TW201904084A - 太陽能電池 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種太陽能電池，其包括：一背電極、一矽片襯底、一摻雜矽層、一上電極以及至少一電極引線。所述矽片襯底具有相對的第一表面和第二表面，所述背電極設置於所述矽片襯底的第二表面，並與所述矽片襯底歐姆接觸；所述摻雜矽層形成於所述矽片襯底的第一表面；所述上電極為設置於摻雜矽層表面的複數個多尺度的三維奈米結構；所述電極引線設置於所述上電極遠離摻雜矽層的表面，並且電極引線的延伸方向與三維奈米結構的延伸方向交叉設置。

Description

太陽能電池
本發明涉及一種太陽能電池，尤其涉及一種三維奈米結構作上電極的太陽能電池。
太陽能電池利用太陽能的方式包括光-熱-電轉換方式和光-電轉換方式兩種。其中光-電轉換方式是利用半導體材料的光生伏特原理製成的。根據半導體光電轉換材料種類不同，太陽能電池可以分為矽基太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、有機薄膜太陽能電池等。
目前，太陽能電池以矽基太陽能電池為主。現有技術中的太陽能電池包括：一背電極、一矽片襯底、一摻雜矽層和一上電極。所述太陽能電池中矽片襯底和摻雜矽層形成P-N結，所述P-N結在太陽光的激發下產生複數個電子-空穴對，所述電子-空穴對在靜電勢能作用下分離並分別向所述背電極和上電極移動。如果在所述太陽能電池的背電極與上電極兩端接上負載，就會有電流藉由外電路中的負載。為了增加太陽光的透過率，一般採用導電金屬網格作為上電極。而金屬透光率差，導致太陽能電池的光電轉換效率低。
有鑒於此，本發明提供了一種具有較高光電轉換效率的太陽能電池。
一種太陽能電池，其包括：一背電極、一矽片襯底、一摻雜矽層、一上電極以及至少一電極引線。所述矽片襯底具有相對的第一表面和第二表面，所述背電極設置於矽片襯底的第二表面，並與所述矽片襯底歐姆接觸；所述摻雜矽層形成於所述矽片襯底的第一表面；所述上電極為形成在摻雜矽層表面的複數個多尺度的三維奈米結構；所述電極引線設置於上電極遠離摻雜矽層的表面，並且電極引線的延伸方向與三維奈米結構的延伸方向交叉設置；其中，所述三維奈米結構包括一第一長方體結構、一第二長方體結構及一三棱柱結構，所述第一長方體結構設置於摻雜矽層遠離矽片襯底的表面，所述第二長方體結構設置於第一長方體結構遠離摻雜矽層的表面，所述三棱柱結構設置於第二長方體結構遠離第一長方體結構的表面，所述三棱柱結構底面的寬度等於所述第二長方體結構上表面的寬度且大於所述第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和三棱柱結構的材料為金屬。
一種太陽能電池，其包括：一背電極、一矽片襯底、一摻雜矽層、一上電極以及至少一電極引線。所述矽片襯底具有相對的第一表面和第二表面，所述背電極設置於矽片襯底的第二表面，並與所述矽片襯底歐姆接觸；所述摻雜矽層形成於所述矽片襯底的第一表面；所述上電極為形成在摻雜矽層表面的複數個多尺度的三維奈米結構；所述電極引線設置於上電極遠離摻雜矽層的表面，並且電極引線的延伸方向與三維奈米結構的延伸方向交叉設置；其中，所述三維奈米結構包括一第一長方體結構以及一三棱柱結構，所述第一長方體結構設置於摻雜矽層遠離矽片襯底的表面，所述三棱柱結構設置於第一長方體結構遠離摻雜矽層的表面，所述三棱柱結構底面的寬度大於第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和所述三棱柱結構的材料均為金屬材料，所述第一長方體結構的材料與三棱柱結構的材料不同。
與現有技術相比，本發明所述上電極由至少兩部分結構組成，每層結構構成了不同寬度的諧振腔，每個諧振腔吸收相應共振波附近的光子，這種結構可以有效地拓展共振波的範圍，三棱柱部分可以實現窄帶共振、吸收，長方體可以實現寬頻吸收，從而增加了太陽光的利用率，提高太陽能電池的光電轉換效率。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的松樹狀金屬奈米光柵作進一步的詳細說明。
參見圖1和圖2，本發明第一實施例所提供的太陽能電池10包括一背電極100、一矽片襯底110、一摻雜矽層120、一上電極130。所述矽片襯底110具有相對的第一表面1102和第二表面1104，所述背電極100設置於該矽片襯底110的第二表面1104，並與所述矽片襯底110歐姆接觸。所述摻雜矽層120形成於所述矽片襯底110的第一表面1102。所述上電極130為形成在摻雜矽層120遠離矽片襯底110表面的複數個三維奈米結構131。
