本發(fā)明涉及一種提高薄膜太陽(yáng)電池光子吸收效率的方法，具體涉及以二維光子晶體和一維光子晶體(分布布拉格反射器dbr)為作為薄膜太陽(yáng)電池的背面陷光結(jié)構(gòu)，通過(guò)光子晶體對(duì)光的反射及衍射作用提高光子在薄膜太陽(yáng)電池吸收層內(nèi)的傳播路徑，從而提高薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

背景技術(shù)：

薄膜太陽(yáng)電池由于低的原材料成本且成熟的制造技術(shù)一直受到光伏領(lǐng)域的青睞。然而，薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于體硅太陽(yáng)電池，一個(gè)重要的原因在于薄膜太陽(yáng)電池具有較薄的吸收層，對(duì)光子的吸收較弱，特別是對(duì)紅外－近紅外長(zhǎng)波光子的吸收較弱。以單晶硅為例，波長(zhǎng)為800nm的太陽(yáng)光對(duì)應(yīng)的吸收長(zhǎng)度為10um，當(dāng)波長(zhǎng)為1000nm時(shí)，對(duì)應(yīng)的吸收長(zhǎng)度高達(dá)3mm。顯然，具有微納厚度的薄膜太陽(yáng)電池(厚度一般約為2-10um)無(wú)法吸收這部分光子。然而這個(gè)波長(zhǎng)范圍包含了超過(guò)36％的能量大于帶隙寬度的太陽(yáng)光子，這部分光子透過(guò)電池底部直接逸出，極大地降低了太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是在電池的背表面設(shè)計(jì)一種能夠延長(zhǎng)光子在吸收層內(nèi)傳播路徑的陷光結(jié)構(gòu)。目前而言，解決這個(gè)問(wèn)題的一般方法是在電池的背面構(gòu)造一個(gè)金屬銀絨面背反射器，可以使穿過(guò)電池吸收層沒(méi)有被有效吸收的長(zhǎng)波光子反射回吸收層進(jìn)行二次吸收，提高光子在吸收層的傳播路徑，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。然而，金屬絨面反射器僅僅實(shí)現(xiàn)光子雙倍光程有限吸收，同時(shí)還會(huì)遭受表面等離子模式本征損失，而這種損失在長(zhǎng)波范圍內(nèi)表現(xiàn)得更為劇烈，因此該方法陷光作用十分有限。其陷光作用如附圖1所示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的光子在硅材料內(nèi)的傳播路徑有限；部分光子會(huì)透過(guò)背反射結(jié)構(gòu)直接從電池底部逸出的兩個(gè)問(wèn)題，提供一種增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)電池光子吸收效率的方法以及薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，既保證了光子晶體對(duì)光子的高反射作用，又可通過(guò)二維光子晶體衍射作用獲得較大傾角的衍射光

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：一種增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)電池光子吸收效率的方法，

步驟1：取一薄膜太陽(yáng)電池所用的外延片，對(duì)外延片進(jìn)行清洗；

步驟2：在電池的背表面熱蒸發(fā)導(dǎo)電極；

步驟3：在導(dǎo)電極層上面外延沉積一層二氧化硅層；

步驟4：在二氧化硅外延層上懸涂光刻膠；

步驟5：對(duì)光刻膠進(jìn)行前烘，形成樣品；

步驟6：在光刻膠上制作二維光子晶體掩膜圖形；

步驟7：對(duì)形成掩膜圖形的樣品進(jìn)行后烘；

步驟8：對(duì)烘好的樣品進(jìn)行干法刻蝕，將光刻膠上光子晶體圖形轉(zhuǎn)移至二氧化硅上；

步驟9：去除掩膜膠；

步驟10：在制作好光子晶體圖形的襯底上沉積硅材料，填充光子晶體孔洞；

步驟11：采用pecvd沉積工藝交替沉積若干層si/sio2薄膜層，制作分布布拉格反射層(dbr)，完成光子晶體陷光結(jié)構(gòu)制作。

本發(fā)明提出了一種新型陷光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是一種疊層結(jié)構(gòu)底部反射器，由二維光子晶體和一維光子晶體(分布布拉格反射器dbr)組成。該結(jié)構(gòu)既保證了光子晶體對(duì)太陽(yáng)光的高無(wú)損耗反射，又可通過(guò)二維光子晶體衍射作用獲得較大傾角的衍射光。當(dāng)衍射角大于光子臨界角時(shí)，在電池的上內(nèi)表面會(huì)發(fā)生全反射，使光子重新回到電池吸收層，極大地延長(zhǎng)了光子在電池內(nèi)部的傳播路徑，增強(qiáng)了光子的吸收效率。

