一种二维硅基微纳光子晶体太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明属于太阳能电池【技术领域】，涉及一种二维硅基微纳光子晶体太阳能电池，前接触层的下侧面上设有周期性排列的前电极；前电极和背电极之间设有二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构的上层为n型硅半导体层，下层为p型硅半导体层，n型硅半导体层和p型硅半导体层形成PN结；背电极的底部设有背接触层，背接触层的材料与前接触层的材料相同；铝薄层结构的背电极设置在p型硅半导体层的慢光区域或禁带区域；其结构简单，厚度远低于传统硅太阳能电池的厚度，体积小，阈值低，载流子扩散距离短，稳定性、光的耦合和传输效率高，加工和复合技术成熟，成为新一代最有潜力、低成本、高效太阳能电池器件。
【专利说明】一种二维硅基微纳光子晶体太阳能电池
【技术领域】
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[0001]本发明属于太阳能电池【技术领域】，涉及一种新型光子晶体太阳能电池结构，特别是一种具有光子禁带和慢光效应，厚度小、陷光好、光电转换效率高的二维硅基微纳光子晶体太阳能电池。
【背景技术】
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[0002]太阳能电池是一种将光能转换为电能的半导体器件，是太阳能利用的重要形式，按照基体材料分，太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池、硒光太阳能电池、化合物太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池，目前应用广泛的是硅基太阳能电池，这是因为硅原料材料丰富，光电转换效率高，光电性能稳定性和可靠性高，加工工艺技术成熟，不含有毒元素，不对环境造成污染，市场接受程度高等因素决定的。影响太阳能电池效率的主要因素可以归结为两方面，光学损失和电学损失，其中最主要因素是光学吸收，要提高太阳能电池的转换效率，就要尽可能提高电池材料对太阳光的吸收。硅基太阳能电池的实质就是一个大型的PN结，对一般的硅材料(300K，Eg = 1.12eV)，其可利用的太阳光谱为300?llOOnm，硅太阳能电池的光学能量损耗不仅在于能量小于晶硅能系的红外光子不能被利用，更是因为光子能量不能有效地用于光电转换。传统太阳能电池中，这两种效应会造成电池接近70%的能量损失，人们普遍认为太阳能电池的光转换效率最大为31%，所以硅太阳能电池研究的重点方向之一提高光电转换效率，特别是材料对光子的有效吸收方面；硅太阳能电池研究的另一个重点方向是降低成本。初期的硅太阳能电池衬底厚度较厚，现在硅衬底的厚度可以从350?400 μ m降低到150?200 μ m，英国BT公司实验证明:单晶硅太阳能电池降为175 μ m时，电池的效率没有附加损失。德国Fraunhofer公司制作的75 μ m厚的太阳能电池,效率仍可达到23.1%。而有研究指出，只要厚度大于50 μ m带有陷光结构的硅太阳能电池就有较好的转换效率。可见，如果采用适当的结构，可以在减少材料的厚度的同时，保证不降低硅太阳能电池的光电转换效率。但是，传统的太阳能电池厚度减少时，透射光的损失随厚度的减少而增加，理论计算表明，材料薄至50 μ m时，由于电池厚度的减薄，结构对长波光子的吸收效率收减低。只有采用陷光结构，才能保证电池的光电转换效率。除了电池进光面减反和前电极尽量少覆盖面积外，现有的陷光方式主要是在光线射入电池体内后，增加光在吸收层的路径，使吸收层的折射率大于其上下层织构材料，使没有吸收的光再次返回电池吸收层，进行二次吸收，分为三种方式:
[0003](I)单层或多层的1/4波长减反膜，是根据薄膜相消干涉原理，降低特定波长的反射率，这类减反膜虽然制作成本低，但其反射波段较窄，且反射率随着光波入射角增加而大幅增加；
[0004](2)梯度折射率减反膜，是在硅表面沉积一层折射率逐渐变化的减反膜，它可以在宽频谱、广入射角范围内实现很低的反射率，但此类减反膜制备成本高，且符合折射率要求的材料难以寻找；
[0005](3)绒面减反膜，是将减反膜技术和表面制绒技术相结合，制备出具有绒面结构的减反膜，以实现1/4波长减反膜的作用，同时改变降低反射率随入射角增加而增加，但是这类减反膜需要物理、化学甚至微电子方法相结合，制备工艺较难控制，所以多数研究处于试验阶段。