所述背電極100的材料為金屬材料或碳材料。所述金屬材料優選為鋁、鎂或者銀等金屬。所述碳材料包括奈米碳管或石墨烯等，所述奈米碳管可以為奈米碳管拉膜、碾壓膜、絮化膜或奈米碳管線等。
所述矽片襯底110為P型半導體結構。該矽片襯底110可以為單晶結構、多晶結構或其它P型半導體結構。本發明實施例中所述矽片襯底110為P型單晶矽片。所述矽片襯底110的形狀和厚度不限，可以根據需要進行選擇。優選地，所述矽片襯底110的厚度為200微米~300微米。
所述摻雜矽層120為在矽片襯底110摻雜磷或砷等材料形成的N型摻雜矽層。所述摻雜矽層120的厚度為幾十個奈米到幾個微米之間，優選地，所述摻雜矽層120的厚度為40奈米~1微米。
所述N型摻雜矽層和P型單晶矽片之間形成P-N結結構，從而實現太陽能向電能的轉換。
所述上電極130為複數個多尺度的三維奈米結構131，所述複數個三維奈米結構131以陣列形式在摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面，以直線、折線或曲線的形式並排延伸，且延伸的方向平行於所述摻雜矽層120的表面。所述“延伸方向”為平行於所述摻雜矽層120的表面的任意方向。所述“並排”是指所述相鄰的兩個三維奈米結構131在延伸方向上任意相對位置具有相同的間距，該間距範圍為0奈米～200奈米，所述複數個三維奈米結構131的延伸方向可以是固定的亦可以是變化的。所述延伸方向固定時，所述複數個三維奈米結構131以直線的形式並排延伸，所述三維奈米結構131以條帶形方式並排延伸，且在垂直於該延伸方向上，所述複數個三維奈米結構131的橫截面均為形狀和麵積完全相同的松樹形狀。
所述三維奈米結構131為一松樹狀結構。所述松樹狀結構為從摻雜矽層120的表面向外延伸的松樹狀凸起。所述松樹狀結構為多尺度的三維奈米結構161.具體地，所述松樹狀凸起包括一第一長方體結構133，一第二長方體結構135以及一三棱柱結構137。所述第一長方體結構133包括一第一上表面1332，所述第一上表面1332為第一長方體結構133遠離摻雜矽層120的表面，所述第二長方體結構135設置於該第一上表面1332；所述第二長方體結構135包括一第二上表面1352，所述第二上表面1352為第二長方體結構135遠離第一長方體結構133的表面，所述三棱柱結構137設置於該第二上表面1352。三者的幾何中心在同一軸線上。所述第一長方體結構133和三棱柱結構137均為一金屬層，所述第二長方體結構135起到隔離第一長方體結構133和三棱柱結構137的作用。
參見圖3，所述三棱柱結構137包括相對的兩個大小和形狀相同的第一三角形端面1370和第二三角形端面1372，以及連接第一三角形端面1370和第二三角形端面1372的第一矩形側面1374，第二矩形側面1376以及第三矩形底面1378。所述第一三角形端面1370和第二三角形端面1372點對點相對設置，以及相同的邊相對設置。進一步的，所述第一三角形端面1370和第二三角形端面1372均為一等腰三角形結構。所述第三矩形底面1378貼合於第二長方體結構135的第二上表面1352設置。所述第一長方體結構133的側面垂直於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面。所述第二長方體結構135的側面垂直於第一長方體結構133的第一上表面1332，即垂直於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面。
在垂直於延伸方向上，所述第一長方體結構133的寬度d1 為5奈米~400奈米，高度h1 為20奈米~500奈米。優選地所述第一長方體結構133的寬度d1為12奈米~320奈米，高度h1 為50~200奈米。本實施例中，所述第一長方體結構133的寬度d1 為50奈米，高度h1 為奈米。所述第二長方體結構135的寬度d2 為50奈米~450奈米，高度h2 為5奈米~100奈米。優選地，所述第二長方體結構135的寬度d2 為80奈米~380奈米，高度h2 為5奈米~60奈米。本實施例中，所述第二長方體結構135的寬度d2 為100奈米，高度h2 為10奈米。所述三棱柱結構137的寬度d3 為50奈米~450奈米，高度h3 為40奈米~800奈米，優選地，所述三棱柱結構137的寬度d3 為80奈米~380奈米，高度h3 為130奈米~400奈米。本實施例中，所述三棱柱結構的寬度d3 為100奈米，高度h3 為200奈米。所述三棱柱結構137的寬度d3 是指三棱柱結構137中第三矩形底面1378的寬度。所述三棱柱結構137的寬度d3 等於第二長方體結構135的寬度d2 ，即三棱柱結構137的第三矩形底面1378與第二長方體結構135的第二上表面1352完全重合。所述三棱柱結構137的寬度d3 大於第一長方體結構133的寬度d1 。
