TWI442588B - 太陽能電池及其製備方法 - Google Patents

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Description

太陽能電池及其製備方法
本發明涉及一種太陽能電池及其製備方法。
太陽能係當今最清潔的能源之一，取之不盡、用之不竭。太陽能的利用方式包括光能-熱能轉換、光能-電能轉換和光能-化學能轉換。太陽能電池係光能-電能轉換的典型例子，係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，太陽能電池可分為矽基太陽能電池(請參見太陽能電池及多晶矽的生產，材料與冶金學報，張明傑等，vo16，p33-38(2007))、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。請參閱圖1，圖1為先前技術中的太陽能電池400，該太陽能電池400包括：一背電極40、一矽片襯底42、一摻雜矽層44和一上電極46。所述矽片襯底42採用多晶矽或單晶矽製成，具有第一表面41以及與該第一表面41相對設置的第二表面43，該第二表面43為一平面結構。所述背電極40設置於所述矽片襯底42的第一表面41，且與該矽片襯底42的第一表面41歐姆接觸。所述摻雜矽層44形成於所述矽片襯底42的第二表面43，作為光電轉換的材料。該摻雜矽層44的表面為一平整的平面結構。所述上電極46設置於所述摻雜矽層44的表面。所 述太陽能電池400中矽片襯底42和摻雜矽層44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(激子)，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40和上電極46移動。如果在所述太陽能電池400的背電極40與上電極46兩端接上負載，就會有電流通過外電路中的負載。
然，先前技術中，由於形成於所述矽片襯底42第二表面43的摻雜矽層44的表面為一平整的平面結構，其表面積較小，故，使所述太陽能電池400的取光面積較小。另外，太陽光線從外部入射到摻雜矽層44的表面時，由於該摻雜矽層44的表面為一平面結構，故照射到所述摻雜矽層44的光線一部分被吸收，一部分被反射，而被反射的光線不能再利用，故所述太陽能電池400對光線的利用率較低。
有鑒於此，提供一種具有較大取光面積的太陽能電池及其製備方法實為必要。
一種太陽能電池，包括：一矽片襯底，所述矽片襯底具有一第一表面以及與該第一表面相對設置的一第二表面，所述矽片襯底的第二表面設置有複數個三維奈米結構，該三維奈米結構為階梯狀結構；一背電極，所述背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，並與該第一表面歐姆接觸；一摻雜矽層，所述摻雜矽層形成於所述三維奈米結構的表面以及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的第二表面；以及一上電極，所述上電極設置於所述摻雜矽層的至少部分表面。
一種太陽能電池，包括從下至上依次設置的一背電極，一矽片襯底，一摻雜矽層，以及一上電極，其中，所述矽片襯底靠近上電極的表面設置有複數個三維奈米結構，該三維奈米結構為階梯狀結構，所述摻雜矽層設置於三維奈米結構的表面以及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的表面。
一種太陽能電池的製備方法，包括：提供一矽片襯底，所述矽片襯底具有一第一表面以及與該第一表面相對設置的一第二表面，所述矽片襯底的第二表面設置有複數個階梯狀三維奈米結構；在所述三維奈米結構表面及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的表面形成一摻雜矽層；提供一上電極，並將所述上電極設置於所述摻雜矽層的至少部分表面；以及提供一背電極，將所述背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，使所述背電極與所述矽片襯底的第一表面歐姆接觸。
相較先前技術，所述太陽能電池通過在所述矽片襯底的第二表面設置複數個階梯狀的三維奈米結構，可提高所述太陽能電池的取光面積。此外，當光線照射到所述三維奈米結構的側面時，該照射的光線一部分被吸收一部分被反射，被反射的光線中大部分光線再一次入射至相鄰的三維奈米結構，被該相鄰的三維奈米結構吸收和反射，故所述照射的光線在所述的三維奈米結構中發生複數次反射及吸收，從而可進一步提高所述太陽能電池對光線的利用率。所述太陽能電池的製備方法，該方法工藝簡單，成本低廉。
100；200；300‧‧‧太陽能電池
10；30‧‧‧背電極
11；21；31‧‧‧第一表面
12；32‧‧‧矽片襯底
13；23；33‧‧‧第二表面