[0006]最近，有研究提出硅纳米线(或硅孔)可能最有潜力、低成本、高效太阳能电池器件材料之一，硅纳米线可以增加光吸收，而且具有载流子只需扩散很短的距离就可达到结区等优点，但是现有研究多为一维结构的纳米太阳能电池结构，采用的机理也是通过漫反射陷光，有些研究提出了径向硅纳米线二维结构，但制作工艺复杂，也没有与光子晶体结构的禁带和慢光理论结合起来。因此，寻求一种新型光子晶体太阳能电池结构，使其具有光子禁带和慢光效应，厚度小，陷光好，光电转换效率高。
【发明内容】
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[0007]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种厚度小、陷光好、转换效率高、结构稳定、便于加工和规模生产的新型二维硅基微纳光子晶体太阳能电池，将光子晶体的禁带特性、慢光特性等特点与硅纳米结构的优势相结合，采用圆弓形或椭圆散射元，通过模拟计算，设计太阳能电池结构，限制光的传播路径和传播方式，并通过前接触层对入射光减反、二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构进行有效陷光和光电转换、前电极和背电极为搭建电路做准备、背接触层对入射光增反几个方面有机结合，达到提高电池效率的目的。
[0008]为了实现上述目的，本发明的主体结构包括前接触层、前电极、二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构、背电极和背接触层；透明导电氧化物TCO材料制成前接触层的下侧面上设有周期性排列的前电极；前电极和背电极之间设有二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构的上层为η型硅半导体层，下层为P型硅半导体层，η型硅半导体层和P型硅半导体层形成PN结；背电极的底部设有背接触层，背接触层的材料与前接触层的材料相同；铝薄层结构的背电极设置在P型硅半导体层的慢光区域或禁带区域，背电极或为单一的薄层，背电极的形状与前电极的形状相同，均为条形状；入射光通过前接触层照射在二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构上，由于禁带和慢光效应，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构具有很好的陷光作用，有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应保证载流子流动的方向性和稳定性；前电极和背电极为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层对入射光增反，提高电池效率。
[0009]本发明所述η型硅半导体为带有二维硅基带有禁带和慢光效应的纳米光子晶体介质柱或空气孔结构，包括禁带区散射元、禁带区散射元间隙、慢光区散射元和慢光区散射元间隙；相邻的禁带区散射元之间形成禁带区散射元间隙；相邻的慢光区散射元之间形成慢光区散射元间隙；散射元为圆弓形或椭圆形；η型硅半导体的空间排列为三角晶格或四方晶格结构；设η型硅半导体的晶格常数为a，参数b和c分别代表圆弓形或椭圆形散射元长轴和短轴的半径，定义参数e = 1-c/b, e = 0-1,参数a、e根据禁带和慢光的要求而变化；禁带区由7行以上的禁带区散射元和禁带区散射元间隙组成，以便入射光或其分量不能向垂直方向传播，具有很好的陷光作用；慢光区的慢光散射元和慢光区散射元间隙有多种变化，以实现高品质因数的微腔参数和获得较高群折射率；禁带区和慢光区结构高度相同，其厚度大于50 μ m,禁带区和慢光区周期性交替排列；p型硅半导体为厚度大于50 μ m的单一半导体结构，P型硅半导体能与背电极构成平面。
[0010]本发明涉及的微纳光子晶体介质柱或空气孔结构是下面两种分别带有二维硅基带有禁带和慢光效应子结构的周期性排列:一种是圆弓或椭圆形散射元组成的七排以上的二维硅基光子晶体禁带结构，以确保禁带效果，散射元之间是散射元间隙；纳米光子晶体介质柱或空气孔具有较大的比表面积，能增加对入射光的吸收能力；其散射元和晶格常数可调，以便介质柱(或空气孔)的光子禁带包括300?IlOOnm的区域；在光线入射时，禁带的存在使结构不允许光在平行于介质柱或空气)方向传播，有利于材料对光子的吸收和利用；另一种是一种由相同散射元、排列不同的微腔构成的慢耦合波导，由散射元缺失和散射元偏转形成的多个高品质因数微腔；通过参数调整，单一腔体品质因数Q值达到14级以上；多个微腔形成慢光耦合波导结构，耦合波导的群折射率达到104，其慢光速度远远低于光速(只为光速的1/10000或更低)，使内光子被材料吸收的效率超过未加工材料的很多倍；其中Q值是根据信号发生器发出的在微腔中的能量实时分布得出的，微腔孤立模式的衰减公式为:
[0011]U (t) = U0exp (- a t) (I)
[0012]其中U0为腔内初始能量，U(t)表示以衰减因子α衰减后，t时刻微腔所对应的能量。以一个共振频率f为中心的模式，微腔对应的品质因数Q可表示为(2):
[0013]Q = 2 31 f / α (2)
[0014]而群速度Vg和群折射率118关系可以由公式(3)表示，c为光速:
C
[0015]v^-(3)
[0016]由此可见，由于结构是上面两种子结构的周期性排列，在增加陷光和光吸收方面有很多优势:介质柱或空气孔结构具有较大的比表面积；禁带结构具有陷光效应，入射光在硅线阵列中经过来回多次反射逐渐被吸收；慢光结构中光的群速度很小，便于光子被材料吸收，从而产生更多的载流子，而且慢光效应还保证了载流子流动的方向性和稳定性；结构的尺寸根据吸收波长调整，以完成高效率的光学吸收；介质柱高或孔的深度越大，电池反射率越低，在其他条件不变情况下，由于陷光作用，结构的深度达到50 μ m时，电池在400?100nm的反射率平均低于10%。
[0017]本发明所述米光子晶体介质柱或空气孔结构都跟P型硅半导体形成浅的PN结，光生载流子扩散很短的距离就达到结区，从而有较高的载流子收集率，两种结构周期形排列，禁带区域可比传统电池提高光电转换效率接近50%，而慢光区域的光电转换效率达到传统电池的两倍，其共同效果极大增加结构的光电转换效率，其光电效率的理论值可以达到60%以上；由于这一结构的电学性能与硅基底材料，不需要进一步掺杂等处理，具有很好的电学传输性能。
[0018]本发明与现有技术相比，将光子禁带和慢光原理应用于太阳能光电转换；禁带结构具有很好的陷光效应，入射光在硅线阵列中经过来回多次反射逐渐被吸收，具有很好的陷光作用；慢光结构陷光好，而且由于光的群速度很小，便于材料吸收光子，产生更多的载流子，慢光效应保证载流子流动的方向性和稳定性；设计的结构不仅规整，而且可以灵活多变:散射元相对小的硅纳米柱，在高频区域表现出更低的反射和更高的吸收；散射元相对大的硅纳米柱，则在低频区域表现出更低的反射和更高的吸收；还可以采取表现出类似的规律性的硅纳米孔，其结构简单，厚度远低于传统硅太阳能电池的厚度，体积小，阈值低，载流子扩散距离短，稳定性、光的耦合和传输效率高，加工和复合技术成熟，成为新一代最有潜力、低成本、高效太阳能电池器件。
【专利附图】
【附图说明】
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[0019]图1为本发明的主体结构原理示意图。
[0020]图2为本发明涉及的二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构的结构原理示意图，其中(I)为立体图；(2)为俯视图。
[0021]图3为本发明实施例1中禁带区的禁带图，其中横轴为参数e值，纵轴为相对禁带值。
[0022]图4为本发明实施例1中单一微腔的品质因数Q值曲线，其中横轴为参数e值，纵轴为Q值。
[0023]图5为本发明实施例1中群折射率曲线,其中横轴为归一化频率f，纵轴为群折射率118值。
[0024]图6为本发明实施例2中二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构的结构原理示意图，其中(I)为立体图；(2)为俯视图。
[0025]图7为本发明实施例2中禁带区的禁带图，其中横轴为参数e值，纵轴为相对禁带值。
[0026]图8为本发明实施例2中单一微腔的品质因数Q值曲线，其中横轴为参数e值，纵轴为Q值。
[0027]图9为本发明实施例2中群折射率曲线，其中横轴为归一化频率f,纵轴为群折射率118值。
【具体实施方式】
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[0028]下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