請參閱圖4，本發明第一實施例提供一種製備所述太陽能電池10的方法。所述太陽能電池10的製備方法，包括以下步驟： S10，提供一矽片襯底110，該矽片襯底110具有第一表面1102以及與第一表面1102相對的第二表面1104； S20，在所述矽片襯底110的第一表面1102進行摻雜形成摻雜矽層120； S30，在所述摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面設置一上電極130； S40，在所述上電極130的表面設置至少一電極引線140； S50，提供一背電極100，將所述背電極100設置於矽片襯底110的第二表面1104。
請一併參閱圖5，在步驟S30中，所述上電極130的製備方法包括以下步驟： S301，在所述摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面設置一第一金屬層132，在所述第一金屬層132遠離摻雜矽層120的表面設置一隔離層134，在所述隔離層134遠離第一金屬層132的表面設置一第二金屬層136； S302，在所述第二金屬層136遠離隔離層134的表面設置一圖案化的掩模層139，所述圖案化的掩模層139覆蓋第二金屬層136的表面的部分區域，並暴露其餘區域； S303，以圖案化的掩模層139為掩模，同時蝕刻該圖案化的掩模層139和所述第二金屬層136，得到複數個三棱柱結構137； S304，以所述複數個三棱柱結構137為掩模，蝕刻所述隔離層134，得到複數個第二長方體結構135； S305，以所述複數個第二長方體結構135為掩模，蝕刻所述第一金屬層132，得到複數個第一長方體結構133； S306，去除剩餘的圖案化的掩模層139，得到三維奈米結構131。
在步驟S301中，所述第一金屬層132和第二金屬層136可藉由電子束蒸發、離子濺射等方法分別沉積在所述摻雜矽層120和隔離層134的表面。所述第一金屬層132和第二金屬層136的材料為具有表面等離子激元的金屬，如金（Au）、銀（Ag），及銅（Cu）和鋁（Al）等。本實施例中，所述第一金屬層132和第二金屬層136的材料均為Au。所述第一金屬層132的厚度為20奈米~500奈米，優選地，所述第一金屬層132的厚度為50~200奈米。本實施例中，所述第一金屬層132的厚度為100奈米。要使沉積的第二金屬層136在去除圖案化的掩模層139後仍具有自支撐性，需要所述第二金屬層136的厚度大於40奈米。優選地，所述第二金屬層136的厚度為40奈米~800奈米，更優選地，所述第二金屬層136的厚度為130奈米~400奈米。本實施例中，所述第二金屬層136的厚度為200奈米。
所述隔離層134起到隔離第一金屬層132和第二金屬層136的作用，為了保證在蝕刻所述第二金屬層136時，所述第一金屬層132不被破壞。是以當所述第一金屬層132和第二金屬層136的材料不同時，該隔離層134可以省略。所述隔離層134的材料可以為金屬或半導體材料等，如鉻（Cr）、鉭（Ta）、矽（Si）等，可以根據需要選擇。所述隔離層134的厚度為5奈米~100奈米，優選地，所述隔離層134的厚度為5奈米~60奈米。當隔離層134的材料為金屬時，其與所述第一金屬層132和第二金屬層136的材料均不同。本實施例中，所述隔離層134所用材料為Cr，厚度為10奈米。
在步驟S302中，所述圖案化的掩模層139可藉由光學蝕刻、等離子體蝕刻、電子束蝕刻、聚焦離子束蝕刻等方式製備獲得，亦可藉由熱壓印、奈米壓印等方式製備獲得。本實施例中，所述圖案化的掩模層139藉由奈米壓印的方式形成於第二金屬層136的表面。與其他製備方法相比，藉由奈米壓印的方式製備圖案化的掩模層139的方法，具有精度高、效率低、能耗低、可室溫操作、成本低等優點。所述圖案化的掩模層139包括圖案化的掩模層的本體1394，以及由圖案化的掩模層的本體1394定義的複數個平行且間隔設置的第四開口1392，所述第四開口1392可以為條形開口或方格形開口。本實施例中，所述第四開口1392為條形開口，呈週期性排列，優選地，所述第四開口1392的兩端沿同一直線方向分別延伸至所述圖案化的掩模層139相對的兩個邊緣。所述奈米圖形的週期為90奈米~1000奈米，優選地，所述奈米圖案的週期為121奈米~650奈米。所述第四開口1392的寬度和所述圖案化的掩模層的本體1394的寬度可以相等亦可以不等。具體地，所述第四開口1392的寬度為40奈米~450奈米，所述圖案化的掩模層的本體1394的寬度為奈米50奈米~450奈米。本實施例中，奈米圖案的週期為200奈米，所述第四開口1392的寬度為100奈米。所述圖案化的掩模層的本體1394的高度為10奈米~1000奈米，優選地，所述圖案化的掩模層的本體1394的高度為20奈米~800奈米，更優選地，所述圖案化的掩模層的本體1394的高度為30奈米~700奈米。本實施例中，所述圖案化的掩模層的本體1394的高度為200奈米。