本發(fā)明以晶體硅太陽(yáng)電池為例，可適用于任何薄膜太陽(yáng)電池的陷光結(jié)構(gòu)。形成高無(wú)損耗反射的原因是由于光子晶體會(huì)形成光子帶隙，處于帶隙頻率的光子會(huì)在光子晶體表面發(fā)生無(wú)損耗全反射，二維光子晶體由于具有周期性分布，光子在其表面會(huì)發(fā)生衍射作用。

附圖說(shuō)明

圖1是以金屬作為背反射結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)電池；

圖2是具有光子晶體陷光結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)電池示意圖；

圖3是二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)曲線；

圖5是薄膜太陽(yáng)電池i-v曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施案例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如附圖所示，本發(fā)明的一種以光子晶體為背陷光結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，是由薄膜太陽(yáng)電池外延片、二維光子晶體結(jié)構(gòu)和分布布拉格反射器結(jié)構(gòu)組成。

上述以光子晶體作為陷光結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)電池對(duì)光子吸收的方法如下：

步驟1：取一薄膜太陽(yáng)電池所用的外延片，對(duì)外延片進(jìn)行清洗，該外延片為si-基薄膜太陽(yáng)電池；

步驟2：利用簡(jiǎn)便的射頻磁控濺射技術(shù)在si基外延片上制備出zno:al層作為透明導(dǎo)電極；

步驟3：在透明導(dǎo)電層上面用磁控濺射沉積一層厚度約為150nm厚的二氧化硅(sio2)層；

步驟4：在二氧化硅外延層上懸涂光刻膠，旋轉(zhuǎn)得到厚度為120nm左右的光刻膠層，方便后續(xù)刻蝕得到側(cè)壁垂直的二維光子晶體圖形；

步驟5：對(duì)光刻膠進(jìn)行前烘，形成樣品。

步驟6：采用雙光束干涉曝光設(shè)備，對(duì)樣品兩次曝光、顯影，形成二維周期光刻膠掩膜圖形；圖形尺寸大小周期為1微米左右，孔半徑為0.35微米左右，深度為光刻膠的厚度120nm左右。

步驟7：對(duì)形成掩膜圖形的樣品進(jìn)行后烘，以除去光刻膠中殘余溶劑，提高光刻膠掩膜的抗刻蝕能力；

步驟8：采用反應(yīng)離子刻蝕方法對(duì)樣品進(jìn)行干法刻蝕，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移至sio2薄膜層上，通過(guò)調(diào)節(jié)刻蝕條件獲得側(cè)壁垂直光滑，大小均勻，孔深約為100nm的光子晶體；

步驟9：采用氧等離子氣體去除sio2表面殘余的光刻膠；

步驟10：在制作好光子晶體圖形sio2層上用pecvd法沉積si薄膜，填充光子晶體孔洞，形成以si/sio2為材料的二維光子晶體結(jié)構(gòu)；

步驟11：采用pecvd沉積工藝交替沉積若干層si/sio2薄膜層，形成分布布拉格反射層(dbr)，完成光子晶體陷光結(jié)構(gòu)制作。

本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于包含以下幾個(gè)方面：

1、二維光子晶體參數(shù)的設(shè)計(jì)，光子晶體的周期，占空比及光子晶體的厚度是影響光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)陷光強(qiáng)弱的重要因素。

2、對(duì)不同的薄膜電池材料及厚度，光子晶體的參數(shù)選擇需要進(jìn)行理論優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的吸收效率。

3、進(jìn)行光子晶體制作時(shí)，掩膜的種類及掩膜厚度的選擇是關(guān)鍵因素，需要選擇能夠滿足高寬深比刻蝕的光刻膠。同時(shí)控制好反應(yīng)離子刻蝕條件是獲得孔洞大小均勻，側(cè)壁垂直光滑的光子晶體的關(guān)鍵因素。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種提高薄膜太陽(yáng)電池光子吸收效率的方法，具體步驟如下：1：取一薄膜太陽(yáng)電池所用的外延片，對(duì)外延片進(jìn)行清洗；2：在電池的背表面熱蒸發(fā)導(dǎo)電極；3：在導(dǎo)電極層上面外延沉積一層二氧化硅層；4：在二氧化硅外延層上懸涂光刻膠；5：對(duì)光刻膠進(jìn)行前烘，形成樣品；6：在光刻膠上制作二維光子晶體掩膜圖形；7：對(duì)形成掩膜圖形的樣品進(jìn)行后烘；8：對(duì)烘好的樣品進(jìn)行干法刻蝕，將光刻膠上光子晶體圖形轉(zhuǎn)移至二氧化硅上；9：去除掩膜膠；10：在制作好光子晶體圖形的襯底上沉積硅材料，填充光子晶體孔洞；11：采用PECVD沉積工藝交替沉積若干層Si/SiO?2薄膜層，制作分布布拉格反射層(DBR)，完成光子晶體陷光結(jié)構(gòu)制作。

技術(shù)研發(fā)人員：彭銀生;姚明海
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.31
技術(shù)公布日：2017.09.26