CN111244218A - 太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底、外延层和金属电极，该太阳能电池还包括设置在金属电极的远离外延层的表面上的光导结构，光导结构包括沿远离金属电极的方向依次叠置的至少两层光导层，且光导层沿远离金属电极的方向折射率依次增大。在太阳能电池的金属电极上设置光导结构，由于光导结构的光导层沿远离金属电极的方向折射率依次增大，因此通过光的折射作用可以将投射在金属电极的太阳光引导至可以进行光吸收的位置进而对该部分原本不被吸收的太阳光加以利用，进而有效提高太阳能电池单位面积上光的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体而言，涉及一种太阳能电池及其制备方法。
背景技术
GaAs禁带宽度为1.43ev，是吸收太阳光最优选材料之一。由砷化镓制备的太阳能电池具有转化效率高、温度特性好、抗辐射能力强等特点，且随着金属有机化合物气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等技术的发展，GaAs太阳能电池应用越来越广泛。
砷化镓太阳能电池芯片制作一般都是在外延层结构制备完成后，制作前电极，前电极常选择金、银、铜、铝等导电性好的金属电极，起到收集电流、导通电池的目的。前电极布局按照需要设计，所占电池芯片的面积5％左右。由于金属电极不透光，因此投射在电池芯片上前电极的太阳光不能得到利用，这降低了砷化镓太阳能电池单位面积上光的利用效率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种太阳能电池及其制备方法，以解决现有技术中的太阳能电池单位面积上光利用率低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能电池，太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底、外延层和金属电极，该太阳能电池还包括设置在金属电极的远离外延层的表面上的光导结构，光导结构包括沿远离金属电极的方向依次叠置的至少两层光导层，且光导层沿远离金属电极的方向折射率依次增大。
进一步地，上述光导结构包括：第一光导层，设置在金属电极的远离外延层的表面上；第二光导层，设置在第一光导层的远离金属电极的表面上，第一光导层的折射率小于第二光导层的折射率。
进一步地，上述第一光导层的折射率在1.3～1.7之间，优选第一光导层的厚度在50～200nm之间，优选第一光导层为氟化镁层、氟化铝层、氟化钡层、氟化钇层、氟化镧层和硅氧化物层中的任意一种或多种的复合层。
进一步地，上述第二光导层的折射率在1.7～2.05之间，优选第二光导层的厚度在50～200nm之间，优选第二光导层为氮化硅层、氧化锆层、氧化铪层和氧化锌层中的任意一种或多种的复合层。
进一步地，上述光导结构还包括第三光导层，第三光导层设置在第二光导层的远离第一光导层的表面上，优选第三光导层的折射率在2.02～2.5之间，进一步优选第三光导层的厚度在50～200nm之间，更优选第三光导层为二氧化钛层、五氧化三钛层、氧化铈层和硫化锌层中的任意一种或多种的复合层。
进一步地，上述外延层的部分表面上设置有金属电极，另一部分表面裸露，太阳能电池还包括减反射层和第三光导层，减反射层设置在外延层的裸露表面上，第三光导层设置在第二光导层的远离第一光导层的表面上，且减反射层的折射率和第三光导层的折射率相同且均大于第二光导层的折射率，优选减反射层的折射率在2.02～2.5之间，进一步优选减反射层的厚度在50～200nm之间，更优选减反射层为二氧化钛层、五氧化三钛层、氧化铈层和硫化锌层中的任意一种或多种的复合层。
进一步地，上述太阳能电池为硅基太阳能电池、异质结太阳能电池或化合物半导体薄膜型太阳能电池，优选化合物半导体薄膜型太阳能电池为砷化镓太阳能电池或铜铟镓硒太阳能电池，外延层包括依次远离衬底叠置的缓冲层、背场层、基层、发射层、窗口层和欧姆接触层组成的单结，或者包括由隧道结连接的多个单结。