步驟303中，將經過步驟S302後得到的結構放入一反應性等離子體系統中進行蝕刻，得到複數個平行且間隔設置的三棱柱結構137，即得到圖案化的第二金屬層。所述蝕刻系統中的蝕刻氣體為物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體的混合氣體。所述物理性蝕刻氣體包括氬氣（Ar）或氦氣（He）等，所述反應性蝕刻氣體包括氧氣（O2 ）、氯氣（Cl2 ）、三氯化硼（BCl3 ）或四氯化碳（CCl4 ）等。所述物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體可依據要進行蝕刻的第二金屬層136和圖案化的掩模層139的材料來選擇，以保證所述蝕刻氣體具有較高的蝕刻速率。比如，當所述第二金屬層136的材料為金、鉑或鈀時，所述物理性蝕刻氣體為Ar。當所述第二金屬層136的材料為銅時，所述物理性蝕刻氣體為He。當所述第二金屬層136的材料為鋁時，所述物理性蝕刻氣體為Ar。本實施例中，所述物理性蝕刻氣體為Ar，所述反應性蝕刻氣體為O2 。
具體地，在蝕刻系統中通入物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體，一方面所述圖案化的掩模層的本體1394藉由反應性蝕刻氣體逐步蝕刻，另一方面藉由圖案化的掩模層139的第四開口1392暴露出來的對應位置處的第二金屬層136亦被物理性蝕刻氣體逐步蝕刻。在蝕刻過程中，圖案化的掩模層139逐漸剪裁，則圖案化的掩模層139的第四開口1392的寬度逐漸變大，則對應位置處的第二金屬層136從下到上的蝕刻寬度逐漸變大。所述圖案化的掩模層139被反應性蝕刻氣體部分除去或全部除去，而藉由圖案化的掩模層139的第四開口1392暴露出來的第二金屬層136被物理性蝕刻氣體部分除去或全部除去。蝕刻過程中，藉由調整Ar和O2 的體積流量、壓強及功率之間的關係來調節橫向蝕刻速度和縱向蝕刻速度之間的比例，獲得三棱柱結構137。經過前述步驟，所述第二金屬層136形成複數個平行且間隔設置的第三開口1362和複數個相鄰第三開口1362之間的三棱柱結構137。隔離層134藉由第三開口1362暴露出來。
在步驟S304中，將經過S303步驟所得到結構置於一反應性等離子體系統中對隔離層134進行蝕刻，得到複數個平行且間隔設置的第二長方體結構135，即形成圖案化的隔離層。本實施例中，所述隔離層134的材料為Cr，所述蝕刻系統中的蝕刻氣體為O2 和Cl2 的混合氣體。
經過蝕刻，所述隔離層134形成複數個平行且間隔設置的第二開口1342和複數個相鄰第二開口1342之間的第二長方體結構135，所述第二開口1342的形狀為條帶狀。所述第二開口1342與圖案化的第二金屬層的第三開口1362相對應，所述第二長方體結構135與三棱柱結構137相對應。所述第一金屬層132藉由第二開口1342暴露出來。
在步驟S305中，將經過步驟S304得到結構置於反應性等離子體系統中，得到複數個平行且間隔設置的第一長方體結構133，即形成圖案化的第一金屬層。
在蝕刻系統中通入物理性蝕刻氣體和反應性蝕刻氣體，所述物理性蝕刻氣體為Ar，所述反應性蝕刻氣體為Cl2 和O2 。在蝕刻第一金屬層132的過程中，所述反應性蝕刻氣體和物理性蝕刻氣體同時作用於該第一金屬層132上。
在蝕刻過程中，與圖案化的隔離層中第二開口1342相對應的第一金屬層132逐漸被蝕刻出第一開口1322。另外，在蝕刻過程中會脫落產生一些金屬顆粒或粉末。如果沒有反應性蝕刻氣體的參與，該等金屬顆粒或粉末會自下而上沿著所述第一開口1322的側壁堆積，從而形成“泛邊”現象，還容易造成第一開口1322側壁的表面粗糙度大。此時，所述金屬顆粒或粉末沉積在第一金屬層132所形成的第一開口1322的底部，使該第一開口1322內各個方向上的蝕刻速度梯度趨於平緩，即，所述金屬顆粒或粉末在底部的堆積相當於減小了縱向蝕刻速度並增大了橫向蝕刻速度。藉由反應性蝕刻氣體和物理性蝕刻氣體，所述第一開口1322側壁沉積的多餘的金屬便可被逐漸蝕刻掉，最終形成結構規整且表面粗糙度小的第一長方體結構133。
步驟S305完成後，所述第一開口1322的形狀呈規整的矩形。所述第一開口1322的寬度為10奈米~350奈米，可以藉由調節蝕刻時間來控制第一開口1322的寬度，即所述第一長方體結構133的粗細可以藉由調節蝕刻時間來控制。本實施例中所述第一開口1322的寬度為160奈米。