14；34‧‧‧摻雜矽層
15；25；35‧‧‧三維奈米結構
152；252‧‧‧第一圓柱
154；254‧‧‧第二圓柱
16；36‧‧‧上電極
18‧‧‧金屬層
22‧‧‧矽基板
24‧‧‧掩膜層
26‧‧‧反應性蝕刻氣體
352‧‧‧第一圓柱狀空間
354‧‧‧第二圓柱狀空間
圖1為先前技術中的太陽能電池的結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的太陽能電池中矽片襯底的結構示意圖。
圖4為本發明第一實施例提供的太陽能電池中矽片襯底的掃描電鏡照片。
圖5為本發明第一實施例提供的太陽能電池的製備方法的流程圖。
圖6為本發明第一實施例提供的太陽能電池的製備方法中在矽基板的第二表面形成複數個三維奈米結構的製備方法的工藝流程圖。
圖7為本發明第一實施例提供的太陽能電池的製備方法中在矽基板的第二表面形成六角形密堆排布的單層奈米微球的掃描電鏡照片。
圖8為本發明第一實施例提供的太陽能電池的製備方法中在矽基板的第二表面形成簡單立方排布之單層奈米微球的掃描電鏡照片。
圖9為本發明第二實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖10為本發明第三實施例提供的太陽能電池的結構示意圖。
圖11為本發明第三實施例提供的太陽能電池中矽片襯底的結構示 意圖。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的太陽能電池作進一步的詳細說明。
請參閱圖2，本發明第一實施例提供一種太陽能電池100，從下至上依次包括：一背電極10、一矽片襯底12、一摻雜矽層14以及一上電極16。太陽光從所述上電極16一側入射。所述矽片襯底12具有一第一表面11以及與該第一表面11相對設置的一第二表面13，所述第二表面13為所述矽片襯底12靠近所述上電極16的表面，即靠近太陽光入射方向一側的表面。所述矽片襯底的第二表面13設置有複數個三維奈米結構15，該三維奈米結構15為階梯狀結構；所述背電極10設置於所述矽片襯底12的第一表面11，並與該第一表面11歐姆接觸；所述摻雜矽層14形成於所述三維奈米結構15的表面以及相鄰三維奈米結構15之間的矽片襯底12的第二表面13；所述上電極16設置於所述摻雜矽層14的至少部分表面。
所述背電極10的材料可為鋁、鎂或者銀等金屬。該背電極10的厚度為10微米~300微米。本實施例中，所述背電極10為一厚度約為200微米的鋁箔。
請參閱圖3，所述矽片襯底12為一P型矽片襯底，該P型矽片襯底的材料可係單晶矽、多晶矽或其他的P型半導體材料。本實施例中，所述矽片襯底12為一P型單晶矽片。所述矽片襯底12的厚度為200微米~300微米。所述矽片襯底12第二表面13設置有複數個三維奈米結構15。該複數個三維奈米結構15在所述矽片襯底12上 的第二表面13以陣列形式設置。所述以陣列形式設置指所述複數個三維奈米結構15可按照簡單立方排布、同心圓環排布或六角形密堆排布等方式排列。而且，所述以陣列形式設置的複數個三維奈米結構15可形成一個單一圖案或複數個圖案。所述單一圖案可為三角形、平行四邊形、菱形、正方形、矩形或圓形等。所述相鄰的兩個三維奈米結構15之間的距離相等。所述相鄰的兩個三維奈米結構15之間的距離為10奈米~1000奈米。所述複數個三維奈米結構15在所述矽片襯底12上的第二表面13排列的形式以及相鄰的兩個三維奈米結構15之間的距離可根據實際需要製備。本實施例中，所述複數個三維奈米結構15呈六角形密堆排布形成一單一正方形圖案，且相鄰兩個三維奈米結構15之間的距離約為30奈米。
該三維奈米結構15為階梯狀凸起結構。所述階梯狀凸起結構為從所述矽片襯底12的第二表面13向外延伸出的階梯狀突起的實體。所述階梯狀凸起結構為一複數層結構，如複數層三棱臺、複數層四棱臺、複數層六棱臺、複數層圓柱或複數層圓臺等。本實施例中，所述階梯狀凸起結構為複數層圓柱結構。所述階梯狀凸起結構的最大尺寸為小於等於1000奈米，即其長度、寬度和高度均小於等於1000奈米。優選地，所述階梯狀凸起結構的長度、寬度和高度範圍為10奈米~500奈米。
請一併參閱圖4，本實施例中，所述三維奈米結構15為一階梯狀凸起的雙層圓柱結構。具體地，所述三維奈米結構15包括一第一圓柱152以及一設置於該第一圓柱152上表面的第二圓柱154。所 述第一圓柱152設置於所述矽片襯底12的第二表面13，且所述第一圓柱152的側面垂直於矽片襯底12的第二表面13。所述第二圓柱154的側面垂直於第一圓柱152的上表面。優選地，所述第一圓柱152與第二圓柱154同軸設置，且該第一圓柱152與第二圓柱154為一體結構，即所述第二圓柱154為第一圓柱152上表面延伸出的圓柱狀結構。所述第一圓柱152的直徑大於第二圓柱154的直徑。所述第一圓柱152的直徑為30奈米~1000奈米，高度為50奈米~1000奈米。優選地，所述第一圓柱152的直徑為50奈米~200奈米，高度為100奈米~500奈米。所述第二圓柱154的直徑為10奈米~500奈米，高度為20奈米~500奈米。優選地，所述第二圓柱154的直徑為20奈米~200奈米，高度為100奈米~300奈米。所述第一圓柱152以及第二圓柱154的尺寸可根據實際需要製備。本實施例中，所述第一圓柱152與第二圓柱154同軸設置，且該第一圓柱152與第二圓柱154與所述矽片襯底12為一體結構。所述第一圓柱152的直徑為380奈米，高度為105奈米。所述第二圓柱154的直徑為280奈米，高度為55奈米。
