一种高效太阳能电池陷光结构及其制作方法

摘要

一种高效太阳能电池陷光结构及其制作方法，包括太阳电池扩散片，其在太阳电池扩散片上设有多个柱形的二维光子晶体，通过柱形的二维光子晶体在太阳电池扩散片上划分多个微区，在太阳电池扩散片上靠近微区的边缘处设埋栅电极并通过埋栅电极实现内部电极间的互联，在划分的微区上设有微型半透镜，所述的微型半透镜形成阵列结构，在太阳电池扩散片背面设有一维光子晶体全方向反射镜，在微型半透镜上设增透膜。本发明可提高入射到电池内部光场的光电转换效率，不仅起到了有效陷光的作用，而且对光场及其激发的光生载流子同时进行有效的控制和管理，为充分利用入射光场和高效收集光生载流子提供了极为有利的条件，从而可使电池的光电转换效率最大化。

权利要求

1.一种太阳能电池陷光结构，包括太阳电池扩散片（3），其特征是在太阳电池扩散片（3）中设有由多个介质柱形成的环形二维光子晶体（4），通过环形二维光子晶体（4）将太阳电池扩散片（3）划分成多个微区（301），所述的微区（301）直径为太阳电池扩散片（3）中少子扩散长度的1～2倍，所述的微区（301）直径为100mm～500mm，在太阳电池扩散片（3）上对应微区（301）的边缘处设埋栅电极并通过埋栅电极实现内部电极间的互联，在划分的微区（301）上设有微型半透镜（6），所述的微型半透镜（6）直径为微区（301）直径的1～1.5倍，所述的微型半透镜（6）形成阵列结构，在太阳电池扩散片（3）背面设有一维光子晶体全方向反射镜（1），在微型半透镜（6）上设增透膜（7）。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池陷光结构，其特征是所述的微型半透镜（6）为单层或多层。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池陷光结构，其特征是所述的微型半透镜（6）呈三角晶格或正方晶格排列。

4.一种如权利要求1所述的太阳能电池陷光结构的制备方法，其特征是步骤如下：（1）芯片准备，取太阳电池扩散片，进行工艺参数测试；

（2）在太阳电池扩散片中进行环形二维光子晶体的制作，通过二维光子晶体的完全带隙形成二维光子晶体全反镜，将太阳能电池扩散片划分成多个微区，所述的微区直径为太阳电池扩散片中少子扩散长度的1～2倍，所述的微区（301）直径为100mm～500mm；

（3）在太阳电池扩散片上制作埋栅电极；

（4）在太阳电池扩散片背面制作一维光子晶体全向反射镜；

（5）在太阳电池扩散片正面制作微型半透镜，所述的微型半透镜直径为微区直径的

1～1.5倍；

（6）在微型半透镜上制作增透膜。

5.根据权利要求4所述的太阳能电池陷光结构的制备方法，其特征是所述的微型半透镜为单层或多层。

说明书

一种高效太阳能电池陷光结构及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高效太阳能电池陷光结构及其制作方法。

背景技术

[0002] 太阳电池是太阳能利用的最主要形式，且因太阳能具有储量丰富、清洁、覆盖面广等特点，所以太阳电池也被认为是最具潜力的新能源形式。目前，已开发出多种形式的太阳电池，且部分已产业化，但多数仍处于实验室研制阶段。从目前各种太阳电池的研究方向看，光电转换效率仍是这一领域最为关注的重要问题，因为它是决定电池成本的主要因素，是各类电池间相互竞争的关键参数，所以一直以来都是太阳电池最重要的研究内容之一。

[0003] 目前，人们已提出多种有效方法来提高电池的光电转换效率，如层叠异质结结构，量子点结构、波长转换结构和陷光结构等。

[0004] 其中陷光结构可分为如下几类：

[0005] 1、上表面织构化设计。通常采用“V型槽”、“倒金字塔”或“金字塔”结构，这些结构可以将下表面反射来的光，重新反射回电池内部，如新南威尔士大学（UNSW）开发出发射结钝化电池、斯坦福大学的背面点接触电池和德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会（Fraunhofer）太阳能研究所的深结局部背场电池等。对电池上表面进行形貌构造，增强陷光效果，几乎是所有高效电池的基本结构之一。基于成本考虑，目前成熟产品采用的上表面陷光结构是经化学腐蚀形成的“金字塔”结构。

