[发明专利]纳米结构的硅基太阳能电池和生产纳米结构的硅基太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括纳米结构的硅基太阳能电池及用于生产纳米结构的硅基太阳能 电池的等离子体织构化方法。

背景技术

高反射率是太阳能电池性能损失的来源。例如在多晶Si太阳能电池中，由于光损 失高反射率一般构成≈8％的性能损失。

由于在Si-空气界面处产生的分等级的折射率，黑硅(BS)纳米结构允许实现低反 射率。

用于织构化硅表面的金属辅助湿法蚀刻黑硅工艺和反应离子蚀刻(RIE)是用于织 构化硅表面的已知方法。

至今还未证明RIE-织构化比标准湿法织构化更优异，主要是因为由于增加的表面 复合造成的较低的功率转换效率。

因此，组合低反射率和高性能的改善的硅太阳能电池将是有利的。

已知关于旨在减少表面高反射率的光优化的多个研究。然而，这些研究还未实施 在应用于太阳能电池和太阳能电池生产中的优化的纳米结构中。

而且，旨在减少表面高反射率的光优化一般不会解决与漫射光相关的问题。

因此，特别是表现出低反射率的改善的硅太阳能电池(其较少地依赖于光的入射 角)，诸如当漫射光辐照时表现出改善的效率的更有效的硅太阳能电池将是有利的。

此外，与在表面织构化中优化相关的太阳能电池的生产成本高。

因此，生产硅基太阳能电池的使得节省材料和生产成本的改善的方法也将是有利 的。

发明目的

本发明的目的是提供即使当被漫射光辐照时也具有改善的效率的硅太阳能电池。

提供生产硅基太阳能电池的更有效和低成本的方法，也可以看作本发明的目的。

发明内容

根据本发明，具有200-450nm之间的平均高度并具有100-200nm之间的节距的锥形 形状结构已显示为在硅表面上的纳米结构的最佳几何形状，所述硅表面提供低反射率并同 时避免或减少电荷表面复合。

因此，上述目的和几个其他目的意在本发明的一方面中通过提供包括硅基板的硅 基太阳能电池而得到，其中硅基板具有表面，并且至少部分所述表面包括具有200-450nm之 间的平均高度并具有100-200nm之间的节距的锥形形状结构。

在所述第一方面，本发明涉及硅基太阳能电池，至少部分其表面包括被优化的特 定的纳米结构拓扑，以实现低反射率并同时最小化表面电荷复合。

所述特定的纳米结构拓扑提供入射光的低反射率。同时，本发明的特定的纳米结 构拓扑优化了太阳能电池的光伏性能，例如提供低于2％的反射率，诸如低于1％；和高功率 转换效率，即在16.5％的范围中。

具有这些特定纳米结构的硅基太阳能电池对于在非理想条件下的操作是优化的， 例如具有较少依赖于光的入射角的低反射率，即，在表现出对太阳能电池和面板的实际非 理想操作的非理想入射角下和漫射光下还反而实现高效率。

因此与工业标准电池相比，除了实现在正常光入射下更低的反射率，纳米结构的 表面还具有优点：较低的反射率和在非理想入射角下甚至更低的反射率增加。当太阳光和 太阳能电池之间的相对角变化时-其是非常相关的现象，因为在地球上的一定位置处在一 天期间和在一年期间角度变化-RIE织构化电池的反射率的增加少于标准织构化太阳能电 池。反过来，太阳能电池吸收更多的光并潜在地变得更有效。

纳米结构的几何形状并因此硅基太阳能电池表面的拓扑相对于太阳能电池性能 是优化的，在这个情况下，其是最佳光吸收和最佳电性能之间的妥协，更特别地在最佳的光 电流和开路电压之间。

将节距或周期定义为锥形结构中心之间的距离，即锥形结构的锥形尖端之间的距 离。

将高度定义为硅基板的表面和锥形结构尖端之间的距离。

锥形形状的纳米结构具有圆形的周界、尖锐的尖端和较宽的基底。

在一些实施方式中，各锥形形状的结构的基底可以在100nm的区域中。锥形形状的 结构的宽度可以从基底到顶端减小，顶部宽度明显小于基底，例如降为仅仅几个nm，诸如在 1nm和20nm之间。

在一些实施方式中，锥形纳米结构具有75-200μm^-2的平均密度。

在一些实施方式中，包括锥形形状的纳米结构的至少部分表面具有大于150cm²的 区域。