所述摻雜矽層14形成於所述三維奈米結構15的表面以及相鄰三維奈米結構15之間的矽片襯底12的第二表面13，該摻雜矽層14的材料為一N型摻雜矽層。該摻雜矽層14可通過向所述矽片襯底12的第二表面13及設置於所述矽片襯底12的第二表面13上的複數個三維奈米結構15注入過量的如磷或者砷等N型摻雜材料製備而成。所述N型摻雜矽層14的厚度為10奈米~1微米。所述摻雜矽層14與所述矽片襯底12形成P-N結結構，從而實現所述太陽能電池100中 光能到電能的轉換。可以理解，在所述矽片襯底12的第二表面13設置複數個三維奈米結構15可使所述矽片襯底12的第二表面13具有較大的P-N結的界面面積，使所述太陽能電池具有較大的取光面積；此外，所述複數個三維奈米結構15具有光子晶體的特性，故，可增加光子在所述三維奈米結構15的滯留時間以及所述三維奈米結構15的吸收光的頻率範圍，從而提高所述太陽能電池100的吸光效率，進而提高所述太陽能電池100的光電轉換效率。
另外，當光線照射到所述第一圓柱152與第二圓柱154的側面時，該照射的光線一部分被吸收一部分被反射，被反射的光線中大部分光線再一次入射至相鄰的三維奈米結構15，被該相鄰的三維奈米結構15吸收和反射，故所述照射的光線在所述的三維奈米結構15中發生複數次反射及吸收，就係說，光線第一次照射到所述第一圓柱152與第二圓柱154的側面時，被反射的光線大部分被再次利用，從而可進一步提高所述太陽能電池100對光線的利用率。
所述上電極16可與所述摻雜矽層14部分接觸或完全接觸。可以理解，所述上電極16可通過所述複數個三維奈米結構15部分懸空設置，並與所述摻雜矽層14形成部分接觸；所述上電極16亦可包覆於所述摻雜矽層14表面，並與所述摻雜矽層14形成完全接觸。該上電極16可選自具有良好的透光性能以及導電性能的銦錫氧化物結構及奈米碳管結構，以使所述太陽能電池100具有較高的光電轉換效率、較好的耐用性以及均勻的電阻，從而提高所述太陽能電池100的性能。
所述銦錫氧化物結構可係一氧化銦錫層，該銦錫氧化物層可均勻 地包覆於所述摻雜矽層14表面，並與所述摻雜矽層14完全接觸。所述奈米碳管結構係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通過所述複數個三維奈米結構15部分懸空設置，並與所述摻雜矽層14形成部分接觸。所述自支撐結構係指該奈米碳管結構可無需基底支撐，自支撐存在。本實施例中，所述上電極16為一奈米碳管膜，該奈米碳管膜係由複數個奈米碳管組成的自支撐結構。該奈米碳管膜通過所述複數個三維奈米結構15部分懸空設置，並與所述摻雜矽層14部分接觸，該奈米碳管膜用於收集所述P-N結中通過光能向電能轉換而產生的電流。
可以理解，所述太陽能電池100可進一步包括一本征隧道層(圖中未示)，該本征隧道層設置於所述矽片襯底12及摻雜矽層14之間，該本征隧道層的材料為二氧化矽或者氮化矽。該本征隧道層的厚度為1埃~30埃。所述本征隧道層的設置可降低所述電子-空穴對在所述矽片襯底12和摻雜矽層14接觸面的複合速度，從而進一步提高所述太陽能電池100的光電轉換效率。
所述太陽能電池100中的矽片襯底12和摻雜矽層14的接觸面形成有P-N結。在接觸面上摻雜矽層14中的多餘電子趨向矽片襯底12中的P型矽片襯底，並形成一個由摻雜矽層14指向矽片襯底12的內電場。太陽光從所述太陽能電池100的上電極16一側入射，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型摻雜材料中的電子向所述上電極16移動，P型矽片襯底中的空穴向所述背電極10移動 ，然後分別被所述背電極10和上電極16收集，形成電流。
請參閱圖5，本發明進一步提供一種所述太陽能電池100的製備方法，包括以下步驟：S10，提供一矽片襯底，所述矽片襯底具有一第一表面以及與該第一表面相對設置的一第二表面，所述矽片襯底的第二表面設置有複數個階梯狀的三維奈米結構；S11，在所述三維奈米結構表面及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的第二表面形成一摻雜矽層；S12，提供一上電極，並將所述上電極設置於所述摻雜矽層的至少部分表面；S13，以及提供一背電極，將所述背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，使所述背電極與所述矽片襯底的第一表面歐姆接觸。
