[发明专利]一种用于硅基薄膜太阳电池的微结构陷光方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳加工、能源技术和光电子器件领域，具体地说，涉及的是一种硅基薄膜太阳电池陷光技术。

背景技术

进入21世纪，随着全球经济飞速发展，人类对能源的需求量持续增加，传统的化石能源日益枯竭，与此同时，因化石能源而产生的大量废气使我们的居住环境不断恶化。为应对能源危机和环境污染，必须开发利用可再生且清洁无污染的新能源，走可持续发展道路，以确保人类稳定、持久的能源供应。太阳通过氢核聚变，源源不断向外辐射能量。每秒钟照射到地球的能量相当于燃烧500万吨标准煤所产生的热量。对地球来说，太阳能是取之不尽，用之不竭的能源。太阳能电池吸收阳光，可以把太阳能直接转化为电能，没有污染也没有噪音，因此被视作绿色能源之一。

从所用材料多少和制备工艺来说，太阳能电池通常可分为体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。由于体硅电池具有效率高、工艺成熟等优点，长久以来一直在太阳能电池市场占据主导地位。但是，体硅电池也有自身的发展瓶颈，首先是硅原料消耗过大，导致电池价格居高不下；其次是电池制备需要高温，所耗能量回收周期长。随着技术的不断进步，薄膜太阳能电池占据越来越重要的地位。

相比传统的体硅太阳能电池，薄膜太阳能电池具有成本低、工艺简单及能耗少等优点(Vivian E.Ferry,MarcA.Verschuuren,“Light trapping in ultrathin plasmonic solar cells”,OPTICS EXPRESS,2010)。目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。硅基薄膜太阳能电池一般选用多晶硅、微晶硅或非晶硅为原料，通过PVD、CVD、ECD等方法沉积在玻璃、金属或塑料衬底上。薄膜太阳能电池吸收层厚度一般在几百纳米到几个微米，在这样小的厚度内，入射光很难被充分吸收，因此，薄膜太阳能电池的转化效率要比体硅电池低得多。为了提高薄膜太阳能电池的转化效率，需要采用陷光技术(ErikGarnett and Peidong Yang,“Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells”,NANO LETTERS,2010)。所谓陷光技术，就是在电池上制备纳米或微米尺度的结构，当光经过这些结构时，光束会发生散射。散射光以较大的入射角进入薄膜电池的吸收层，由于吸收层材料的折射系数通常比周围材质的折射率要高，大角散射的光束在吸收层中易于发生全反射。全反射光束在吸收层中来回振荡，直至被吸收层吸收生成光生载流子。这样，通过陷光技术，可以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收，从而提高电池的转化效率。

常见的陷光技术有两种。首先是绒面织构(Olindo Isabella,Janez ,and Miro Zeman,“Modulated surface textures for enhanced light trapping in thin-film silicon solar cells”,APPLIED PHYSICS LETTERS,2010)，通过在薄膜电池中制作绒面层来散射入射光束。通常绒面织构制作在透明导电层，一般通过溅射和酸蚀技术来制绒。绒面的粗糙度决定了对入射光的散射能力，即陷光能力。绒面织构的缺陷在于其织构尺寸一般在纳米数量级，这就决定了其对短波的散射能力很强，而对长波散射作用弱甚至不起作用；另一种陷光技术则是通过规则的几何结构来实现(Angelo Bozzola,Marco Liscidini,Lucio Claudio Andreani,“Photonic light-trapping versus Lambertian limits in thin film silicon solar cells with1D and2D periodic patterns”,OPTICS EXPRESS,2012)。常见的几何结构有矩形、三角形、球形等，结构呈周期阵列，类似光子晶体和衍射光栅。几何结构的形状、周期及排布的阵列都能影响陷光效果。相比绒面织构，几何结构更容易制备和控制，通过对几何结构的周期等优化设计，可有效提高薄膜电池的转化效率。

目前的薄膜太阳能电池，不管是采用绒面织构还是几何结构陷光，其陷光结构尺寸大多在几十到几百个纳米之间。纳米尺度的结构不但制备成本昂贵，而且对长波段光子不敏感。这就要求研究更大尺度的陷光结构，如微米量级的陷光结构，在提高电池长波段光吸收率同时简化制备工艺。