[0006] 2、下表面反射结构设计。下表面常采用金属膜反射镜或其它材料构成全反膜结构、“倒金字塔”结构、光栅结构等，来减小光的底面泄露。如UNSW开发出发射结钝化电池和斯坦福大学的背面点接触电池，均采用铝膜作为反射镜；2010年上海理工大学报道了在下表面采用光栅结构进行陷光的实验结果等。这些下表面的反射结构中，比较常用的是金属或其它材料构成的全反射膜结构。

[0007] 上述陷光结构的作用是：通过光程的控制，延长了光与吸光材料的反应时间。但陷光结构本身并不具备光场和光生载流子的管理作用，所以并不能达到最优的陷光效果。

发明内容

[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种可提高入射到电池内部光场的光电转换效率的高效太阳能电池陷光结构及其制作方法，该结构不但起到了有效陷光的作用，而且对光场及其激发的光生载流子同时进行了有效的控制和管理，为充分利用入射光场和高效收集光生载流子提供了极为有利的条件，从而可使电池的光电转换效率最大化。

[0009] 本发明的技术解决方案是：

[0010] 一种高效太阳能电池陷光结构，包括太阳电池扩散片3，其特殊之处是在太阳电池扩散片3上设有多个柱形的二维光子晶体4，通过柱形的二维光子晶体4在太阳电池扩散片3上划分多个微区301，在太阳电池扩散片3上对应微区301的边缘处设埋栅电极并通过埋栅电极实现内部电极间的互联，在划分的微区301上设有微型半透镜6，所述的微型半透镜
6形成阵列结构，在太阳电池扩散片3背面设有一维光子晶体全方向反射镜1，在微型半透镜6上设增透膜。

[0011] 上述的微型半透镜6为单层或多层。

[0012] 上述的微区301直径为太阳电池扩散片3中少子扩散长度的1～2倍。

[0013] 上述的微型半透镜6直径为微区301直径的1～1.5倍。

[0014] 上述的微区301直径为100mm～500mm。

[0015] 上述的微型半透镜6呈三角晶格或正方晶格排列。

[0016] 一种高效太阳能电池陷光结构的制备方法，其特殊之处是步骤如下：

[0017] 1）芯片准备，取太阳电池扩散片，进行工艺参数测试；

[0018] 2）在太阳电池扩散片上进行环形二维光子晶体的制作，通过二维光子晶体的完全带隙形成二维光子晶体全反镜，将太阳能电池扩散片划分成多个微区；

[0019] 3）在太阳电池扩散片上制作埋栅电极；

[0020] 4）在太阳电池扩散片背面制作一维光子晶体全向反射镜；

[0021] 5）在太阳电池扩散片正面制作微型半透镜；

[0022] 6）在微型半透镜上制作增透膜。

[0023] 上述的微型半透镜为单层或多层。

[0024] 上述的微区直径为太阳电池扩散片中少子扩散长度的1～2倍，所述的微型半透镜直径为微区直径的1～1.5倍。

[0025] 上述的微区直径为100mm～500mm。

[0026] 本发明主要采用常规半导体工艺和微光学器件加工工艺，如光刻、离子束刻蚀和薄膜沉积工艺实现太阳能电池陷光结构的制备。该结构具有以下有益效果：

[0027] 1、 纵向光场管理和陷光

[0028] 采用微型半透镜阵列和一维光子晶体全向反射镜实现光场的管理和陷光。首先，利用电池顶部微型半透镜阵列的聚光性质，实现入射光场的分区和聚焦。然后，聚焦后的光场经PN结到达电池底部，被一维光子晶体全方向反射镜反射回电池内部。最后，反射回电池内部的光场传播到电池顶部后，经微型半透镜又重新反射回电池内部。这种纵向反射机制就构成了纵向陷光结构。采用一维光子晶体全向反射镜替代了常用的金属薄膜反射镜，可有效降低底面的反射损失。在微型半透镜上方仍采用增透膜结构来增强入射光场的引入；微型半透镜对顶部的入射光场的影响很小，但对底面的反射光场却能起到很好的反射作用。

[0029] 2、横向光场管理和陷光措施

[0030] 光场经微型半透镜聚光后在向底面传播的过程中，当传播到微区边缘时，受到二维光子晶体全反镜的反射会重新回到微区内部。微区边缘采用介质柱形式的二维光子晶体，通过其带隙完成对光的反射作用形成横向陷光结构。