請參閱圖6，所述步驟S10進一步包括以下步驟：步驟S101，提供一矽基板22，所述矽基板22包括一第一表面21以及與該第一表面21相對設置的第二表面23。該矽基板22為一P型矽片，該P型矽片的材料可係單晶矽、多晶矽或其他的P型半導體材料。本實施例中，所述矽基板22為一P型單晶矽片。所述矽基板22的厚度為200微米~300微米。所述矽基板22的大小、厚度和形狀不限，可根據實際需要選擇。
進一步，可對所述矽基板22的第二表面23進行親水處理。
首先，清洗所述矽基板22的第二表面23，清洗時採用超淨間標準工藝清洗。然後，在溫度為30℃~100℃，體積比為NH3‧H2O：H2O2：H2O=x：y：z的溶液中溫浴30分鐘~60分鐘，對所述矽基板22的第二表面23進行親水處理，之後用去離子水沖洗2次~3次。 其中，x的取值為0.2~2，y的取值為0.2~2，z的取值為1~20。最後，用氮氣對所述矽基板22的第二表面23進行吹幹。
進一步，還可對所述矽基板22的第二表面23進行二次親水處理，其具體包括以下步驟：將親水處理過後的所述矽基板22在2wt%~5wt%的十二烷基硫酸鈉溶液(SDS)中浸泡2小時~24小時。可以理解，在SDS中浸泡過後的所述矽基板22的第二表面23有利於後續奈米微球的鋪展並形成有序排列的大面積奈米微球。
步驟S102，在所述矽基板22的第二表面23形成掩膜層24。
所述在矽基板22的第二表面23形成掩膜層24的方法為在所述矽基板22的第二表面23形成單層奈米微球。可以理解，採用單層奈米微球作為掩膜層24，可在奈米微球對應的位置製備得到階梯狀凸起結構。
所述在矽基板22的第二表面23形成一單層奈米微球作為掩膜層24具體包括以下步驟：首先，製備一奈米微球的溶液。
本實施例中，在直徑為15釐米的表面皿中依次加入150毫升的純水、3微升~5微升的0.01wt%~10wt%的奈米微球、以及當量的0.1wt%~3wt%的SDS後形成混合物，將上述混合物靜置分鐘30~60分鐘。待奈米微球充分分散於混合物中後，再加入1微升~3微升的4wt%的SDS，以調節奈米微球的表面張力，有利於形成單層奈米微球陣列。其中，奈米微球的直徑可為60奈米~500奈米，具體地，奈米微球的直徑可為100奈米、200奈米、300奈米或400奈 米，上述直徑偏差為3奈米~5奈米。優選的奈米微球的直徑為200奈米或400奈米。所述奈米微球可為聚合物奈米微球或矽奈米微球等。所述聚合物奈米微球的材料可為聚苯乙烯(PS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。可以理解，所述表面皿中的混合物可依實際需求而按比例調製。
其次，在所述矽基板22的第二表面23形成一單層奈米微球溶液，所述單層奈米微球以陣列形式設置於所述矽基板22的第二表面23。
採用提拉法或旋塗法在所述矽基板22的第二表面23形成一單層奈米微球溶液。所述單層奈米微球可呈六角密堆排布、簡單立方排布或同心圓環排布等。
所述採用提拉法在矽基板22的第二表面23形成單層奈米微球溶液的方法包括以下步驟：首先，將經親水處理後的所述矽基板22緩慢的傾斜的沿著表面皿的側壁滑入表面皿的混合物中，所述矽基板22的傾斜角度為9°~15°。然後，將所述矽基板22由表面皿的混合物中緩慢的提起。其中，上述滑下和提起速度相當，均為5毫米/小時~10毫米/小時。該過程中，所述奈米微球的溶液中的奈米微球通過自組裝形成呈六角密堆排布的單層奈米微球。
本實施例中，採用旋塗法在矽基板22的第二表面23形成單層奈米微球溶液，其包括以下步驟：首先，將親水處理過後的矽基板22在2wt%的十二烷基硫酸鈉溶液中浸泡2小時~24小時，取出後在所述矽基板22的第二表面23上塗覆3微升~5微升的聚苯乙烯。其次 ，以旋塗轉速為400轉/分鐘~500轉/分鐘的速度旋塗5秒~30秒。然後，以旋塗轉速為800轉/分鐘~1000轉/分鐘的速度旋塗30秒~2分鐘後。再次，將旋塗轉速提高至1400轉/分鐘~1500轉/分鐘，旋塗10秒~20秒，除去邊緣多餘的微球。最後，將分佈有奈米微球的第二表面23進行乾燥後即可在所述矽基板22的第二表面23上形成呈六角密堆排布的單層奈米微球，進而形成所述掩膜層24。此外，在形成所述掩膜層24之後還可進一步對矽基板22的第二表面23進行烘烤。所述烘烤的溫度為50℃~100℃，烘烤的時間為1分鐘~5分鐘。
本實施例中，所述奈米微球的直徑可為400奈米。請參閱圖7，所述單層奈米微球中的奈米微球以能量最低的排布方式排布，即六角密堆排布。所述單層奈米微球排布最密集，佔空比最大。所述單層奈米微球中任意三個相鄰的奈米微球呈一等邊三角形。
可以理解，通過控制奈米微球溶液的表面張力，可使單層奈米微球中的奈米微球呈如圖8所示的簡單立方排布。
