一种超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法，所述超薄结晶硅薄膜太阳电池由下而上依次包括衬底、底层掺杂结晶硅层、本征结晶硅层、纳米硅结构光吸收层、顶层掺杂结晶硅层、透明顶电极。所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备步骤包括：在衬底上沉积底层掺杂结晶硅层；在上述制备的底层掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层；在上述制备的本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层；在上述制备的纳米硅结构光吸收层表面沉积顶层掺杂结晶硅层；将透明顶电极覆盖于在上述顶层掺杂结晶硅层上。本发明专利技术在不额外增加抗反射层的前提下，利用纳米硅结构光吸收层提高光吸收和光生载流子收集的效率，从而提高超薄结晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率。

A thin crystalline silicon thin film solar cell and preparation method thereof

The invention discloses a silicon thin film solar cell and a preparation method thereof, wherein the silicon thin film solar cell bottom sequentially comprises a substrate, doped silicon layer, the bottom layer, the intrinsic silicon nano silicon structure light absorbing layer, the top layer and a transparent top electrode doped silicon. The steps for preparing the thin crystalline silicon thin film solar cell comprises depositing a bottom doped silicon layer on a substrate; depositing at the bottom layer of the doped silicon preparation on intrinsic silicon layer; in the preparation of the crystalline silicon layer of nano silicon structure light absorption layer; in the preparation of nano silicon structure the light absorption layer is deposited on the surface of the top silicon doped layer; the transparent top electrode covers in the top layer of doped silicon. The present invention without additional anti reflective layer under the premise of the light absorbing layer to improve the efficiency of light absorption and photo carrier collection by nano silicon structure, so as to improve the photoelectric conversion efficiency of crystalline silicon thin film solar cell.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种薄膜太阳电池及其制备方法，尤其涉及。
技术介绍
硅薄膜电池以其低的材料消耗，易于大面积制备等优点被认为是晶片硅电池的有力替代。与非晶硅薄膜相比，结晶硅薄膜因其稳定的结构、优良的电学性能和相对宽的吸收光谱备受瞩目。但是，需要指出的是，结晶硅薄膜的间接能带结构和有限的光学厚度导致其光吸收效率偏低。因此，改善结晶硅薄膜的光吸收性能成为实现高效太阳电池的关键。目前，常用的提高结晶硅薄膜光吸收的方案是沉积抗反射层，如氟化镁、氮化硅等。但是，由于抗反射层的波长(或频率)选择性，并不能有效地通过单层抗反射层的制备而实现宽光谱范围内光反射的抑制。此外，作为一种“被动”的增强吸收设计，抗反射涂层亦存在“寄生”的光学吸收等损失。而且，传统抗反射涂层存在制备成本较高、材料选择困难、厚度控制严格、热及化学稳定性较差等缺点。同时，由于电池厚度(通常，晶化硅薄膜电池厚度约2微米)限制，传统的晶片硅电池中微米量级的表面织构无法直接应用在薄膜电池中。因此，新型的、稳定的、高效的、与薄膜电池兼容的抗反射结构的开发成为一个亟待解决的课题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的弊端，提供一种适用于超薄(厚度小于1微米)结晶硅薄膜太阳电池的、高效的纳米表面抗反射织构及其制备方法。本专利技术所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，由下而上依次包括衬底、衬底上沉积的底层掺杂结晶硅层、底层掺杂结晶硅层上沉积的本征结晶硅层、以及与底层掺杂结晶硅层对应的顶层掺杂结晶硅层，在顶层掺杂结晶硅层上覆盖有透明顶电极，所述本征结晶硅层上制备有纳米硅结构光吸收层，所述顶层掺杂结晶硅层沉积于该纳米硅结构光吸收层的表本专利技术所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池中，所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列或者纳米硅半球阵列。所述预定的阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列。本专利技术所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池中，所述底层掺杂结晶硅层为P型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述底层掺杂结晶硅层为N型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为P型。