[发明专利]一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池。

背景技术

近年来，随着科技的进步、经济的发展，各国对能源的需求越来越大，电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，促进了光伏产业的迅速发展。太阳能光伏发电的核心器件是太阳能电池，硅太阳能电池由于来源广泛，成本低，占据着太阳能电池的主导地位。目前太阳能电池主要包括晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。与晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有成本低，可大面积生产，弱光性更佳等优势。但是薄膜太阳能电池由于减少了吸收层厚度，吸收长度也相应减少，从而导致薄膜硅太阳能电池光电转换效率不高。大量研究表明在硅片表面制备某种特定形状的周期性、规则性纳米结构，不但可以增加太阳光在硅片内部的有效运动长度，造成入射光之间的耦合，还可以减小入射光从空气向硅片传播路径中的折射率，从而有效提高了太阳电池的转换效率。

目前，工业生产上为了提高硅基薄膜太阳能电池的效率，主要的方法是采用表面无序结构和金字塔结构。第一种是利用表面无序的介质纹理结构或者金属颗粒作为前向或后向散射体。例如，RahulDewan研究了表面无序陷光结构的陷光能力。他首先利用原子力显微镜(AFM)扫描了表面无序结构的形状，为了更清楚显示表面的结构，分别列出了幅度值增大三倍和缩小三倍的曲线。在得到曲线形状的基础上，他进一步用严格耦合波算法(RCWA)方法计算了结构的陷光能力。虽然用这种结构能够提升薄膜电池的吸收能力，但是从该研究结果可以看出。无序结构是先制作面型结构再进行参数分析。因此对于表面无序陷光结构的设计研究存在一定偶然性，无法重复某些较好的结构面型，更无法基于特定面型做改进。第二种是使用周期性的介质结构或光子晶体来俘获光，利用光栅耦合作用能有效地提升一定带宽的光子吸收。例如，GangChen等人运用湿法刻蚀的方法在5μm厚的硅基太阳能电池中制备出了倒金字塔结构，并且达到了37.1mA/cm2的短路电流密度。但是，湿法刻蚀得制备方法往往也会形成杂乱无序的结构。虽然随机无序的陷光结构可以获得宽光谱范围内吸收增长，但由于结构排列无序难以实现最大化增强吸收。为了使纳米结构排列的整齐有序，他们采用掩膜光刻和湿法刻蚀相结合的方法，然而这一方法也只适用于单晶硅太阳能电池。

整体来说，现有技术利用无序结构或金字塔所能起到的光谱吸收范围增加有限，吸收效率不高，制作工艺复杂，成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陷光结构和其制作方法以及应用该结构的薄膜太阳能电池，起到不但具有周期性面型耦合来增强宽光谱吸收效率，增强光谱吸收，并且制作无需掩膜版、简单、快速且成形面积大的作用。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种陷光结构，包括二维直角四棱锥形陷光硅层，所述二维直角四棱锥形陷光硅层由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。

更进一步的，所述硅吸收层的厚度为1000nm，所述二维直角四棱锥的周期变化范围为300nm到1300nm，高度变化范围为100nm到1000nm。

更进一步的，二维直角四棱锥的单个周期的周期为700nm，高度是900nm。

一种制备陷光结构的方法，包括以下步骤：用双光束干涉在硅上刻制作直角四棱锥形陷光结构，单个周期的二维直角四棱锥的形成方式是：两束具有同样光强的干涉光，当两束相干光到达有一定倾斜角度的倾斜基板面上时，所述两束干涉光的光程约波长的整数倍，使得原本对称的余弦干涉图样削掉一半，变成非完全对称结构，然后通过转动基板90°第二次曝光，被曝光的正性光刻胶经显影过后形成所述二维直角四棱锥结构。

一种薄膜太阳能电池，包括金属电极，所述金属电极的外层依次设置有第一透明导电氧化物薄膜层、硅吸收层、二维直角四棱锥形陷光硅层和第二透明导电氧化物薄膜层，其中所述二维直角四棱锥形陷光硅层由微纳周期性且非完全对称的二维直角四棱锥阵列构成，其中单个周期的二维直角四棱锥的形状是：底面为正方形，一条棱边垂直于底面，与该棱边相邻的两个侧面均垂直于底面，另外两侧面倾斜于所述底面。