[0031] 3、微型半透镜的聚光效应为在光子密度低或无光子区域引出电极创造了条件。与通常引电极方式相比，这就等效增加了光接收面积。由于电极环绕微区边缘，电极是在靠近光生载流子浓度较大的区域进行就近收集，光生载流子的初始位置处于电极附近的一个扩散长度内，从而降低了载流子向电极运动时产生的复合损失，提高了电池体内的量子效率。

[0032] 通过以上措施完全实现了三维陷光的目的，并通过光场的分区管理，为有效管理光生载流子创造了有利条件，并且提高了电池体内的量子效率。该结构不但起到了有效陷光的作用，而且对光场及其激发的光生载流子同时进行有效的控制和管理，为充分利用入射光场和高效收集光生载流子提供了极为有利的条件，从而可使电池的光电转换效率最大化。经检测，利用本陷光结构可使太阳电池效率至少提高3~5%，成本降低15~30%。

附图说明

[0033] 图1是本发明的结构示意图；

[0034] 图2是图1（去掉增透膜和微型半透镜）的俯视图；

[0035] 图3是图1中微型半透镜（单层）的结构示意图；

[0036] 图4是图1中微型半透镜（两层）的结构示意图；

[0037] 图5是图1中微型半透镜（三角晶格阵列）的仰视图;

[0038] 图6是图1中微型半透镜（正方晶格阵列）的仰视图。

具体实施方式

[0039] 实施例1

[0040] 如图1、图2、图3和图5所示， 该高效太阳能电池陷光结构，包括太阳能电池扩散片3，在太阳能电池扩散片3上设环形二维光子晶体4，通过二维光子晶体完全带隙形成二维光子晶体全反镜，利用二维光子晶体全反镜在太阳能电池扩散片3上划分多个微区301，微区301直径为太阳能电池扩散片3少子扩散长度的1倍，本例中微区301直径为100mm，多个微区301呈三角晶格阵列形式，在衬底3正面和背面对应微区301的边缘处设有埋栅电极（即上电极5和下电极2）并通过上电极5和下电极2实现内部电极间的互联，在划分的微区301上设有单层微型半透镜6，所述的微型半透镜6的直径为微区301直径的1倍，所述的微型半透镜形成三角晶格阵列结构，在衬底4背面设一维光子晶体全方向反射镜1，在微型半透镜6上设增透膜7。

[0041] 上述高效太阳能电池陷光结构的制备方法，其步骤如下：

[0042] 1）芯片准备，取太阳电池扩散片3，进行工艺参数测试。

[0043] 2）在太阳电池扩散片3上利用紫外准分子激光打孔技术采用介质柱的形式进行环形二维光子晶体4的制作，通过二维光子晶体完全带隙形成二维光子晶体全反镜，利用二维光子晶体全反镜在太阳能电池扩散片3上划分多个微区301，多个微区301呈三角晶格阵列形式，所述的微区直径为太阳能电池扩散片3少子扩散长度的1倍，本例中微区301直径为100mm。

[0044] 3）在太阳电池扩散片3上对应微区边缘处制作埋栅电极，即上电极5和下电极2；通过上电极5和下电极2实现内部电极间互联。

[0045] 4）采用薄膜沉积方法利用MgF2（也可采用SiO2、Al2O3、Si3N4、Ta2O5、ZnS、SiOx或TiO2）在太阳电池扩散片3背面制作一维光子晶体全向反射镜1。

[0046] 5）采用平面工艺离子法（也可采用交换法、光敏玻璃法、全息法、菲涅耳波带透镜法、溶胶－凝胶法、光刻胶熔融法、反应离子刻蚀法、电子束刻蚀或激光刻蚀法）在太阳电池扩散片3正面制作单层微型半透镜6，微型半透镜6的直径为微区直径的1倍。

[0047] 6）采用MgF2（也可采用SiO2或Si3N4）在微型半透镜上制作增透膜7。

[0048] 实施例2

[0049] 如图1、图2、图3和图5所示， 该高效太阳能电池陷光结构，包括太阳能电池扩散片3，在太阳能电池扩散片3上设环形二维光子晶体4，通过二维光子晶体完全带隙形成二维光子晶体全反镜，利用二维光子晶体全反镜在太阳能电池扩散片3上划分多个微区301，多个微区301呈三角晶格阵列形式，微区301直径为太阳能电池扩散片3少子扩散长度的2倍，本例中微区301直径为500mm，在衬底3正面和背面对应微区301的边缘处设有埋栅电极（即上电极5和下电极2）并通过上电极5和下电极2实现内部电极间的互联，在划分的微区301上设有单层微型半透镜6，所述的微型半透镜6的直径为微区301直径的1.5倍，所述的微型半透镜形成三角晶格阵列结构，在衬底4背面设一维光子晶体全方向反射镜1，在微型半透镜6上设增透膜7。

