CN110265493B - 一种具有图案化pdms结构的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池及其制备方法，所述具有图案化PDMS结构的太阳能电池由下至上包括Ⅲ‑Ⅴ族太阳能电池和设置在所述Ⅲ‑Ⅴ族太阳能电池上的图案化PDMS结构；所述图案化PDMS结构由下至上包括依次层叠设置的量子点材料层和图案化PDMS层，或者所述图案化PDMS结构包括图案化PDMS层和分散于所述图案化PDMS层中的量子点材料。本发明通过设置图案化PDMS结构能够进一步提高太阳能电池的转换效率，在太阳能电池领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其是涉及一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池能够将光能转换成电能，也称为光伏电池(Photovoltaic，PV)，其中III-V族太阳能电池因其具有较高的转换效率而备受关注。III-V族化合物为直接带隙半导体，不会发生晶体动量的改变，使得III-V族太阳能电池在微电子的应用上具有更优异的性能，此外III-V族化合物带隙宽，而且三元或四元的混合III-V族化合物如InGaP等更能使带隙的设计变化更大，从而使得III-V族太阳能电池具备高效率的性能。目前III-V族太阳能电池领域发展迅速且相关产品众多，然而人们还是期望在III-V族太阳能电池的基础上进一步提高其转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池及其制备方法，图案化PDMS结构能够进一步提高太阳能电池的转换效率。
本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池，由下至上包括Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池和设置在所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池上的图案化PDMS结构；所述图案化PDMS结构由下至上包括依次层叠设置的量子点材料层和图案化PDMS层，或者所述图案化PDMS结构包括图案化PDMS层和分散于所述图案化PDMS层中的量子点材料。图案化PDMS层是指PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料形成的表面具有图案的结构。
优选地，所述图案化PDMS层的图案化高度为1～5μm。
优选地，所述量子点材料包括CdS、CdSe中的至少一种。
优选地，所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池由下至上包括Ge底电池、第一隧道结、GaAs中电池、第二隧道结和InGaP顶电池。
进一步地，所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池由下至上包括p型Ge层、n型Ge层、n型GaAs层、n++GaAs层、p++GaAs层、p型InGaAlP层、p型GaAs层、n型GaAs层、n型InGaAlP层、n++GaAs层、p++GaAs层、p型InGaAlP层、p型InGaP层、n型InGaP层和n型InAlP层。
优选地，所述图案化PDMS结构上还设置有量子点材料层。
本发明还提供一种上述的具有图案化PDMS结构的太阳能电池的制备方法，包括利用压印模板制备图案化PDMS结构的步骤。
优选地，所述压印模板包括依次层叠设置的衬底和图案化介电薄膜。
优选地，所述压印模板包括衬底、设置在所述衬底上的若干介电凸台和位于若干所述介电凸台之间的图案化GaN材料层，所述图案化GaN材料层由衬底开始生长并延伸至所述介电凸台之上。
优选地，所述压印模板为图案化硅基板。
本发明的有益效果是：
本发明提供的太阳能电池具有图案化PDMS结构，其中图案化PDMS层能够有效地减少表面反射率和增加入射光散射，进而进一步提高了太阳能电池的功率转换效率，此外设置在太阳能电池表面的量子点材料层或者分散在图案化PDMS层中的量子点材料在紫外光(UV)或近紫外光(near-UV)的范围具有吸收性，能够将高能光子转换成可见光子，从而可以强烈吸收短波长的光线并有效地将其转成可见光波长，进而再改善了Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池效率。相较于传统上多采用在表面上设置平面式抗反射层镀膜的方式，本发明太阳能电池中的PDMS结构具有更好的提高转换效率的效果。
附图说明
图1为实施例1中具有图案化PDMS结构的太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例1中压印模板一的制备示意图；
图3为实施例2中压印模板二的制备示意图；
图4为图3中压印模板二对应的实物俯视图；