进一步地，上述衬底为GaAs衬底、Ge衬底或SiC衬底，优选金属电极为金电极、铜电极或银电极。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述任一种的太阳能电池的制备方法，该制备方法包括在衬底上依次形成外延层和金属电极，其特征在于，制备方法还包括在金属电极的远离外延层的表面上设置光导结构，光导结构包括沿远离金属电极的方向依次叠置的至少两层光导层，且光导层沿远离金属电极的方向折射率依次增大。
进一步地，上述在金属电极的远离外延层的表面上设置光导结构的过程包括：在外延层上设置掩膜层；在金属电极上依次设置第一光导层、第二光导层和第三光导层；去除掩膜层，在外延层上设置减反射层，或者在金属电极的远离外延层的表面上设置光导结构的过程包括：在外延层上设置掩膜层；在金属电极上依次设置第一光导层和第二光导层；去除掩膜层，在外延层上和第二光导层上设置折光材料，以在第二光导层上形成第三光导层，在外延层上形成减反射层；优选第一光导层、第二光导层、第三光导层和折光材料各自独立地采用蒸镀或溅射的方式设置。
应用本发明的技术方案，在太阳能电池的金属电极上设置光导结构，由于光导结构的光导层沿远离金属电极的方向折射率依次增大，因此通过光的折射作用可以将投射在金属电极的太阳光引导至可以进行光吸收的位置进而对该部分原本不被吸收的太阳光加以利用，进而有效提高太阳能电池单位面积上光的利用效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的一种优选实施例的太阳能电池结构示意图；以及
图2示出了光线在图1所示的太阳能电池的光导结构中的传导示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、衬底；20、外延层；30、金属电极；41、第一光导层；42、第二光导层；43、第三光导层；50、减反射层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术中由于金属电极不透光，投射在电池芯片上金属电极的太阳光不能得到利用，这降低了太阳能电池单位面积上光的利用效率，为了解决该问题，本申请提供了一种太阳能电池及其制备方法。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种太阳能电池，如图1所示，该太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底10、外延层20和金属电极30，太阳能电池还包括设置在金属电极30的远离外延层20的表面上的光导结构，光导结构包括沿远离金属电极30的方向依次叠置的至少两层光导层，且光导层沿远离金属电极30的方向折射率依次增大。
在太阳能电池的金属电极30上设置光导结构，由于光导结构的光导层沿远离金属电极30的方向折射率依次增大，因此通过光的折射作用可以将投射在金属电极30的太阳光引导至可以进行光吸收的位置进而对该部分原本不被吸收的太阳光加以利用(可以参考图2)，进而有效提高太阳能电池单位面积上光的利用效率。
在本申请一种实施例中，如图1所示，优选上述光导结构包括第一光导层41和第二光导层42，第一光导层41设置在金属电极30的远离外延层20的表面上；第二光导层42设置在第一光导层41的远离金属电极30的表面上，第一光导层41的折射率小于第二光导层42的折射率。上述光导结构的结构简单，通过调整第一光导层41和第二光导层42的折射率差异即可有效地改变进入光吸收位置的太阳光的量，提高太阳能电池单位面积上光的利用效率。
用于本申请的第一光导层41的材料可以有多种，优选控制第一光导层41的折射率在1.3～1.7之间，该折射率范围为目前常用固态折射率材料的最低范围，另外为了将尽可能多的长波段太阳光(380nm至870nm)引入可吸收位置，优选第一光导层41的厚度在50～200nm之间。为了更好地与太阳能电池的材料相适应，优选第一光导层41为氟化镁层、氟化铝层、氟化钡层、氟化钇层、氟化镧层和硅氧化物层中的任意一种或多种的复合层。
用于本申请的第一光导层41的材料可以有多种，优选控制第二光导层42的折射率在1.7～2.05之间。另外为了与第一光导层41的折射率相配合将尽可能多的长波段太阳光(380nm至870nm)引入可吸收位置，优选第二光导层42的厚度在50～200nm之间。为了更好地与第一光导层41的材料相匹配，优选第二光导层42为氮化硅层、氧化锆层、氧化铪层和氧化锌层中的任意一种或多种的复合层。