步驟S103，採用反應性蝕刻氣體26對所述矽基板22的第二表面23進行蝕刻同時對所述掩膜層24進行腐蝕，在所述矽基板22的第二表面23形成複數個階梯狀的三維奈米結構25。
所述採用反應性蝕刻氣體26對矽基板22的第二表面23進行蝕刻的步驟在一微波等離子體系統中進行。所述微波等離子體系統為反應離子蝕刻(Reaction-Ion-Etching，RIE)模式。所述採用反應性蝕刻氣體26對矽基板22的第二表面23進行蝕刻的同時可對所 述掩膜層24進行腐蝕。當所述掩膜層24為單層奈米微球時，奈米微球的直徑會在蝕刻的過程中縮小，所以可形成複數個階梯狀的三維奈米結構25。
本實施例中，將形成有單層奈米微球的矽基板22的第二表面23放置於微波等離子體系統中，且該微波等離子體系統的一感應功率源產生反應性蝕刻氣體26。該反應性蝕刻氣體26以較低的離子能量從產生區域擴散並漂移至所述矽基板22的第二表面23。一方面，所述反應性蝕刻氣體26對所述單層奈米微球之間的所述矽基板22的第二表面23進行蝕刻，從而形成第一圓柱252；另一方面，所述反應性蝕刻氣體26同時對所述矽基板22的第二表面23上的單層奈米微球進行腐蝕，形成更小直徑的奈米微球，即單層奈米微球中的每一奈米微球被蝕刻削減為比所述第一圓柱252直徑更小的奈米微球，使所述反應性蝕刻氣體26可對所述第一圓柱252進行進一步蝕刻，從而形成所述第二圓柱254，進而形成所述複數個階梯狀的三維奈米結構25。
本實施例中，所述微波等離子體系統的工作氣體包括六氟化硫(SF6)和氬氣(Ar)或六氟化硫(SF6)和氧氣(O2)。其中，六氟化硫的通入速率為10標況毫升每分~60標況毫升每分，氬氣或氧氣的通入速率為4標況毫升每分~20標況毫升每分。所述工作氣體形成的氣壓為2帕~10帕。所述等離子體系統的功率為40瓦~70瓦。所述採用反應性蝕刻氣體26蝕刻時間為1分鐘~2.5分鐘。優選地，所述微波等離子體系統的功率與微波等離子體系統的工作氣體的氣壓的數值比小於20：1。可以理解，通過控制反應性蝕 刻氣體26的蝕刻時間可控制三維奈米結構25間的間距以及三維奈米結構25中所述第一圓柱252以及第二圓柱254的高度。
進一步，所述反應性蝕刻氣體26中還可加入三氟甲烷(CHF3)、四氟甲烷(CF4)或其混合氣體等其他氣體以調節蝕刻速率。所述三氟甲烷(CHF3)、四氟甲烷(CF4)或其混合氣體的流量可為20標況毫升每分~40標況毫升每分。
步驟S104，去除所述掩膜層24，得到所述矽片襯底。
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溶劑作為剝離劑，溶解奈米微球，可去除奈米微球，保留形成在矽基板22中第二表面23的三維奈米結構25，進而形成本發明第一實施例中的矽片襯底12，其中，所述矽基板22的第一表面21為本發明第一實施例中所述矽片襯底12的第一表面11；所述三維奈米結構25為本發明第一實施例中所述矽片襯底12中的三維奈米結構15；所述矽基板22中相鄰的三維奈米結構25之間的表面為本發明第一實施例中所述矽片襯底12的第二表面13。
本實施例中，通過在丁酮中超聲清洗去除聚苯乙烯奈米微球。
步驟S12，在所述三維奈米結構15的表面及相鄰三維奈米結構15之間的矽片襯底12的第二表面13形成一摻雜矽層14。
所述摻雜矽層14係通過向所述三維奈米結構15的表面及相鄰三維奈米結構15之間的矽片襯底12的第二表面13注入過量的如磷或者砷等N型摻雜材料製備而成。所述摻雜矽層14的厚度為10奈米~1 微米。所述摻雜矽層14與所述矽片襯底12形成P-N結結構，從而實現所述太陽能電池100中光能到電能的轉換。
可以理解，在所述步驟S12之前，還可進一步包括在所述三維奈米結構15的表面及相鄰三維奈米結構15之間的矽片襯底12的第二表面13形成一本征隧道層，該本征隧道層的材料可為二氧化矽或者氮化矽，該步驟為可選步驟。
步驟S13，提供一上電極16，並將所述上電極16設置於所述摻雜矽層14的至少部分表面。
可以理解，將所述上電極16設置於所述摻雜矽層14的表面，該上電極16可與所述摻雜矽層14部分接觸或完全接觸。所述上電極16可通過所述複數個三維奈米結構15部分懸空設置，並與所述摻雜矽層14部分接觸；所述上電極16亦可包覆於所述摻雜矽層14表面，並與所述摻雜矽層14完全接觸。該上電極16可選自具有良好的透光性能以及導電性能的銦錫氧化物結構及奈米碳管結構，以使所述太陽能電池100具有較高的光電轉換效率、較好的耐用性以及均勻的電阻，從而提高所述太陽能電池100的性能。本實施例中，所述上電極16為一奈米碳管膜，該奈米碳管膜通過所述三維奈米結構15部分懸空設置，並與所述摻雜矽層14部分接觸，該奈米碳管膜用於收集所述P-N結中通過光能向電能轉換而產生的電流。
步驟S14，提供一背電極10，將所述背電極10設置於所述矽片襯底12的第一表面11，使所述背電極10與所述矽片襯底12的第一表 面11歐姆接觸。