在步驟S306中，去除經過步驟S305後得到的結構中剩餘的光刻膠，得到複數個三維奈米結構131。採用四氫呋喃（THF）、丙酮、丁酮、環己烷、正己烷、甲醇或無水乙醇等無毒或低毒環保容劑作為剝離劑，溶解剩餘的光刻膠。本實施例中，藉由在丙酮溶液中超聲清洗去掉光刻膠。請參閱圖6和圖7為本發明第一實施例製備的複數個三維奈米結構131的掃描電鏡照片。
所述太陽能電池10進一步包括至少一電極引線140，所述至少一電極引線140設置於上電極130的上表面，並與上電極130歐姆接觸。所述電極引線140覆蓋所述上電極的部分區域並暴露部分區域，暴露的部分用於接收太陽光，所述電極引線140用於收集上電極130上的電流。所述電極引線140沿第二方向間隔設置於上電極130的上表面，所述第二方向與三維奈米結構131的延伸方向交叉設置。
所述電極引線140的材料為具有導電性的材料，如金屬、奈米碳管、石墨烯等。所述金屬材料為鎂、鋁或銀等。所述奈米碳管為有序奈米碳管結構或無序奈米碳管結構。所述無序奈米碳管結構包括複數個相互纏繞的奈米碳管。所述有序奈米碳管包括複數個沿同一方向延伸的奈米碳管。
所述奈米碳管結構是由複數個奈米碳管組成的一個自支撐結構，該奈米碳管結構可以為奈米碳管膜或奈米碳管線，所述奈米碳管膜或奈米碳管線可以藉由所述複數個三維奈米結構部分懸空設置，並與所述上電極形成部分接觸。本實施例中，所述電極引線140為一奈米碳管線，該奈米碳管線是由複數個奈米碳管組成的自支撐結構。該奈米碳管膜與所述上電極130電連接，該奈米碳管線用於收集所述P-N結中藉由光能向電能轉換而產生的電流。
請參閱圖8，本發明第二實施例提供的一種製備太陽能電池上電極230的方法。所述上電極230的製備方法，包括以下步驟： S301A，在所述摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面設置一第一金屬層132，在所述第一金屬層132遠離摻雜矽層120的表面設置一隔離層134，在所述隔離層134遠離第一金屬層132的表面設置一第二金屬層136； S302A，在所述第二金屬層136遠離隔離層134的表面設置一圖案化的掩模層139，所述圖案化的掩模層139覆蓋第二金屬層136的表面的部分區域，並暴露其餘區域； S303A，以圖案化的掩模層139為掩模，同時蝕刻該圖案化的掩模層139以及所述第二金屬層136，得到複數個三棱柱結構137； S304A，以複數個三棱柱結構137為掩模，蝕刻所述隔離層134，得到複數個第二長方體結構135； S305A，以複數個第二長方體結構135為掩模，蝕刻所述第一金屬層132，得到複數個第一長方體結構133； S306A，在所述三棱柱結構137的表面沉積一第三金屬層238，得到複數個多尺度的三維奈米結構231。
本發明第二實施例所提供的製備上電極230的方法與第一實施例所提供的製備上電極130的方法基本相同，其不同之處在於蝕刻第一金屬層132後，不用去除剩餘圖案化的掩模層139，直接在圖案化的掩模層／第二金屬層雜化結構的表面沉積一第三金屬層238。所述第三金屬層238的厚度大於30奈米。本發明第二實施例中所述第三金屬層238的厚度為50奈米。
藉由在圖案化的掩模層/第二金屬層雜化結構的表面沉積一第三金屬層238可以調節製備過程中的電荷分佈，利於加工。
參閱圖9，本發明第三實施例提供的太陽能電池30包括一背電極100、一矽片襯底110、一摻雜矽層120、一上電極130，以及至少一電極引線140。所述矽片襯底110具有相對的第一表面1102和第二表面1104，所述背電極100設置於矽片襯底110的第二表面1104，並與所述矽片襯底110歐姆接觸；所述摻雜矽層120形成於所述矽片襯底110的第一表面1102；所述上電極130為形成在摻雜矽層120表面的複數個多尺度的三維奈米結構331；所述至少一電極引線140設置於上電極130遠離摻雜矽層120的表面，並且所述電極引線140的延伸方向與三維奈米結構331的延伸方向交叉設置；所述三維奈米結構331包括一第一長方體結構133以及一三棱柱結構137，所述第一長方體結構133設置於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的一表面，所述三棱柱結構137設置於第一長方體結構133遠離摻雜矽層120的表面，所述三棱柱結構137底面的寬度大於第一長方體結構133上表面的寬度，所述第一長方體結構133和所述三棱柱結構137的材料均為金屬材料，所述第一長方體結構133的材料與三棱柱結構137的材料不同。
