飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法技术

一种飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，将p‑i‑n结构非晶硅薄膜太阳能电池，固定于飞秒激光微纳加工平台，飞秒激光脉冲经10倍物镜的显微镜系统垂直入射，聚焦在薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上；线偏振飞秒激光脉冲将对非晶硅薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上进行绒化处理，得到高效的p‑i‑n结构非晶硅薄膜太阳能电池。优点是：工艺简单，成本低廉，光电转换性能提高显著，得到的太阳能电池光电转换效率达到14.9％，是未经处理非晶硅薄膜太阳能电池转换效率的2倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料制备
，尤其涉及一种通过飞秒激光脉冲刻蚀方法制备太阳能电池表面减反射层以增强非晶硅薄膜太阳能(a-SiTFSCs)电池性能的方法。
技术介绍
目前环境污染和传统能源(包括石油、煤和天然气)短缺，成为限制世界各国经济发展的两大难题。太阳能电池作为一种可以把太阳辐射光能直接转化为电能的装置，在光电转化过程中，既不需要消耗传统能源，同时，也完全没有环境污染物产生，是一种非常有前景的光电半导体转化器件。目前各国正在研究的太阳能电池类型主要有硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、多元化合物太阳能电池(如CdS/CdTe、Cu(In,Ga)Se2/CdS等)，以及有机染料敏化太阳能电池等。综合考虑能量转换效率和使用寿命等性能，非晶硅太阳能电池虽然转换效率略低，但成本更低廉，因而成为更有发展前途的新型硅基太阳能电池。目前情形，p-i-n结构的非晶硅薄膜太阳能电池耗材更少，且光电转化效率相对较高的特点，决定了它仍是薄膜太阳能电池的主流。当前，如何进一步提高非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率(η)仍是该领域亟待研究的问题之一。到目前为止，通过硅基太阳能电池硅膜表面“光俘获”增强光吸收的方法，主要包括减反射吸收层绒面的制备、贵金属纳米粒子等离激元共振增强光吸收和金属狭缝非局域等离激元增强光吸收等。制备减反射层绒面相对于等离激元增强薄膜电池表面光吸收而言，具有制作工艺简单成熟，性能相对稳定，造价低廉等优势。PythonM等人通过化学气相沉积(LP-CVD)的方法在微晶硅太阳电池硅表面上形成“V型”和“U型”绒面结构使电池的反向饱和电流有显著增加，并且Voc(open-circuitvoltage，开路电压)和FF(fillfactor，填充因子)也有明显提高。Sandeep等人通过高温退火的方式，在半导体硅材料表面成功制备了“倒金字塔型”绒面结构，使得硅表面光吸收性能得到显著提升。然而，上述减反射层绒面制备方法，并不适应于吸收层厚度仅为1-2μm的非晶硅薄膜太阳能电池。Maliheh等人采用纳秒Nd:YAG激光脉冲辐照条件下，诱导抛光硅表面“树突状”光俘获微纳结构的形成，进而达到减反射的目的。激光微纳加工技术以其加工过程简单、制备精度高、以及精确操控性强等优势，日益受到人们关注。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种制备工艺简单，成本低廉，光电转换性能提高显著，且没有任何污染物的飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法。本专利技术的技术解决方案是：一种飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其具体步骤如下：将p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池，固定于飞秒激光微纳加工平台，飞秒激光脉冲经10倍物镜(数值孔径为0.25)的显微镜系统垂直入射，聚焦在薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上；设置飞秒激光脉冲能量密度为0.5J/cm2～1.25J/cm2和激光脉冲刻蚀周期间隔为8μm～30μm，线偏振飞秒激光脉冲将对非晶硅薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上进行绒化处理，得到高效的p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池。进一步的，飞秒激光微纳加工平台，移动速率为1mm/s恒速移动，平台电机步进精度为0.1μm。进一步的，飞秒激光脉冲能量密度(W)为0.75J/cm2；激光脉冲刻蚀周期间隔(T)为15μm。进一步的，所述飞秒激光脉冲经10倍物镜的数值孔径为0.25。进一步的，所述p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池的制备步骤如下：1.1、制备TCO层首先，通过射频磁控溅射方法在玻璃基底一侧溅射厚度为200nm由SnO2构成的TCO层；1.2、制备p型非晶硅半导体通过等离子体增强化学气相沉积方法，在TCO层上面沉积厚度为600nm的p型非晶硅半导体；1.3、制备i型非晶硅半导体在p型非晶硅半导体层上面，通过等离子体增强化学气相沉积方法，沉积厚度为600nm的i型非晶硅半导体；1.4、制备n型非晶硅半导体在i型非晶硅半导体层上面，还是通过等离子体增强化学气相沉积方法，沉积厚度为600nm的n型非晶硅半导体；1.5、制作铝电极通过真空蒸镀的方式，在制备的p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池顶部，制作铝电极，得到p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池。进一步的，制备TCO层时，将In2O3-SnO2陶瓷靶放置于磁控溅射镀膜系统内，将清洗干净的玻璃基底水平放置于衬底座的中心位置，封闭反应室，进行溅射镀膜；其中，溅射腔的真空度为10-2Pa，通入纯度为99.99％的氩气作为反应气体，氩气流速为15.3sccm，衬底温度为300℃，溅射功率为600W，In2O3-SnO2陶瓷靶溅射电压为-110V，溅射时间为20分钟，沉积速率10nm/min。