所述背電極10的材料可為鋁、鎂或者銀等金屬。該背電極10的厚度為10微米~300微米。可以理解，將所述背電極10設置於所述矽片襯底12的第一表面11，該背電極10可與所述矽片襯底12的第一表面11形成歐姆接觸。
請參閱圖9，本發明第二實施例提供一種太陽能電池200，所述太陽能電池200與本發明第一實施例中的太陽能電池100的結構基本相同，不同之處在於，本實施例中的太陽能電池200進一步包括一奈米級的金屬層18包覆於所述摻雜矽層14的表面。所述金屬層18為由複數個奈米級的金屬顆粒鋪展而成的單層層狀結構或複數層層狀結構，該金屬層18的厚度為2nm~200nm，所述金屬層18的材料選自金、銀、銅、鐵或鋁等金屬材料。本實施例中，所述金屬層18為一厚度為50奈米左右的奈米金顆粒層。
所述上電極16亦可與所述金屬層18部分接觸或完全接觸。本實施例中，所述上電極16通過所述複數個三維奈米結構15部分懸空設置，並與所述金屬層18部分接觸。
可以理解，在所述摻雜矽層14的表面包覆一層奈米級的金屬層18，當入射光線透過所述上電極16照射到所述金屬層18時，金屬層18的表面等離子體被激發，從而增加了位於金屬層18附近的摻雜矽層14對光子的吸收。此外，金屬層18的表面等離子體產生的電磁場亦有利於分離在太陽光的激發下P-N結結構中產生的複數個電子-空穴對。
本發明進一步提供一種所述太陽能電池200的製備方法，所述製備方法與本發明第一實施例中的太陽能電池100的製備方法基本相同，不同之處在於，在所述三維奈米結構15的表面及相鄰三維奈米結構15之間的矽片襯底12的第二表面13形成一摻雜矽層14之後，進一步在所述摻雜矽層14的表面形成一金屬層18。所述金屬層18可通過電子束蒸發法形成於所述摻雜矽層14的表面。
請參閱圖10，本發明第三實施例提供一種太陽能電池300，包括：一背電極30、一矽片襯底32、一摻雜矽層34以及一上電極36。所述矽片襯底32具有一第一表面31以及與該第一表面31相對設置的一第二表面33，所述矽片襯底的第二表面33設置有複數個三維奈米結構35，該三維奈米結構35為階梯狀結構；所述背電極30設置於所述矽片襯底32的第一表面31，並與該第一表面31歐姆接觸；所述摻雜矽層34形成於所述三維奈米結構35的表面以及相鄰三維奈米結構35之間的矽片襯底32的第二表面33；所述上電極36設置於所述摻雜矽層34的至少部分表面。
所述太陽能電池300與本發明第一實施例中的太陽能電池100的結構基本相同，不同之處在於，本實施例中，所述三維奈米結構35為一階梯狀凹陷結構，所述階梯狀凹陷結構為從所述矽片襯底32的第二表面33向內凹陷形成的階梯狀凹陷的空間，即為一虛體結構。。所述階梯狀凹陷結構為一複數層結構，如複數層三棱臺、複數層四棱臺、複數層六棱臺、複數層圓柱或複數層圓臺等。所述階梯狀凹陷結構的最大尺寸為小於等於1000奈米，即其長度、寬度和高度均小於等於1000奈米。優選地，所述階梯狀凹陷結構 的長度、寬度和高度範圍為10奈米~500奈米。本實施例中，所述階梯狀凹陷結構為複數層圓柱結構。所謂階梯狀凹陷結構為複數層圓柱結構係指所述階梯狀凹陷的空間為複數層圓柱形狀。
請參閱圖11，本實施例中，所述三維奈米結構35的形狀為一雙層圓柱狀空間，具體包括一第一圓柱狀空間352，以及一與所述第一圓柱狀空間352連通的第二圓柱狀空間354。所述第一圓柱狀空間352與第二圓柱狀空間354同軸設置。所述第一圓柱狀空間352靠近矽片襯底32的第二表面33設置。所述第一圓柱狀空間352的直徑大於第二圓柱狀空間354的直徑。所述第一圓柱狀空間352的直徑為30奈米~1000奈米，高度為50奈米~1000奈米。所述第二圓柱狀空間354的直徑為10奈米~500奈米，高度為20奈米~500奈米。所述第一圓柱狀空間352以及第二圓柱狀空間354的尺寸可根據實際需要製備。
所述複數個三維奈米結構35在所述矽片襯底32上的第二表面33以陣列形式設置。所述以陣列形式設置指所述複數個三維奈米結構35可按照簡單立方排布、同心圓環排布或六角形密堆排布等方式排列，而且所述以陣列形式設置的複數個三維奈米結構35可形成一個單一圖案或複數個圖案。所述相鄰的兩個三維奈米結構35之間的距離相等。所述相鄰的兩個三維奈米結構35之間的距離為10奈米~1000奈米。所述複數個三維奈米結構35在所述矽片襯底32上的第二表面33設置的形式以及相鄰的兩個三維奈米結構35之間的距離可根據實際需要製備。本實施例中，所述複數個三維奈米結構35呈六角形密堆排布形成一單一正方形圖案，且相鄰兩個三 維奈米結構35之間的距離約為50奈米。
