gòu)玻璃1的底部組成。本發(fā)明的硅基薄膜太陽能電池，其頂部的紋理結(jié)構(gòu)表面形成高效的抗反射，入射太陽光6發(fā)生散射后進(jìn)入電池內(nèi)部，然后底部的紋理結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步“捕獲”入射光于非晶硅層3中，增強(qiáng)電池對入射光的吸收能力，降低電池器件的反射率，減少光能逃逸，延長光程，最終提升電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)研發(fā)人員：陳樂,吳鋆
受保護(hù)的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19