[0029]本实施例的主体结构包括前接触层1、前电极2、二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3、背电极4和背接触层5 ;透明导电氧化物TCO材料制成前接触层I的下侧面上设有周期性排列的前电极2 ;前电极2和背电极4之间设有二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3的上层为η型硅半导体层6，下层为P型硅半导体层7，η型硅半导体层6和P型硅半导体层7形成PN结；背电极4的底部设有背接触层5，背接触层5的材料与前接触层I的材料相同；铝薄层结构的背电极4设置在P型硅半导体层7的慢光区域或禁带区域，背电极4或为单一的薄层，背电极4的形状与前电极的形状相同，均为条形状；入射光通过前接触层I照射在二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3上，由于禁带和慢光效应，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3具有很好的陷光作用，有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应保证载流子流动的方向性和稳定性；前电极2和背电极4为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层5对入射光增反，提高电池效率。
[0030]本实施例所述η型娃半导体6为带有二维娃基带有禁带和慢光效应的纳米光子晶体介质柱或空气孔结构，包括禁带区散射元8、禁带区散射元间隙9、慢光区散射元10和慢光区散射元间隙11 ;相邻的禁带区散射元8之间形成禁带区散射元间隙9 ;相邻的慢光区散射元10之间形成慢光区散射元间隙11 ;散射元为圆弓形或椭圆形；n型硅半导体6的空间排列为三角晶格或四方晶格结构；设η型硅半导体6的晶格常数为a，参数b和c分别代表圆弓形或椭圆形散射元长轴和短轴的半径，定义参数e = 1-c/b, e = 0-1，参数a、e根据禁带和慢光的要求而变化；禁带区由7行以上的禁带区散射元7和禁带区散射元间隙8组成，以便入射光或其分量不能向垂直方向传播，具有很好的陷光作用；慢光区的慢光散射元9和慢光区散射元间隙10有多种变化，以实现高品质因数的微腔参数和获得较高群折射率；禁带区和慢光区结构高度相同，其厚度大于50 μ m，禁带区和慢光区周期性交替排列；p型硅半导体7为厚度大于50 μ m的单一半导体结构，P型硅半导体能与背电极4构成平面。
[0031]本实施例所述二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3采用市售的二维硅片，其微加工工艺技术成熟，前后电极、前后接触层材料也采用常规的市售产品。
[0032]实施例1:
[0033]本实施例的整体结构如图1所示，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3中涉及的η型硅半导体6是带有禁带和慢光效应两种子结构周期性排列的结构，η型硅半导体6的散射元采用圆弓形，空间排列为三角晶格结构；将禁带的中心波长设在λ = 700nm,由平面波展开法可以求得:禁带的中心波长设在700nm时，结构的晶格常数为a = 0.4 λ =280nm,参数b = 0.4a、e = 0.4时,禁带和慢光都有较好的效果；由于结构的禁带接近中心波长的50%，如图3所示，这样结构的禁带在350?1050nm，这一范围不仅包括可见光的范围，也包括太阳光光强较大的区域；为了保证禁带的陷光效果，禁带区由7行以上的禁带区散射元8和禁带区散射元间隙9组成，以便入射光或其分量不能向垂直于纳米柱(或孔)的方向传播；(2)慢光区包括慢光区散射元10、慢光区散射元间隙11，它有三排散射元组成，中间一排相邻的两个散射元间隔地去掉I个、另一个则90°偏转，形成微腔，微腔四周的另外4个散射元也依次偏转，形成圆环状，以实现高品质因数的微腔参数和获得较高群折射率。这两种结构高度相同(厚度大于50 μ m即可)，周期性交替排列，下层为P型硅半导体7是单一的半导体结构即可(厚度大于50 μ m即可)，背电极为条形的，与前电极对应，参见图2。