图5为实施例2中压印模板二中设置的介电凸台的俯视图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池，由下至上包括Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池1和设置在所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池1上的图案化PDMS结构2；所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池1由下至上包括底电极、Ge底电池、GaAs窗口层、第一隧道结、p型InGaAlP层一、GaAs中电池、n型InGaAlP层一、第二隧道结、p型InGaAlP层二、InGaP顶电池、InAlP窗口层和顶电极，所述图案化PDMS结构2由下至上包括依次层叠设置的量子点材料层21和图案化PDMS层22。本实施例中提供的太阳能电池由下至上依次包括以下结构：底电极为Ti/Ag电极，Ge底电池由下至上包括p型Ge层和n型Ge层、所述p型Ge层的掺杂浓度为1×1017cm-3、所述n型Ge层厚度为100nm、掺杂浓度为2×1018cm-3，GaAs窗口层为n型GaAs层、厚度为50nm、掺杂浓度为7×1018cm-3，第一隧道结由下至上包括n++GaAs层和p++GaAs层、所述n++GaAs层厚度为10nm、掺杂浓度为2×1019cm-3、所述p++GaAs层厚度为10nm、掺杂浓度为5×1019cm-3，p型InGaAlP层一为p型In0.49Ga0.51AlP、厚度为70nm、掺杂浓度为2×1018cm-3，GaAs中电池由下至上包括p型GaAs层和n型GaAs层、所述p型GaAs层厚度为4000nm、掺杂浓度为1×1017cm-3、所述n型GaAs层厚度为100nm、掺杂浓度为2×1018cm-3，n型InGaAlP层一为n型In0.19Ga0.51AlP、厚度为100nm、掺杂浓度为2×1018cm-3，第二隧道结由下至上包括n++GaAs层和p++GaAs层、所述n++GaAs层厚度为10nm、掺杂浓度为2×1019cm-3、所述p++GaAs层厚度为10nm、掺杂浓度为5×1019cm-3，p型InGaAlP层二为p型In0.34Ga0.33Al0.33P、厚度为50nm、掺杂浓度为2×1018cm-3，InGaP顶电池由下至上包括p型In0.49Ga0.51P层和n型In0.49Ga0.51P层、所述p型In0.19Ga0.51P层厚度为250nm、掺杂浓度为1.5×1017cm-3、所述n型In0.49Ga0.51P层厚度为100nm、掺杂浓度为2×1018cm-3，InAlP窗口层为n型InAlP、厚度为20nm、掺杂浓度为1.8×1018cm-3和顶电极，量子点材料层的材料包含但不限于CdS、CdSe等。
本实施例还提供了上述具有图案化PDMS结构的太阳能电池的制备方法，按照以下步骤制备：
(1)制备Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池：本实施例采用外延生长的方式制备上述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池，在MOVPE***中在Ge衬底上生长各子电池及其间的隧道结，完成之后镀上底部和顶部的接触电极层。
(2)制备压印模板一：
利用PECVD或ALD***技术在硅衬底31上镀介电薄膜，或者均匀旋涂介电薄膜材料在硅衬底表面，所述介电薄膜材料包含但不限于SiO2、SiNX，进行ICP-RIE干刻蚀形成具有纳米级图案的图案化介电薄膜32，与硅衬底共同构成了压印模板一3，如图2所示，其中(1)-(6)分别表示具有不同纳米级图案的压印模板一。
(3)制备图案化PDMS结构：滴加PDMS预聚物溶液(以粘性液体的形式)在上述压印模板一表面。然后，采用旋涂法形成均匀的完全覆盖压印模板厚度的PDMS聚合物，依照转速控制PDMS薄膜厚度10～500μm，然后将压印模板在100℃下烘烤1小时。后续将PDMS从压印模板分离，成功获得具有纳米尺度柔性纹理的图案化PDMS层，并且纹理化的高度结构大约为1～5μm；
最后，先在上述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池顶部喷涂量子点材料形成量子点材料层，再将上述制备的图案化PDMS层粘贴在量子点材料层上。
本实施例在Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池上设置图案化PDMS结构，使用的PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料透明、具有可透光高穿透率、具有良好的机械性能、光学性能和化学稳定性，并且易于加工成型可黏附于衬底上、价格低廉。形成的图案化PDMS层能够有效地减少表面反射率和增加入射光散射，进而进一步提高了太阳能电池的功率转换效率，此外设置在太阳能电池表面的量子点材料层在紫外光(UV)或近紫外光(near-UV)的范围具有吸收性，能够将高能光子转换成可见光子，从而可以强烈吸收短波长的光线并有效地将其转成可见光波长，进而再改善了Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池效率。本发明通过设置图案化PDMS结构，相较于传统平面式抗反射层的方式，总电流密度和功率转换的效率可提升约10～15％，可有效增加空间用薄膜太阳能单多结电池效率。