本专利技术还提供一种超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法，包括如下步骤步骤一，在衬底上沉积底层掺杂结晶硅层；步骤二，在上述制备的底层掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层；步骤三，在上述制备的本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层；步骤四，在上述制备的纳米硅结构光吸收层表面沉积顶层掺杂结晶硅层；步骤五，将透明顶电极覆盖于在上述顶层掺杂结晶硅层上。本专利技术所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法的步骤三中，所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列、或者纳米硅半球阵列。所述预定阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列。本专利技术所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池的制备方法的步骤一中的底层掺杂结晶硅层为P型，所述步骤四中的顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述步骤一中的底层掺杂结晶硅层为N型，所述步骤四中的顶层掺杂结晶硅层对应为P型。本专利技术所述超薄结晶硅薄膜太阳电池及其制备方法中，通过在掺杂结晶硅层上沉积本征结晶硅层，然后在本征结晶硅层上制备纳米硅结构光吸收层，以此在不额外增加抗反射层的前提下提高光吸收和光生载流子收集的效率，从而提高结晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率。附图说明图1为本专利技术所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的剖视示意图；图2为本专利技术所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的另一结构的剖视示意图(纳米硅结构光吸收层为纳米硅锥阵列)；图3为本专利技术所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的另一结构的剖视示意图(纳米硅结构光吸收层为纳米硅孔洞阵列)；图4为本专利技术所述超薄结晶硅薄膜太阳电池的另一结构的剖视示意图(纳米硅结构光吸收层为纳米硅半球阵列)；图5为不同纳米硅锥直径情况下的反射光谱。其中，纳米硅锥阵列周期和厚度分别为400和1000纳米，本征结晶硅层厚度为800纳米。图6为不同纳米硅锥阵列周期情况下电池的极限效率。其中，纳米硅锥阵列厚度为400纳米，本征结晶硅层厚度为800纳米，纳米硅锥直径和周期相等。图7为不同纳米硅孔洞阵列周期情况下电池的极限效率。其中，纳米硅孔洞阵列厚度2000纳米，本征结晶硅层厚度800纳米。图8为不同纳米硅半球阵列周期情况下电池的极限效率。其中，纳米硅半球直径与阵列周期相等，本征结晶硅层厚度600纳米。图9为本专利技术所述超薄结晶硅薄膜太阳电池制备方法的流程示意图。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本专利技术所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，如图1、图2、图3、图4所示，由下而上依次包括衬底6、衬底6上沉积的底层掺杂结晶硅层5、底层掺杂结晶硅层5上沉积的本征结晶硅层4、本征结晶硅层4上制备的纳米硅结构光吸收层3，纳米硅结构光吸收层3上沉积的与底层掺杂结晶硅层5对应的顶层掺杂结晶硅层2，在顶层掺杂结晶硅层2上覆盖有透明顶电极1。其中，所述衬底6可采用镀铝或透明的导电层，在此衬底6上先后沉积ρ (或η)底层掺杂结晶硅层5、本征结晶硅层4，在本征结晶硅层4的顶层制备纳米硅结构光吸收层3、 沉积η (或ρ)顶层掺杂结晶硅层2及透明顶电极1。如图2、图3、图4所示，该纳米硅结构光吸收层3可为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列、或者纳米硅半球阵列。所述预定的阵列形式可为四方阵列或蜂窝状阵列。需要说明的是，纳米硅结构光吸收层排列的具体形式并非影响结晶硅薄膜太阳电池光电转换效率的决定因素，影响结晶硅薄膜太阳电池光学性能的主要参数是纳米硅结构光吸收层的形状和尺寸。为了实现对入射太阳光的有效吸收，对于纳米硅锥和纳米硅半球状表面修饰阵列，其直径与阵列的周期相等为最宜。图5给出了纳米硅锥情况下，阵列周期(Periodicity，Ρ)400纳米，不同直径 (diameter, D)下的反射谱。可以看出当硅锥直径等于阵列周期时，反射最小，从而吸收最强。对于纳米硅孔洞而言，孔洞直径与周期比在0.9左右为佳。需要指出的是，因为存在较宽的直径和周期比区间以增强光吸收，在具体电池制备中，无须严格执行上述比例参数，在这些参数附近即可。图6、图7和图8分别总结了在不同纳米结构阵列周期下，上述三种纳米结构，即纳米硅锥(nanocone)、纳米硅孔洞(nanohole)以及纳米硅半球(nano-hemisphere)阵列修饰的硅薄膜电池的极限效率(Ultimate Efficiency)曲线。所述电池的极限效率(η)可由如下公式表示权利要求1. 一种超薄结晶硅薄膜太阳电池，由下而上依次包括衬底、衬底上沉积的底层掺杂结晶硅层、底层掺杂结晶硅层上沉积的本征结晶硅层、以及与底层掺杂结晶硅层对应的顶层掺杂结晶硅层，在顶层掺杂结晶硅层上覆盖有透明顶电极，其特征在于，所述本征结晶硅层上设置有纳米硅结构光吸收层，所述顶层掺杂结晶硅层沉积于该纳米硅结构光吸收层的表2.如权利要求1所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，其特征在于，所述纳米硅结构光吸收层为预定阵列形式的纳米硅锥阵列、纳米硅孔洞阵列或者纳米硅半球阵列。3.如权利要求2所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，其特征在于，所述预定的阵列形式为四方阵列或蜂窝状阵列。4.如权利要求1所述的超薄结晶硅薄膜太阳电池，其特征在于，所述底层掺杂结晶硅层为P型，所述顶层掺杂结晶硅层对应为N型；或者，所述底层掺杂结本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种超薄结晶硅薄膜太阳电池，由下而上依次包括衬底、衬底上沉积的底层掺杂结晶硅层、底层掺杂结晶硅层上沉积的本征结晶硅层、以及与底层掺杂结晶硅层对应的顶层掺杂结晶硅层，在顶层掺杂结晶硅层上覆盖有透明顶电极，其特征在于，所述本征结晶硅层上设置有纳米硅结构光吸收层，所述顶层掺杂结晶硅层沉积于该纳米硅结构光吸收层的表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于洪宇，栗军帅，
申请(专利权)人：于洪宇，栗军帅，迟海滨，
类型：发明
国别省市：13