[發(fā)明專利]一種薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)玻璃的制備及其應(yīng)用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310039891.7
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103178156A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王慶康;沈向前;鐘建平;黃堃;嚴(yán)興茂
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微納制造、能源技術(shù)和微電子器件領(lǐng)域，具體地說，涉及的是一種薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)玻璃的制備及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

面對全球能源短缺危機(jī)和環(huán)境不斷惡化，世界各國積極研究和開發(fā)利用可再生能源，從而實現(xiàn)工業(yè)和社會的可持續(xù)發(fā)展。光伏電池是一種重要的可再生能源，其發(fā)電原理是全新的，與傳統(tǒng)方法完全不同。太陽能電池既沒有馬達(dá)旋轉(zhuǎn)部分，也不會排出氣體，是清潔無污染的發(fā)電方式。

太陽能電池既可作為獨立能源，亦可實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。但與傳統(tǒng)的火電、水電相比，太陽能電池昂貴。當(dāng)前太陽能發(fā)電占總能源比例極小，僅有0.037%。光伏發(fā)電能否作為一般能源使用，取決于它的發(fā)電成本是否能與市電競爭。要降低太陽能電池的發(fā)電成本，一方面可以降低電池的生產(chǎn)成本，采用更少更廉價的原料、減少生產(chǎn)時間、采用更簡單的生產(chǎn)工藝等；另一方面，可以提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率每提高1%,就可以降低7%的發(fā)電成本[黃惠良，蕭錫煉，周明奇，林堅楊，江雨龍，曾百亨.太陽能電池：制備、開發(fā)、應(yīng)用.M.科學(xué)出版社.2012]。

薄膜太陽能電池對降低制作能源需求及材料消耗有很大的優(yōu)勢。薄膜電池一般可以在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷和金屬片等不同材料基板上生長，可以用PECVD和濺射等方法實現(xiàn)大面積生長。但與體硅太陽能電池相比，薄膜電池光電轉(zhuǎn)化效率太低。薄膜電池吸收層厚度在幾百納米至一微米，而光子在約小于2μm厚的吸收層里不能被完全吸收，因此平板薄膜電池對光的吸收率不高，尤其是長波段光子在薄膜吸收層的有限光路里吸收率較低，增強(qiáng)長波段光子在薄膜吸收層里的吸收對提高薄膜太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。為了提高光子在薄膜結(jié)構(gòu)中的吸收率，通常考慮在表面反射低的前提下延長光子在吸收層的光路，需要增強(qiáng)進(jìn)入吸收層的光衍射，尤其是高次衍射，這樣有利于陷光增強(qiáng)。近年來許多方法用來增強(qiáng)薄膜電池陷光，這些方法通常都是通過新穎結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)陷光增強(qiáng)[Sai?H,Kanamori?Y，Arafune?K?et?al..Light?trapping?effect?of?submicron?surface?textures?in?crystalline?Si?solar?cells[J].Progress?in?photovoltaics,2007,15(5):415–423.]，但這些新結(jié)構(gòu)通常以提高成本為代價。

玻璃作為廉價且可大面積制備的基底而被廣泛應(yīng)用于薄膜電池結(jié)構(gòu)中，采用圖形化和各向同性刻蝕可以得到具有微納結(jié)構(gòu)的玻璃基片，基于此類基片制備的薄膜太陽能電池具有良好的陷光效果[Jeehwan?Kim,Augustin?J?Hong,Jae-Woong?Nah?et?al..Three-Dimensional?a-Si:H?Solar?Cells?on?Glass?Nanocone?Arrays?Paterned?by?Self-Assembled?Sn?Nanosph-eres[J].American?Chemical?Society，2012,16(1):265-271]。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)玻璃的制備及其應(yīng)用，該陷光結(jié)構(gòu)具有周期性和對稱性，擁有光子晶體的性能。作為薄膜太陽能電池襯底，可提高電池的陷光能力和光吸收。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，所述陷光結(jié)構(gòu)是一種微納周期性的半球凹坑陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有周期性和對稱性，擁有光子晶體的性能。

優(yōu)選地，所述半球凹坑陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)：半球凹坑結(jié)構(gòu)圖形大小在1μm-5μm之間，周期在1μm-10μm之間，包含各種陣列的排布。

所述的陷光結(jié)構(gòu)通過各向同性腐蝕，在玻璃襯底上得到的整齊排列的半球凹坑結(jié)構(gòu)。凹坑的半徑和排列周期由模板決定，凹坑的深度由腐蝕時間決定。當(dāng)結(jié)構(gòu)的尺寸與光譜波長可比時，周期排列的結(jié)構(gòu)對入射光起到光柵作用。當(dāng)入射光經(jīng)過此類結(jié)構(gòu)時，透射衍射增強(qiáng)，同時光的傳播方向偏折。以此為襯底的薄膜電池，一方面由于光的偏折，在吸收層中，光的傳播路徑延長，光子被吸收率的概率提高；另一方面，由于薄膜電池的吸收層通常比與其接觸的其他介質(zhì)折射率高，當(dāng)光發(fā)生偏折，更容易在吸收層中發(fā)生全反射，即陷光能力增強(qiáng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)玻璃的制備方法，所述方法采用微納加工工藝，通過各向同性刻蝕，在平板玻璃上得到半球凹坑陣列結(jié)構(gòu)，形成具有微納周期性結(jié)構(gòu)的玻璃。

所述薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)玻璃的制備方法，具體包括如下步驟：