[發(fā)明專利]基于仿生蛾眼半導體異質(zhì)結太陽能電池及其制造方法

有效

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• 申請日: 2011-07-29
• 公開（公告）號: CN102263144A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發(fā)明（設計）人: 謝丹;馮婷婷;任天令;宋睿;田禾;李虓;吳德海;朱宏偉
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/072;H01L31/18;H01L51/42
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，特別涉及基于仿生蛾眼半導體異質(zhì)結太陽能電池及其制造方法。

背景技術

半導體異質(zhì)結太陽能電池是現(xiàn)有太陽能電池中的一種重要結構，它由兩種能帶結構不同的半導體材料構成，在接觸面上能帶發(fā)生彎曲或突變，形成內(nèi)建電場，從而為光生伏打效應在半導體中產(chǎn)生的載流子的分離提供了條件。由于半導體材料的多樣性，構成異質(zhì)結太陽能電池的材料的選擇也十分靈活。目前，半導體異質(zhì)結太陽能電池中使用最多的是非晶硅/單晶硅異質(zhì)結，InGaP/GaAs異質(zhì)結，CdS/CdTe異質(zhì)結，有機體異質(zhì)結等。太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率取決于多種因素，其中減少入射光反射率是提高太陽能電池效率的有效途徑之一。現(xiàn)有的異質(zhì)結太陽能電池通常采用平面結構，而平面結構往往不能有效的利用入射光能量，如平面硅在可見光范圍內(nèi)的反射率高達30％以上，造成了大量能量的損失。目前普遍采用減反膜如氧化硅，氮化硅來降低反射，減反膜是基于光的干涉原理，其厚度為波長的1/4或1/2，由于單層減反膜只對單一波長具有較好的減反作用，所以若需要對較寬范圍內(nèi)的光波都具有良好的反射效果，往往需要多層減反膜，這勢必會增加制造成本，并且減反膜的質(zhì)量依賴于工藝條件，因此限制了減反膜的效果。

自然界中，飛蛾的眼睛具有特殊的立體六角蜂窩狀微觀結構，其輪廓線比光線的波長還小，因此，大多數(shù)的入射光線都被蜂窩狀結構所吸收。飛蛾眼睛不反射光線的這一特點，可以應用于太陽能電池中。通過模擬蛾眼結構，能夠有效地減小入射光的反射。當光線入射到半導體柱狀陣列表面，入射光線在柱壁間進行多次反射，增長了光的傳播路徑，增強了半導體對入射光的吸收，從而有利于提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。另外，當另一種半導體材料填充到柱陣列之間，由于柱陣列具有比平面結構更大的表面積，因而增大了有效結面積，能夠產(chǎn)生更多的電子-空穴對，有利于提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

基于半導體陣列的仿生蛾眼結構只增加一步工藝，利用半導體本身而不引入其他材料，制備工藝簡單，成本低，不僅具有減反作用，還具有增大結面積的優(yōu)點，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，因而在太陽能電池結構中具有重要的應用前景。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于仿生蛾眼半導體異質(zhì)結太陽能電池及其制造方法，具有制備簡單、成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點，所制備的電池具有減少入射光反射的特點。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

基于仿生蛾眼半導體異質(zhì)結太陽能電池，包括單晶半導體襯底1，單晶半導體襯底1上面淀積隔離層2，單晶半導體襯底1背面淀積金屬背電極3，在隔離層2上開窗口形成有效結區(qū)，在結區(qū)中制備有仿生蛾眼陣列4，在隔離層2的窗口周圍淀積有金屬前電極5，在仿生蛾眼陣列4上制備有另一種半導體材料6。

基于仿生蛾眼半導體異質(zhì)結太陽能電池的制造方法，包括以下步驟：

一、在單晶半導體襯底1上淀積氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)作為隔離層2；

二、在單晶半導體襯底1背面淀積金屬作為背電極3；

三、通過濕法腐蝕隔離層2形成窗口，露出單晶半導體襯底1表面，用于定義異質(zhì)結面積和光照區(qū)域，在此區(qū)域中再通過光刻和干法刻蝕形成半導體仿生蛾眼陣列4；

四、采用剝離(lift-off)的方法在隔離層2的窗口周圍淀積金屬形成金屬前電極5；

五、通過蒸發(fā)、旋涂或轉(zhuǎn)移的方法在單晶半導體襯底1的仿生蛾眼陣列4上制備半導體材料6，并與金屬前電極5接觸，最終形成異質(zhì)結太陽能電池。

所述的單晶半導體襯底1為硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)或氮化鎵(GaN)中的一種。

所述的隔離層2為SiO₂或Si₃N₄。

所述金屬背電極3采用濺射或電子束蒸發(fā)的鈦(Ti)/鈀(Pd)/金(Au)或鈦(Ti)/鈀(Pd)/銀(Ag)疊層結構，與單晶半導體襯底1形成歐姆接觸。

所述的仿生蛾眼陣列4是采用反應等離子體刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP)制備的圓柱、方柱或不規(guī)則柱形，陣列的排布是三角陣、方陣或不規(guī)則排列，圓柱的直徑為200nm-2μm，高度為100nm-10μm，間距為100nm-2μm。

所述金屬前電極5采用濺射或電子束蒸發(fā)的鈦(Ti)/金(Au)疊層結構，與半導體材料6形成歐姆接觸。