在本申请另一种实施例中，如图1所示，上述光导结构还包括第三光导层43，第三光导层43设置在第二光导层42的远离第一光导层41的表面上，优选第三光导层43的折射率在2.02～2.5之间，进一步优选第三光导层43的厚度在50～200nm之间，更优选第三光导层43为二氧化钛层、五氧化三钛层、氧化铈层和硫化锌层中的任意一种或多种的复合层。如图2所示，通过设置第三光导层43，进一步增加光线的折射角度，使更多的光线被引入可吸收位置，进一步提高单位面积上光的利用效率。
在本申请另一种实施例中，优选外延层20的部分表面上设置有金属电极30，另一部分表面裸露，太阳能电池还包括减反射层50和第三光导层43，减反射层50设置在外延层20的裸露表面上，第三光导层43设置在第二光导层42的远离第一光导层41的表面上，且减反射层50的折射率和第三光导层43的折射率相同且均大于第二光导层42的折射率，优选减反射层50的折射率在2.02～2.5之间，进一步优选减反射层50的厚度在50～200nm之间，更优选减反射层50为二氧化钛层、五氧化三钛层、氧化铈层和硫化锌层中的任意一种或多种的复合层。将减反射层50设置在光导结构上，将其作为光导层使用，同样能够起到改变光路提高光利用效率的效果。
当然，本申请的光导结构中光导层的数量不限于上述两层或三层，本领域技术人员还可以根据金属电极的面积、外延层的面积以及所采用的各光导层的折射率大小调整光导层的数量，无论是调整至几层，均在本申请的保护范围之内。
本申请的光导结构可以用于多种太阳能电池中，优选上述太阳能电池为硅基太阳能电池、异质结太阳能电池或化合物半导体薄膜型太阳能电池。
在一种优选的实施例中，上述化合物半导体薄膜型太阳能电池为砷化镓太阳能电池或铜铟镓硒太阳能电池，外延层20包括依次远离衬底10叠置的缓冲层、背场层、基层、发射层、窗口层和欧姆接触层组成的单结，或者包括由隧道结连接的多个单结。即上述太阳能电池可以为单结太阳能电池也可以为多结太阳能电池。
用于上述太阳能电池的衬底10可以根据具体的太阳能类型进行选择，优选上述衬底10为GaAs衬底、Ge衬底或SiC衬底。
用于本申请的太阳能电池的金属电极30可以为太阳能电池中常用的金属电极30，为了提高导电效果，优选上述金属电极30为金电极、铜电极或银电极。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种上述任一种的太阳能电池的制备方法，该制备方法包括在衬底10上依次形成外延层20和金属电极30，此外，该制备方法还包括在金属电极30的远离外延层20的表面上设置光导结构，光导结构包括沿远离金属电极30的方向依次叠置的至少两层光导层，且光导层沿远离金属电极30的方向折射率依次增大。
本申请的制备方法在太阳能电池的金属电极30上设置光导结构，由于光导结构的光导层沿远离金属电极30的方向折射率依次增大，因此通过光的折射作用可以将投射在金属电极30的太阳光引导至可以进行光吸收的位置进而对该部分原本不被吸收的太阳光加以利用(可以参考图2)，进而有效提高太阳能电池单位面积上光的利用效率。
上述太阳能电池的外延层和金属电极的制作方法本领域技术人员均可参考现有技术，比如采用外延生长形成外延层，在此不再赘述。
在本申请一种实施例中，在金属电极的远离外延层20的表面上设置光导结构的过程包括：在外延层上设置掩膜层；在金属电极上依次设置第一光导层41、第二光导层42和第三光导层43；去除掩膜层，在外延层上设置减反射层50。上述过程中，第三光导层43和减反射层50分步骤形成，可以灵活选择各自的材料。
在本申请另一种实施例中，在金属电极30的远离外延层20的表面上设置光导结构的过程包括：在外延层上设置掩膜层；在金属电极30上依次设置第一光导层41和第二光导层42；去除掩膜层，在外延层20上和第二光导层42上设置折光材料，以在第二光导层42上形成第三光导层43，在外延层20上形成减反射层50。在上述过程中，第三光导层43和减反射层50同时形成，简化了制作流程。
优选上述第一光导层41、第二光导层42、第三光导层43和折光材料各自独立地采用蒸镀或溅射的方式设置。