进一步的，制备p型非晶硅半导体时，将表面沉积TCO导电层的玻璃基底水平放置于磁控溅射镀膜系统衬底座的中心位置，封闭反应室，进行增强化学气相沉积；其中，反应室真空度为10-5Pa，衬底温度为250℃，向反应室内通入SiH4、B2H6和H2，SiH4、B2H6和H2的流速分别为6sccm、4sccm和20sccm，沉积时气压控制在80Pa，射频功率为160W，溅射时间为15分钟，沉积速率40nm/min。进一步的，制备i型非晶硅半导体时，将最上表面沉积p型非晶硅半导体玻璃基底水平放置于磁控溅射镀膜系统衬底座的中心位置，封闭反应室；其中，反应室真空度为10-5Pa，衬底温度为350℃，向反应室内通入SiH4和H2，SiH4和H2的流速分别为6sccm和24sccm，沉积时气压控制在80Pa，射频功率为160W，溅射时间为15分钟，沉积速率40nm/min。进一步的，制备n型非晶硅半导体时，将最上表面沉积i型非晶硅半导体玻璃基底水平放置于磁控溅射镀膜系统衬底座的中心位置，封闭反应室；其中，反应室真空度为10-5Pa，衬底温度为300℃；通入SiH4、PH3和H2，SiH4、PH3和H2的流速分别为6sccm、4sccm和20sccm，沉积时气压控制在80Pa，射频功率为160W，溅射时间为15分钟，沉积速率40nm/min。本专利技术的有益效果：1、极短的脉冲持续时间(10-15s)，使得飞秒激光脉冲与非晶硅薄膜太阳能电池相互作用过程中，基本上不需要考虑流体动力学过程的影响。激光能量直接沉积在硅膜固体密度的趋肤层内，使能量的吸收更为集中，大大降低了材料的烧蚀阈值。再加上光与物质相互作用时间的缩短，热传导作用的热效应体积大大减少，当激光能流密度被调整到等于或刚刚超过硅膜半导体材料的烧蚀阈值时，材料中的热影响区实际上比聚焦会更小，这不仅极大的提高了加工的精度，同时也实现了真正意义上的“冷”加工；2、基于飞秒激光微纳加工技术加工精度高、热效应小和损伤阈值低的特点，以及聚焦飞秒激光脉冲附近具有超高电场强度，能够诱导多光子吸收、离子化等非线性效应；飞秒激光脉冲刻蚀非晶硅薄膜太阳能电池时，主要是以蒸发汽化的方式进行，半导体材料熔化、液相流动以及再凝结等过程的影响被大大减小，甚至可以忽略，使得表面绒化非晶硅太阳能电池的表面更为平整和光滑，提高了微纳加工过程的可控性和精密性；3、操作过程简单，全程自动化，通过预先设定激光微纳加工系统的刻蚀参数，激光脉冲能量和刻蚀周期间隔，在半导体材料表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其特征是：具体步骤如下：将p‑i‑n结构非晶硅薄膜太阳能电池，固定于飞秒激光微纳加工平台，飞秒激光脉冲经10倍物镜(数值孔径为0.25)的显微镜系统垂直入射，聚焦在薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上；设置飞秒激光脉冲能量密度为0.5J/cm2～1.25J/cm2和激光脉冲刻蚀周期间隔为8μm～30μm，线偏振飞秒激光脉冲对非晶硅薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上进行绒化处理，得到高效的p‑i‑n结构非晶硅薄膜太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其特征是：具体步骤如下：将p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池，固定于飞秒激光微纳加工平台，飞秒激光脉冲经10倍物镜(数值孔径为0.25)的显微镜系统垂直入射，聚焦在薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上；设置飞秒激光脉冲能量密度为0.5J/cm2～1.25J/cm2和激光脉冲刻蚀周期间隔为8μm～30μm，线偏振飞秒激光脉冲对非晶硅薄膜太阳能电池n型非晶硅膜表面上进行绒化处理，得到高效的p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池。2.根据权利要求1所述的飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其特征是：飞秒激光微纳加工平台，移动速率为1mm/s恒速移动，平台电机步进精度为0.1μm。3.根据权利要求1所述的飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其特征是：飞秒激光脉冲能量密度(W)为0.75J/cm2；激光脉冲刻蚀周期间隔(T)为15μm。4.根据权利要求1所述的飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其特征是：所述飞秒激光脉冲经10倍物镜的数值孔径为0.25。5.根据权利要求1所述的飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其特征是：所述p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池的制备步骤如下：1.1、制备TCO层首先，通过射频磁控溅射方法在玻璃基底一侧溅射厚度为200nm由SnO2构成的TCO层；1.2、制备p型非晶硅半导体通过等离子体增强化学气相沉积方法，在TCO层上面沉积厚度为600nm的p型非晶硅半导体；1.3、制备i型非晶硅半导体在p型非晶硅半导体层上面，通过等离子体增强化学气相沉积方法，沉积厚度为600nm的i型非晶硅半导体；1.4、制备n型非晶硅半导体在i型非晶硅半导体层上面，还是通过等离子体增强化学气相沉积方法，沉积厚度为600nm的n型非晶硅半导体；1.5、制作铝电极通过真空蒸镀的方式，在制备的p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池顶部，制作铝电极，得到p-i-n结构非晶硅薄膜太阳能电池。6.根据权利要求5所述的飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵珠峰，杨秀娟，朱革，张宇峰，曲士良，
申请(专利权)人：渤海大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21