本發明第三實施例所提供的太陽能電池30與第一實施例所提供的太陽能電池10的結構基本相同，其區別在於本發明第三實施例所提供的上電極130中的三維奈米結構331由一第一長方體結構133和一三棱柱結構137組成。
參見圖10，本發明第四實施例提供的太陽能電池40，其包括一背電極100、一矽片襯底110、一摻雜矽層120、一上電極130以及至少一電極引線140。所述矽片襯底110具有相對的第一表面1102和第二表面1104，所述背電極100設置於矽片襯底110的第二表面1104，並與所述矽片襯底110歐姆接觸；所述摻雜矽層120形成於所述矽片襯底110的第一表面1102；所述上電極130為形成在摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面的複數個多尺度的三維奈米結構131；所述電極引線140覆蓋所述上電極130以及所述摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面，並且電極引線140的延伸方向與三維奈米結構131的延伸方向交叉設置；其中，所述三維奈米結構131包括一第一長方體結構133、一第二長方體結構135及一三棱柱結構137，所述第一長方體結構133設置於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面，所述第二長方體結構135設置於第一長方體結構133遠離摻雜矽層120的表面，所述三棱柱結構137設置於第二長方體結構135遠離第一長方體結構133的表面，所述三棱柱結構137底面的寬度等於所述第二長方體結構135上表面的寬度且大於所述第一長方體結構133上表面的寬度，所述第一長方體結構133和三棱柱結構137的材料為金屬。
本發明第四實施例所提供的太陽能電池40與本發明第一實施例所提供的太陽能電池10基本相同，其區別在於，第四實施例提供的太陽能電池40中的電極引線140覆蓋所述上電極130以及所述摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面。所述電極引線140的材料為金屬材料，所述電極引線140可以藉由沉積的方式形成在所述上電極130的表面。
參見圖11和圖12，本發明第五實施例所提供的太陽能電池50，其包括一背電極100、一矽片襯底110、一摻雜矽層120、一上電極130以及一電極引線140。所述矽片襯底110具有相對的第一表面1102和第二表面1104，所述背電極100設置於矽片襯底110的第二表面1104，並與所述矽片襯底110歐姆接觸；所述摻雜矽層120形成於所述矽片襯底110的第一表面1102；所述上電極130設置於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面；所述上電極130遠離摻雜矽層120的表面包括第一區域1302和第二區域1304，所述第二區域1304對應的上電極130部分作電極引線140，所述第一區域1302對應的上電極130部分包括複數個多尺度的三維奈米結構131，所述三維奈米結構131包括一第一長方體結構133、一第二長方體結構135及一三棱柱結構137，所述第一長方體結構133設置於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面，所述第二長方體結構135設置於第一長方體結構133遠離摻雜矽層120的表面，所述三棱柱結構137設置於第二長方體結構135遠離第一長方體結構133的表面，所述三棱柱結構137底面的寬度等於所述第二長方體結構135上表面的寬度且大於所述第一長方體結構133上表面的寬度，所述第一長方體結構133和三棱柱結構137的材料為金屬。
本發明第五實施例所提供的太陽能電池50與本發明第一實施例所提供的太陽能電池10基本相同，其區別在於，本發明第五實施例所提供的上電極130與電極引線140一體成型。
在製備的過程中，可藉由在第二區域1304設置光刻膠作掩模的方法，使圖案化的掩模層139僅形成於第一區域1302，只蝕刻第一區域1302的第二金屬層136、隔離層134以及第一金屬層132，即只在所述第一區域1302形成松樹狀的三維奈米結構131。所述第二區域1304的光刻膠與圖案化的掩模層139的材料不同，以保證在蝕刻圖案化的掩模層139時，所述第二區域的光刻膠不被蝕刻。