实施例2
本实施例提供一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池，由下至上包括Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池和设置在所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池上的图案化PDMS结构，所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池与实施例1中相同，所述图案化PDMS结构包括图案化PDMS层和分散于所述图案化PDMS层中的量子点材料。
上述具有图案化PDMS结构的太阳能电池按照以下步骤制备：
(1)制备Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池：与实施例1中相应制备步骤相同。
(2)制备压印模板二：
取蓝宝石衬底，使用丙酮将所述衬底在超声波振荡器中清洗10分钟，溶解并去除表面的油脂或其他有机杂质污染物，然后使用甲醇将所述衬底在超声波振荡器中继续清洗10分钟，溶解并去除表面残留的丙酮污染；接著使用异丙酮将所述衬底在超声波振荡器中清洗10分钟，溶解并去除表面的油脂或其他有机杂质污染物；接着将衬底放入去离子水中，继续用超声波清洗10分钟，去除残留的有机溶剂；接着使用高压氮***去除衬底表面的水气，最后将所述衬底在烘箱中以100℃烘烤30分钟去除衬底上残留的水。参见图3，通过等离子增强化学气相沉积工艺(PECVD)在蓝宝石衬底41上沉积介电薄膜层420，所述介电薄膜层420材料包含但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNX)等，介电薄膜层的厚度可选择100～200nm范围，然后通过黄光制程(lithography)对所述介电薄膜进行图案化以形成介电凸台42，其中对所述介电薄膜的湿蚀刻采用缓冲氧化物蚀刻液(BUFFERED OXIDE ETCH)进行或采用物理性干蚀刻设备进行，然后再生长图案化GaN材料层43，所述图案化GaN材料层43由衬底开始生长并延伸至所述介电凸台42之上，最终形成压印模板二4。可以通过控制温度来控制图案化GaN层的开口大小，氮化镓外延温度愈高，氮化镓六角形开口愈小，外延生长温度略低则开口愈大形成十二边形的形貌，如图3中(c1)-(c4)所示，具体控制温度和生长条件为(c1)1080℃、(c2)1050℃、(c3)1030℃、(c4)1000℃，而氢气流量25000sccm，氨气流量25000sccm，三甲基镓流量为120sccm在四种均为一致，反应室的压力为500Torr，其对应的实物俯视图如图4中C1-C4所示。通常使用湿蚀刻方式可以节省成本也较容易控制制程，本实施例中介电凸台42的形状为圆盘状，所述圆盘的直径选取可为1～5μm范围，相邻的两个圆盘之间的距离也为1～5微米范围，多个介电凸台呈蜂窝状排列，如图5所示。
生长图案化GaN材料层的具体过程为：提供一反应室，将上述形成有介电凸台的衬底放入反应室中并将反应室抽真空，反应室为金属有机化合物气相外延(MOCVD)***的反应室。缓冲层的材料为氮化镓，首先，加热所述反应室至第一温度，同时向所述反应室通入氢气和氨。优选地，在该加热所述反应室至第一温度的步骤中所述第一温度为1000～1080℃，氢气流量为15000sccm，氨气流量为5000sccm，反应室的压力为200～500Torr，持续时长为15～30分钟，温度为1050℃，反应室的压力为500Torr。接着，将所述反应室温度调整至第二温度，保持向所述反应室通入氢气和氨气的同时，以第一流量向所述反应室通入三甲基镓，以形成低温缓冲层。在该将所述反应室温度调整至第二温度的步骤中所述第二温度为500～550℃，所述第一流量为20～30sccm，氢气流量25000sccm，氨气流量25000sccm，持续时间为3分钟，第一流量为25sccm。最后，恢复所述反应室的温度至第一温度，保持向反应室通入氢气和氨气的同时，以第二流量向所述反应室通入三甲基镓(TMGa)，以形成高温缓冲层及位于所述高温缓冲层上的凹槽，所述第一温度大于所述第二温度，所述第一流量小于所述第二流量。在该恢复所述反应室的温度至第一温度的步骤中，所述第二流量为110～130sccm，氢气流量25000sccm，氨气流量25000sccm，持续时间为120分钟。所述第二流量为120sccm。在所述介电凸台及衬底上生长GaN缓冲层时，由于介电凸台的阻挡，氮化镓层的横向生长与纵向生长产生差异，使得所述氮化镓层在每一个介电凸台的上方对应形成一个凹槽。氮化镓在蓝宝石衬底(0001)外延生长特性纵向比横向生长速率快，最终形成了图案化GaN层。