上述蒸镀或溅射的具体实施过程可以参考现有技术，比如利用掩膜板遮盖不需要设置第一光导层的位置，然后利用的第一光导层材料进行蒸镀或溅射，具体的蒸镀工艺参数或溅射工艺参数可以在参考现有技术的基础上根据厚度要求进行调整，在此不再赘述。以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的技术效果。
实施例1
1)将Ge衬底传入MOCVD设备中，按照如下方式生长各外延层：
将Ge衬底传入MOCVD设备中，通入H2气体，在800℃下对衬底进行高温清洗；
在清洗后的衬底上外延生长背场层，该背场层为Al0.5Ga0.5As其中，背场层的厚度为100nm，背场层的生长温度为800℃；
在背场层上生长基层，基层为GaAs，基层的厚度为2000nm，基层的生长温度为800℃；
在基层上生长C掺杂的GaAs发射层，其中，发射层厚度为500nm；
在发射层上生长窗口层，优选窗口层为Al0.5Ga0.5As，窗口层的厚度为100nm，窗口层的生长温度为800℃；
在窗口层上生长接触层，接触层为P掺杂的GaAs层，P掺杂的浓度为1E20，接触层的厚度为100nm，接触层的生长温度为800℃。
2)在外延层上定义出金属电极区，其余部分覆上掩膜，蒸镀金制作金属电极；
3)在金属电极上蒸镀氟化镁(折射率1.38)形成第一光导层，厚度为120nm；
4)在第一光导层上蒸镀氧化铪(折射率1.95)形成第二光导层，厚度为90nm；
5)去除掩膜；
6)在金属电极以及裸露的外延层表面蒸镀TiO2(折射率2.35)，以在金属电极上形成第三光导层，在裸露的外延层表上形成减反射层，厚度为70nm。
实施例2
与实施例1不同之处在于，第一光导层为氟化铝，折射率为1.35；第二光导层为氧化锌，折射率为2.0。
实施例3
与实施例1不同之处在于，第一光导层为氟化镧，折射率为1.58；第二光导层为氧化锆，折射率为2.05；第三光导层为氧化铈，折射率为2.20。
实施例4
与实施例1不同之处在于，第一光导层厚度为50nm。
实施例5
与实施例1不同之处在于，第一光导层厚度为200nm。
实施例6
与实施例1不同之处在于，第二光导层厚度为200nm。
实施例7
与实施例1不同之处在于，第二光导层厚度为50nm。
实施例8
与实施例1不同之处在于，第三光导层厚度为50nm。
实施例9
与实施例1不同之处在于，第三光导层厚度为200nm。
实施例10
与实施例1不同之处在于，第二光导层厚度为40nm。
实施例11
与实施例1不同之处在于，第一光导层厚度为210nm。
实施例12
与实施例1不同之处在于在第二光导层上没有设置第三光导层，只在外延层裸露表面设置了二氧化钛。
对比例1
与实施例1不同之处在于，没有设置任何光导层，仅在外延层裸露表面设置了二氧化钛。
采用IV测试对各实施例和对比例的太阳能电池的光电转换效率进行检测，检测结果见表1。
表1
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
在太阳能电池的金属电极上设置光导结构，由于光导结构的光导层沿远离金属电极的方向折射率依次增大，因此通过光的折射作用可以将投射在金属电极的太阳光引导至可以进行光吸收的位置进而对该部分原本不被吸收的太阳光加以利用，进而有效提高太阳能电池单位面积上光的利用效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能电池，所述太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底(10)、外延层(20)和金属电极(30)，其特征在于，所述太阳能电池还包括设置在所述金属电极(30)的远离所述外延层(20)的表面上的光导结构，所述光导结构包括沿远离所述金属电极(30)的方向依次叠置的至少两层光导层，且所述光导层沿远离所述金属电极(30)的方向折射率依次增大。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述光导结构包括：
第一光导层(41)，设置在所述金属电极(30)的远离所述外延层(20)的表面上；