參見圖13，本發明第六實施例所提供的太陽能電池60，其包括一背電極100、一矽片襯底110、一摻雜矽層120、一上電極130以及一電極引線140。所述矽片襯底110具有相對的第一表面1102和第二表面1104，所述背電極100設置於矽片襯底110的第二表面1104，並與所述矽片襯底110歐姆接觸；所述摻雜矽層120形成於所述矽片襯底110的第一表面1102；所述上電極130設置於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面；所述上電極130遠離摻雜矽層120的表面包括第一區域1302、第二區域1304和第三區域1306。所述第二區域1304對應的上電極130部分為電極引線140，所述第一區域1302和第三區域1306對應的上電極130部分包括複數個多尺度的三維奈米結構131，所述三維奈米結構131包括一第一長方體結構133、一第二長方體結構135及一三棱柱結構137，所述第一長方體結構133設置於摻雜矽層120遠離矽片襯底110的表面，所述第二長方體結構135設置於第一長方體結構133遠離摻雜矽層120的表面，所述三棱柱結構137設置於第二長方體結構135遠離第一長方體結構133的表面，所述三棱柱結構137底面的寬度等於所述第二長方體結構135上表面的寬度且大於所述第一長方體結構133上表面的寬度，所述第一長方體結構133和三棱柱結構137的材料為金屬。
本發明第六實施例所提供的太陽能電池60與本發明第一實施例所提供的太陽能電池10基本相同，其區別在於，本發明第六實施例所提供的所述上電極130與所述電極引線140一體成型，並且所述上電極130包括兩部分被所述電極引線140電連接。
在製備的過程中，將光刻膠設置於所述第二區域1304，所述圖案化的第一掩模層設置於所述第一區域1302和所述第三區域1306，只蝕刻第一區域1302和第三區域1306的第二金屬層136、隔離層134以及第一金屬層132，即只在所述第一區域1302和第三區域1306形成松樹狀的三維奈米結構。所述第二區域1304的光刻膠與圖案化的掩模層139材料不同，以保證在蝕刻圖案化的掩模層139時，所述第二區域1304的光刻膠不被蝕刻。
工作時，太陽光照射到上電極130，並藉由所述上電極130之間的空隙照射到開口內，由於每層結構構成了不同品質的諧振腔，每個諧振腔吸收相應光子，傳遞給P-N結，太陽光藉由所述開口的內壁多次反射，反射到摻雜的矽層，從而增加了該太陽能電池的陷光性。在所述N型摻雜矽層和P型矽片襯底的接觸面形成P-N結，所述N型摻雜矽層多餘的電子趨向P型矽片襯底，並形成阻擋層或接觸電位差。太陽光從所述太陽能電池的上電極一側入射，當所述P-N結在太陽光的激發下產生複數個電子-空穴對時，所述複數個電子-空穴對在內電場作用下分離，N型摻雜矽層中的電子向所述上電極移動，P型矽片襯底中的空穴向所述背電極移動，然後分別被所述背電極和上電極收集，當連接外電路時形成電流。
本發明中所述複數個三維結構能夠實現不同波長的共振，相鄰三棱柱結構之間的第三開口可以實現窄帶共振，窄帶共振的半高寬為0.1奈米~3奈米，共振峰的位置為從近紫外到中紅外的範圍。本發明可以實現光的人工操縱和奈米彙聚及能量上轉化。利用多尺度的三維奈米結構的表面等離子體共振特性可以實現在奈米尺度上對光的操縱和高效利用，提高光電轉化效率。
相較於現有技術，本發明所提供的太陽能電池具有以下優點，所述作上電極的三維奈米結構由至少兩部分結構組成，每層結構構成了不同寬度的諧振腔，每個諧振腔吸收相應共振波附近的光子，並將光子傳遞給P-N結，這種結構可以有效地拓展共振波的範圍，進而提高光電轉換效率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10，30，40，50，60‧‧‧太陽能電池
100‧‧‧背電極
110‧‧‧矽片襯底
1102‧‧‧第一表面
1104‧‧‧第二表面
120‧‧‧摻雜矽層
130，330‧‧‧上電極
1302‧‧‧第一區域
1304‧‧‧第二區域
1306‧‧‧第三區域
131，231，331‧‧‧三維奈米結構
132‧‧‧第一金屬層
133‧‧‧第一長方體結構
1332‧‧‧第一上表面
134‧‧‧隔離層
135‧‧‧第二長方體結構
1352‧‧‧第二上表面
136‧‧‧第二金屬層
137‧‧‧三棱柱結構
1370‧‧‧第一三角形端面
1372‧‧‧第二三角形端面
1374‧‧‧第一矩形側面
1376‧‧‧第二矩形側面
1378‧‧‧第三矩形底面
139‧‧‧圖案化的掩模層
1392‧‧‧第四開口
1394‧‧‧图案化的掩模层的本体
1362‧‧‧第三開口
1342‧‧‧第二開口
1322‧‧‧第一開口
140‧‧‧電極引線
238‧‧‧第三金屬層
圖1為本發明第一實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖2為圖1的太陽能電池沿線II-II的剖視圖。
