[发明专利]薄膜电池的制作方法以及薄膜电池

说明书

技术领域

本发明属于微纳光子学和光伏领域，适用于Si系薄膜太阳电池。

背景技术

高性价比是太阳电池真正能够走入市场成为可再生能源主流的主要标准。尽管由于晶Si材料的资源充分、无环境污染、高光电转换效率和成熟工艺，以晶Si为原料的太阳电池一直是光伏领域的主导产品，占绝对市场份额。但是鉴于Si是间接禁带半导体，由此导致的弱吸收使得传统的商业化晶Si电池厚度超过百微米，一方面由此造成的材料成本使得晶Si电池价格偏高，且为了有效地收集载流子并获得高的开路电压，必须选择晶体质量高的Si材料，由此造成的高提纯成本进一步使得晶Si电池价格居高不下，且低开路电压也使得其效率提高受限，因此电池薄膜化成为提高太阳电池性价比的主要手段受到人们的关注。但Si材料在长波段弱的吸收能力使得薄膜电池不能充分吸收太阳光，成为其效率低下的主要原因。

从光学角度讲，全纳光子结构电池（纳米线/柱电池、光子晶体电池）可以实现很好的光学陷光，然而由此引进的表面积增加直接导致高表面复合和低载流子收集，直接影响到电池效率的提高。尽管利用金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应可以增强Si电池的吸收效率，且不增加Si材料自身的表面积和表面非辐射复合，但是金属粒子本身的高吸收和共振激发的窄谱行为使得该种方式提高薄膜太阳电池吸收效应非常有限。因此，如何实现Si电池内的高效陷光、且不增加表面非辐射复合成为Si系薄膜电池真正实用化、并占据市场份额的关键，还有待进一步解决。

此外，实验证明，表面织构化成为商业化晶Si电池提高效率的重要手段，使得电池吸收效率可最高提高4n²（n为Si材料的折射率）；但是该种微米级织构化不适用于薄膜Si系电池。针对上述问题和薄膜晶Si电池的需求，我们提出，在薄膜Si系电池表面实现纳米级织构化，形成纳米光栅，使得其一方面通过渐变折射率有效降低表面反射损失，同时利用其泄漏模谐振效应将太阳光有效耦合到电池薄膜结构的导模中，并通过该纳米光栅有效增加部分频谱的光子态密度，从而整体上获得高效陷光效应；更为重要的是，在该纳米级光栅表面自复制一层介质膜，有效钝化Si电池表面的非辐射复合中心，保证载流子收集效率；同时不降低原有太阳电池的高效陷光效应，因此，与其他纳光子结构相比，该叠层纳米光栅结构可真正应用于薄膜太阳电池，有效提高太阳电池效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高效的薄膜电池结构，同时实现宽谱减反、高效陷光和表面钝化效应，获得高的光电转换效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种薄膜电池的制作方法，包括如下步骤：在导电衬底上沉积电池层；在电池层上形成纳米光栅制备需要的纳米图案；在上述纳米图案掩膜下，在电池层的表面形成纳米光栅；在电池层的纳米光栅表面形成PN结；在PN结表面制备顶电极；在电池层的窗口区沉积介质膜，以钝化纳米光栅，形成完整的叠层纳米光栅结构；在导电衬底未沉积电池层的一侧制备背面电极。

可选的，纳米光栅的几何形状可以是锥形、楔形、金字塔形、倒金字塔型、圆柱形棱柱形中的任意一种，其光栅的周期范围是100-1000nm，占空比范围是0.1-0.9，以实现高效陷光。光栅可以是一维周期性结构、二维周期性结构、以及调制周期性结构和准周期性结构。

可选的，所述背电极为周期性纳米（微米）结构电极或者普通平面电极。

可选的，纳米图案的形成方法选自于电子束曝光、干涉光刻、纳球光刻、和纳米压印中的任意一种。

可选的，所述导电衬底选自于金属衬底、ITO玻璃衬底、单晶硅衬底中的任意一种。

可选的，所述电池层中包括薄膜Si系电池，所述薄膜Si系电池中的电池材料进一步选自于单晶Si材料、多晶Si材料、微晶Si材料和非晶Si材料中的任意一种或者多种的组合。

可选的，所述纳米光栅采用干法刻蚀或者湿法腐蚀形成。所述干法刻蚀选自于反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀和电子回旋共振等离子体刻蚀中的任意一种；所述湿法腐蚀包括采用氢氧化钾溶液的各向异性腐蚀。

可选的，所述PN结通过离子注入或者沉积的方式形成。

可选的，所述介质膜的材料选自于SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、SiN中一种或者多种。

可选的，所述介质膜的制作方式选自于等离子体增强型化学气相沉积、磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发、和原子层沉积中的任意一种。