第二光导层(42)，设置在所述第一光导层(41)的远离所述金属电极(30)的表面上，所述第一光导层(41)的折射率小于所述第二光导层(42)的折射率。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一光导层(41)的折射率在1.3～1.7之间，优选所述第一光导层(41)的厚度在50～200nm之间，优选所述第一光导层(41)为氟化镁层、氟化铝层、氟化钡层、氟化钇层、氟化镧层和硅氧化物层中的任意一种或多种的复合层。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述第二光导层(42)的折射率在1.7～2.05之间，优选所述第二光导层(42)的厚度在50～200nm之间，优选所述第二光导层(42)为氮化硅层、氧化锆层、氧化铪层和氧化锌层中的任意一种或多种的复合层。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述光导结构还包括第三光导层(43)，所述第三光导层(43)设置在所述第二光导层(42)的远离所述第一光导层(41)的表面上，优选所述第三光导层(43)的折射率在2.02～2.5之间，进一步优选所述第三光导层(43)的厚度在50～200nm之间，更优选所述第三光导层(43)为二氧化钛层、五氧化三钛层、氧化铈层和硫化锌层中的任意一种或多种的复合层。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述外延层(20)的部分表面上设置有所述金属电极(30)，另一部分表面裸露，所述太阳能电池还包括减反射层(50)和第三光导层(43)，所述减反射层(50)设置在所述外延层(20)的裸露表面上，所述第三光导层(43)设置在所述第二光导层(42)的远离所述第一光导层(41)的表面上，且所述减反射层(50)的折射率和所述第三光导层(43)的折射率相同且均大于所述第二光导层(42)的折射率，优选所述减反射层(50)的折射率在2.02～2.5之间，进一步优选所述减反射层(50)的厚度在50～200nm之间，更优选所述减反射层(50)为二氧化钛层、五氧化三钛层、氧化铈层和硫化锌层中的任意一种或多种的复合层。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为硅基太阳能电池、异质结太阳能电池或化合物半导体薄膜型太阳能电池，优选所述化合物半导体薄膜型太阳能电池为砷化镓太阳能电池或铜铟镓硒太阳能电池，所述外延层(20)包括依次远离所述衬底(10)叠置的缓冲层、背场层、基层、发射层、窗口层和欧姆接触层组成的单结，或者包括由隧道结连接的多个所述单结。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述衬底(10)为GaAs衬底、Ge衬底或SiC衬底，优选所述金属电极(30)为金电极、铜电极或银电极。
9.一种权利要求1至8中任一项所述的太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括在衬底(10)上依次形成外延层(20)和金属电极(30)，其特征在于，所述制备方法还包括在所述金属电极(30)的远离所述外延层(20)的表面上设置光导结构，所述光导结构包括沿远离所述金属电极(30)的方向依次叠置的至少两层光导层，且所述光导层沿远离所述金属电极(30)的方向折射率依次增大。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述在金属电极的远离外延层(20)的表面上设置光导结构的过程包括：
在所述外延层上设置掩膜层；
在所述金属电极上依次设置第一光导层(41)、第二光导层(42)和第三光导层(43)；
去除所述掩膜层，在所述外延层上设置减反射层(50)，
或者所述在金属电极(30)的远离外延层(20)的表面上设置光导结构的过程包括：
在所述外延层上设置掩膜层；
在所述金属电极(30)上依次设置第一光导层(41)和第二光导层(42)；
去除所述掩膜层，在所述外延层(20)上和所述第二光导层(42)上设置折光材料，以在所述第二光导层(42)上形成第三光导层(43)，在所述外延层(20)上形成减反射层(50)；
优选所述第一光导层(41)、所述第二光导层(42)、所述第三光导层(43)和所述折光材料各自独立地采用蒸镀或溅射的方式设置。
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