圖3為本發明第一實施例製備的三維奈米結構的分解圖。
圖4為本發明第一實施例製備太陽能電池的工藝流程圖。
圖5為本發明第一實施例製備太陽能電池上電極的工藝流程圖。
圖6為本發明第一實施例製備的太陽能電池上電極的低倍掃描電鏡照片。
圖7為本發明第一實施例製備的太陽能電池上電極的高倍掃描電鏡照片。
圖8為本發明第二實施例製備太陽能電池上電極的工藝流程圖。
圖9為本發明第三實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖10為本發明第四實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖11為本發明第五實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖12為本發明第五實施例提供的太陽能電池的俯視圖。
圖13為本發明第六實施例提供的太陽能電池的俯視圖。
無

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池，其包括： 一矽片襯底； 一背電極，所述背電極設置於矽片襯底的一表面； 一摻雜矽層，所述摻雜矽層形成在矽片襯底遠離背電極的一面； 一上電極，所述上電極為設置於摻雜矽層遠離矽片襯底表面的複數個多尺度的三維奈米結構，所述三維奈米結構沿一方向延伸； 至少一電極引線，所述電極引線設置於上電極遠離摻雜層的一面，並且電極的延伸方向與所述三維奈米結構的延伸方向交叉設置； 其改良在於，所述三維奈米結構包括一第一長方體結構、一第二長方體結構及一三棱柱結構，所述第一長方體結構設置於基底的一表面，所述第二長方體結構設置於第一長方體結構遠離基底的表面，所述三棱柱結構設置於第二長方體結構遠離第一長方體結構的表面，所述三棱柱結構底面的寬度等於所述第二長方體結構上表面的寬度且大於所述第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和三棱柱結構的材料為金屬。
  2. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述背電極的材料為金屬材料或碳材料。
  3. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述三維奈米結構為一條形凸起結構，複數個多尺度的三維奈米結構在基底表面以直線、折線或曲線的形式並排延伸，相鄰三維奈米結構之間的間距為40奈米～450奈米。
  4. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述金屬材料為金、銀、銅和鋁中的一種或多種，所述第二長方體結構的材料為Cr、Ta、Ta2 O5 、TiO2 、Si、SiO2 中的一種或多種。
  5. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第一長方體結構的厚度為20奈米～500奈米，所述第二長方體結構的厚度為5奈米～100奈米，所述三棱柱結構的厚度為40奈米～800奈米。
  6. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述至少一電極的材料為金屬材料或碳材料。
  7. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述三棱柱結構的表面進一步包括一第三金屬層。
  8. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述上電極與所述電極引線一體成型結構。
  9. 一種太陽能電池，其包括： 一矽片襯底； 一背電極，所述背電極設置於矽片襯底的一表面； 一摻雜矽層，所述摻雜矽層形成與矽片襯底遠離背電極的一面； 一上電極，所述上電極為設置於摻雜矽層遠離矽片襯底表面的複數個多尺度的三維奈米結構，所述三維奈米結構沿一方向延伸； 至少一電極引線，所述電極引線設置於上電極遠離摻雜層的一面，並且電極的延伸方向與所述三維奈米結構的延伸方向交叉設置； 其改良在於，所述三維奈米結構包括一第一長方體結構以及一三棱柱結構，所述第一長方體結構設置於基底的一表面，所述三棱柱結構設置於第一長方體結構遠離基底的表面，所述三棱柱結構底面的寬度大於第一長方體結構上表面的寬度，所述第一長方體結構和所述三棱柱結構的材料均為金屬材料，所述第一長方體結構的材料與三棱柱結構的材料不同。
  10. 如請求項9所述的太陽能電池，其中，所述金屬材料為金、銀、銅和鋁中的一種或多種。
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