可以理解，在所述矽片襯底32的第二表面33設置複數個奈米級的階梯狀凹陷結構可使所述矽片襯底32的第二表面33具有較大的P-N結的界面面積，從而提高所述太陽能電池300的光電轉換效率。此外，當光線照射到所述階梯狀凹陷結構時，該照射的光線可在所述階梯狀凹陷結構中發生複數次反射並吸收，從而增加了所述摻雜矽層的陷光性能；此外，所述複數個三維奈米結構35亦具有光子晶體的特性，還可增加光子在所述三維奈米結構35的滯留時間以及三維奈米結構35的吸收光的頻率範圍，從而提高所述太陽能電池300吸光效率，進而提高所述太陽能電池300的光電轉換效率。
可以理解，所述太陽能電池300亦可進一步包括一本征隧道層(圖中未示)，該本征隧道層設置於所述矽片襯底32及摻雜矽層34之間。該本征隧道層可降低所述電子-空穴對在所述矽片襯底32和摻雜矽層34接觸面的複合速度，從而進一步提高所述太陽能電池300的光電轉換效率。此外，所述太陽能電池300還可進一步包括一奈米級的金屬層(圖中未示)，該金屬層包覆於所述摻雜矽層34表面。該金屬層與本發明第二實施例中的金屬層18具有相同的材料和厚度。
本發明進一步提供一種所述太陽能電池300的製備方法，所述製備方法與本發明第一實施例中的太陽能電池100的製備方法基本相同，不同之處在於，由於本實施例中的三維奈米結構為階梯狀凹陷結構，所以，本實施例中，在所述矽基板22的第二表面23形 成一具有複數個開孔的連續膜作為所述掩膜層24。可以理解，採用具有複數個開孔的連續膜作為掩膜層24時，一方面，所述反應性蝕刻氣體26對所述連續膜中對應開孔部分的矽基板22第二表面23進行蝕刻，從而形成第二圓柱狀空間354；另一方面，所述反應性蝕刻氣體26同時對所述矽基板22的第二表面23上的連續膜進行腐蝕，使所述連續膜中的開孔變大，使所述反應性蝕刻氣體26對所述矽基板22第二表面23的蝕刻範圍更大，從而形成所述第一圓柱狀空間352，最後在開孔對應的位置製備得到階梯狀凹陷結構。可以理解，通過控制反應性蝕刻氣體26的蝕刻時間可控制三維奈米結構35間的間距以及三維奈米結構35中所述第一圓柱狀空間352以及第二圓柱狀空間354的尺寸。所述具有複數個開孔的連續膜可通過奈米壓印、模板沈積等方式製備。
本發明實施例的太陽能電池具有以下優點：首先，在所述矽片襯底的表面設置複數個階梯狀的三維奈米結構，可提高所述太陽能電池的取光面積；其次，所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構可使入射的太陽光在所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構發生複數次反射及吸收，從而增加了所述摻雜矽層的陷光性能以及所述太陽能電池對各個方向的光吸收效率，故，可提高所述太陽能電池對光線的利用率；再次，在所述摻雜矽層的表面包覆一層奈米級的金屬層，當入射光線透過所述太陽能電池的上電極照射到所述金屬層時，由於金屬層的表面等離子效應，可增加所述金屬層附近的摻雜矽層對光子的吸收性能，並有利於分離在太陽光的激發下P-N結結構中產生的複數個電子-空穴對；最後，所述階梯 狀的三維奈米結構還具有光子晶體的特性，可增加光子在所述三維奈米結構的滯留時間以及三維奈米結構的吸收太陽光的頻率範圍，進而提高所述太陽能電池的光電轉換效率。
本發明實施例所述太陽能電池的製備方法，該方法通過掩膜層和反應性蝕刻氣體相結合的方法，可在所述矽片襯底的第二表面形成階梯狀的三維奈米結構以增加所述太陽能電池的取光面積，且該方法工藝簡單，成本低廉。
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。
100‧‧‧太陽能電池
10‧‧‧背電極
11‧‧‧第一表面
12‧‧‧矽片襯底
13‧‧‧第二表面
14‧‧‧摻雜矽層
15‧‧‧三維奈米結構
16‧‧‧上電極

Claims (24)

  1. 一種太陽能電池，其改良在於，其包括：一矽片襯底，所述矽片襯底具有一第一表面以及與該第一表面相對設置的一第二表面，所述矽片襯底的第二表面蝕刻形成有複數個三維奈米結構，該三維奈米結構為階梯狀結構；一背電極，所述背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，並與該第一表面歐姆接觸；一摻雜矽層，所述摻雜矽層設置於所述三維奈米結構的表面以及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的第二表面；以及一上電極，所述上電極設置於所述摻雜矽層的至少部分表面。
  2. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述階梯狀結構為階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構。
  3. 如請求項2所述的太陽能電池，其中，所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構的最大尺寸小於等於1000奈米。
  4. 如請求項2所述的太陽能電池，其中，所述階梯狀結構為複數層三棱臺、複數層四棱臺、複數層六棱臺、複數層圓柱或複數層圓臺。