需要说明的是，在所述缓冲层的生长过程中，由于介电凸台的存在，使得缓冲层生长时，首先会垂直生长，在垂直生长至超出所述介电凸台之后，才会横向生长覆盖到所述介电凸台上，从而使得所述缓冲层的横向生长与垂直生长产生差异，在介电凸台上形成凹槽。初始时，所述凹槽尺寸较大，且无法完全覆盖所述介电凸台，但随著生长时间的延长，所述凹槽的尺寸会逐渐缩小，且所述凹槽的槽底完全覆盖住所述介电凸台，即所述介电凸台被掩埋在所述缓冲层的下方。
(3)制备图案化PDMS结构：使用PDMS硅胶溶液，由主剂A剂聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)及B剂宾剂(Curing)分别在电子秤(Electronic Scale)按10:1的重量比例混合在一起搅拌。在PDMS调合时一并将量子点材料少量(例如10c.c.～50c.c不等)加入PDMS一并均匀混合使得量子点分散于PDMS中。将分散有量子点的PDMS材料浇注至压印模板二中，固化后形成分散有量子点的图案化PDMS层，然后转移至Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池顶部。
实施例3
本实施例提供一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池，由下至上包括Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池、设置在所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池上的图案化PDMS结构和设置在图案化PDMS结构上的量子点材料层，所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池与实施例1中相同，所述图案化PDMS结构包括量子点材料层和图案化PDMS层。
上述具有图案化PDMS结构的太阳能电池按照以下步骤制备：
(1)制备Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池：与实施例1中相应制备步骤相同。
(2)制备压印模板三：
取硅基板，利用湿蚀刻在硅基板表面形成具有金字塔结构的压印模板三，湿蚀刻采用的溶剂为20～40wt％的KOH和3wt％异丙醇形成的混合溶剂。
(3)制备图案化PDMS结构和量子点材料层
将PDMS材料浇注在上述压印模板三表面，烘烤固化后将PDMS从压印模板三上分离以获得图案化PDMS层，先在上述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池顶部喷涂量子点材料形成量子点材料层，再将上述制备的图案化PDMS层粘贴在量子点材料层上形成图案化PDMS结构。最后在上述图案化PDMS结构的图案化PDMS层上再设置一层量子点材料层，即在图案化PDMS层的双面都设置有量子点，能够再加强量子点材料(QDs)在紫外光(UV)或近紫外光near-UV的范围之吸收性，进而可以将这些高能光子转换为可见光子。
Claims (6)
1.一种具有图案化PDMS结构的太阳能电池，其特征在于，由下至上包括Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池和设置在所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池上的图案化PDMS结构；所述图案化PDMS结构由下至上包括依次层叠设置的量子点材料层和图案化PDMS层；
所述图案化PDMS结构利用压印模板制备；
所述压印模板包括衬底、设置在所述衬底上的若干介电凸台和位于若干所述介电凸台之间的图案化GaN材料层，所述图案化GaN材料层由衬底开始生长并延伸至所述介电凸台之上；
所述介电凸台的形状为圆盘状。
2.根据权利要求1所述的具有图案化PDMS结构的太阳能电池，其特征在于，所述图案化PDMS层的图案化高度为1～5μm。
3.根据权利要求1所述的具有图案化PDMS结构的太阳能电池，其特征在于，所述量子点材料包括CdS、CdSe中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有图案化PDMS结构的太阳能电池，其特征在于，所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池由下至上包括Ge底电池、第一隧道结、GaAs中电池、第二隧道结和InGaP顶电池。
5.根据权利要求4所述的具有图案化PDMS结构的太阳能电池，其特征在于，所述Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池由下至上包括p型Ge层、n型Ge层、n型GaAs层、n++GaAs层、p++GaAs层、p型InGaAlP层、p型GaAs层、n型GaAs层、n型InGaAlP层、n++GaAs层、p++GaAs层、p型InGaAlP层、p型InGaP层、n型InGaP层和n型InAlP层。
6.根据权利要求1-3任一项所述的具有图案化PDMS结构的太阳能电池，其特征在于，所述图案化PDMS结构上还设置有量子点材料层。
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