[0050] 上述高效太阳能电池陷光结构的制备方法，其步骤如下：

[0051] 1）芯片准备，取太阳电池扩散片3，进行工艺参数测试。

[0052] 2）在太阳电池扩散片3上利用紫外准分子激光打孔技术采用介质柱的形式进行环形二维光子晶体4的制作，通过二维光子晶体完全带隙形成二维光子晶体全反镜，利用二维光子晶体全反镜在太阳能电池扩散片3上划分多个微区301，多个微区301呈三角晶格阵列形式，所述的微区直径为太阳能电池扩散片3少子扩散长度的2倍，本例中微区301直径为500mm。

[0053] 3）在太阳电池扩散片3上对应微区边缘处制作埋栅电极，即上电极5和下电极2；通过上电极5和下电极2实现内部电极间互联。

[0054] 4）采用薄膜沉积方法利用MgF2（也可采用SiO2、Al2O3、Si3N4、Ta2O5、ZnS、SiOx或TiO2）在太阳电池扩散片3背面制作一维光子晶体全向反射镜1。

[0055] 5）采用平面工艺离子法（也可采用交换法、光敏玻璃法、全息法、菲涅耳波带透镜法、溶胶－凝胶法、光刻胶熔融法、反应离子刻蚀法、电子束刻蚀或激光刻蚀法）在太阳电池扩散片3正面制作单层微型半透镜6，微型半透镜6的直径为微区直径的1.5倍。

[0056] 6）采用MgF2（也可采用SiO2或Si3N4）在微型半透镜上制作增透膜7。

[0057] 实施例3

[0058] 如图1、图2、图3和图5所示， 该高效太阳能电池陷光结构，包括太阳能电池扩散片3，在太阳能电池扩散片3上设环形二维光子晶体4，通过二维光子晶体完全带隙形成二维光子晶体全反镜，利用二维光子晶体全反镜在太阳能电池扩散片3上划分多个微区301，多个微区301呈三角晶格阵列形式，微区301直径为太阳能电池扩散片3少子扩散长度的1.5倍，本例中微区301直径为300mm，在衬底3正面和背面对应微区301的边缘处设有埋栅电极（即上电极5和下电极2）并通过上电极5和下电极2实现内部电极间的互联，在划分的微区301上设有单层微型半透镜6，所述的微型半透镜6的直径为微区301直径的1.2倍，所述的微型半透镜形成三角晶格阵列结构，在衬底4背面设一维光子晶体全方向反射镜1，在微型半透镜6上设增透膜7。

[0059] 上述高效太阳能电池陷光结构的制备方法，其步骤如下：

[0060] 1）芯片准备，取太阳电池扩散片3，进行工艺参数测试。

[0061] 2）在太阳电池扩散片3上利用紫外准分子激光打孔技术采用介质柱的形式进行环形二维光子晶体4的制作，通过二维光子晶体完全带隙形成二维光子晶体全反镜，利用二维光子晶体全反镜在太阳能电池扩散片3上划分多个微区301，多个微区301呈三角晶格阵列形式，所述的微区直径为太阳能电池扩散片3少子扩散长度的1.5倍，本例中微区301直径为300mm。

[0062] 3）在太阳电池扩散片3上对应微区边缘处制作埋栅电极，即上电极5和下电极2；通过上电极5和下电极2实现内部电极间互联。

[0063] 4）采用薄膜沉积方法利用MgF2（也可采用SiO2、Al2O3、Si3N4、Ta2O5、ZnS、SiOx或TiO2）在太阳电池扩散片3背面制作一维光子晶体全向反射镜1。

[0064] 5）采用平面工艺离子法（也可采用交换法、光敏玻璃法、全息法、菲涅耳波带透镜法、溶胶－凝胶法、光刻胶熔融法、反应离子刻蚀法、电子束刻蚀或激光刻蚀法）在太阳电池扩散片3正面制作单层微型半透镜6，微型半透镜6的直径为微区直径的1.2倍。

[0065] 6）采用MgF2（也可采用SiO2或Si3N4）在微型半透镜上制作增透膜7。

[0066] 实施例4

[0067] 如图4、图6所示，所述的微型半透镜6为双层，多个微区301呈正方形晶格阵列形式，其它同实施例1～实施例3。