  5. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述三維奈米結構包括一第一圓柱以及一設置於該第一圓柱上表面的第二圓柱，且第一圓柱的直徑大於第二圓柱的直徑，所述第一圓柱與第二圓柱為一體結構且同軸設置。
  6. 如請求項5所述的太陽能電池，其中，所述第一圓柱的底面直徑 為50奈米~1000奈米，高度為100奈米~1000奈米；所述第二圓柱的底面直徑為10奈米~500奈米，高度為20奈米~500奈米。
  7. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述複數個三維奈米結構以陣列形式設置於所述矽片襯底的第二表面。
  8. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述複數個三維奈米結構按照簡單立方排布、同心圓環排布或六角形密堆排布的方式設置在所述矽片襯底的第二表面。
  9. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述複數個三維奈米結構形成一個單一圖案或複數個圖案。
  10. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述三維奈米結構與矽片襯底為一體結構。
  11. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述相鄰的兩個三維奈米結構之間的距離為10奈米~1000奈米。
  12. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，進一步包括一本征隧道層，所述本征隧道層設置於所述矽片襯底及摻雜矽層之間。
  13. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，進一步包括一奈米級的金屬層，所述金屬層包覆於所述摻雜矽層的表面。
  14. 如請求項13所述的太陽能電池，其中，所述金屬層的厚度為2nm~200nm。
  15. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述上電極通過所述複數個三維奈米結構部分懸空設置，並與所述摻雜矽層形成部分接觸。
  16. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述上電極包覆於所述摻雜矽層表面，並與所述摻雜矽層形成完全接觸。
  17. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述上電極為銦錫氧化物結構或奈米碳管結構。
  18. 一種太陽能電池，包括從下至上依次設置的一背電極，一矽片襯底，一摻雜矽層，以及一上電極，其改良在於，所述矽片襯底靠近上電極的表面蝕刻形成有複數個三維奈米結構，該三維奈米結構為階梯狀結構，所述摻雜矽層設置於三維奈米結構的表面以及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的表面。
  19. 一種太陽能電池的製備方法，其包括以下步驟：提供一矽片襯底，所述矽片襯底具有一第一表面以及與該第一表面相對設置的一第二表面，所述矽片襯底的第二表面蝕刻形成有複數個階梯狀三維奈米結構；在所述三維奈米結構表面及相鄰三維奈米結構之間的矽片襯底的表面形成一摻雜矽層；提供一上電極，並將所述上電極設置於所述摻雜矽層的至少部分表面；以及提供一背電極，將所述背電極設置於所述矽片襯底的第一表面，使所述背電極與所述矽片襯底的第一表面歐姆接觸。
  20. 如請求項19所述的太陽能電池的製備方法，其中，所述矽片襯底的製備方法為：提供一矽基板，所述矽基板包括一第一表面及與該第一表面相對設置的一第二表面；在所述矽基板的第二表面形成掩膜層；採用反應性蝕刻氣體對所述矽基板的第二表面進行蝕刻的同時對所述掩膜層進行腐蝕，在所述矽基板的第二表面形成複數個階梯 狀的三維奈米結構；以及去除所述掩膜層。
  21. 如請求項20所述的太陽能電池的製備方法，其中，所述在矽基板的第二表面形成掩膜層的方法為在所述矽基板的第二表面形成單層奈米微球。
  22. 如請求項21所述的太陽能電池的製備方法，其中，所述在矽基板的第二表面形成單層奈米微球的方法為提拉法或旋塗法。
  23. 如請求項20所述的太陽能電池的製備方法，其中，所述採用反應性蝕刻氣體對所述矽基板的第二表面進行蝕刻的步驟在一微波等離子體系統中進行。
  24. 如請求項20所述的太陽能電池的製備方法，其中，所述在所述矽基板的第二表面形成掩膜層的方法為在所述矽基板的第二表面形成具有複數個開孔的連續膜。
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