[0034]本实施例的工作原理是:入射光通过前接触层1，几乎无反射的照射在二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3上，由于禁带和慢光效应，这一结构具有很好的陷光作用，可以有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应还保证了载流子流动的方向性和稳定性；前电极2和背电极4，则为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层5对入射光增反，进一步提闻提闻电池效率；如接触层I和背接触层5有保护光子晶体太阳能电池的功能，图3是禁带区的禁带图，由图3可见在e = 0.4附近，相对禁带有极大值，为49.6% ;图4是慢光区的品质因数图，也e = 0.4附近有极大值，为4.8X 14 ;图5是慢光区域的群折射率图，在慢光区域没有位移的情况下，群折射率的极大值达到1.6 X 14 ;如果慢光区域整体有合理位移，群折射率的数值还会增加。
[0035]实施例2:
[0036]本实施例的整体结构与图1相同。实施例涉及的二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3中上层η型硅半导体6，是带有禁带和慢光效应两种子结构周期性排列的结构。为了满足结构有较大的禁带，散射元采用的是圆弓形；结构的空间排列为三角晶格结构；将禁带的中心波长设在λ = 700nm,由平面波展开法可以求得:禁带的中心波长设在700nm时，结构的晶格常数为a = 0.375 λ = 262.5nm，参数b = 0.42a、e = 0.3时，禁带和慢光也有较好的效果；由于结构的禁带接近中心波长的43%，如图7所示，结构的禁带略窄，在399?I ;001nm之间，这一范围也包括了可见光的范围，且包括了太阳光光强较大的区域；为了保证禁带的陷光效果，禁带区都有7行以上的散射元8和禁带区散射元间隙9组成，以便入射光或其分量不能向垂直于纳米柱(或孔)的方向传播；；慢光区包括慢光区散射元10、慢光区散射元间隙11，它有三排散射元组成，中间一排相邻的两个散射元间隔地去掉I个，形成微腔，为了实现高品质因数的微腔参数和获得较高群折射率，组成慢光区域的三排散射元，即图6(2)中的矩形区域，整体向右位移ds = 0.18a;这两种结构高度相同(厚度大于50 μ m即可)，周期性交替排列，下层为P型硅半导体7是单一的半导体结构即可(厚度大于50 μ m即可)，背电极为条形的，与前电极对应。
[0037]本实施例的工作原理是:入射光通过前接触层1，几乎无反射的照射在二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构3上，由于禁带和慢光效应，这一结构具有很好的陷光作用，可以有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应保证载流子流动的方向性和稳定性；前电极2和背电极4，则为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层5对入射光增反，进一步提闻提闻电池效率；如接触层I和背接触层5有保护光子晶体太阳能电池的功能；图7是禁带区的禁带图，可以看出在e = 0.375附近，相对禁带有极大值，为43% ;图8是慢光区的品质因数图，它也e = 0.375附近有极大值，为4.0XlO4 ;图9是慢光区域的群折射率图，在慢光区域有位移ds = 0.18a的情况下，群折射率的极大值达到2.0X 104。
【权利要求】
1.一种二维硅基微纳光子晶体太阳能电池，其特征在于主体结构包括前接触层、前电极、二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构、背电极和背接触层；透明导电氧化物TCO材料制成前接触层的下侧面上设有周期性排列的前电极；前电极和背电极之间设有二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构的上层为η型硅半导体层，下层为P型硅半导体层，η型硅半导体层和P型硅半导体层形成PN结；背电极的底部设有背接触层，背接触层的材料与前接触层的材料相同；铝薄层结构的背电极设置在P型硅半导体层的慢光区域或禁带区域，背电极或为单一的薄层，背电极的形状与前电极的形状相同，均为条形状；入射光通过前接触层照射在二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构上，由于禁带和慢光效应，二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构具有很好的陷光作用，有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应保证载流子流动的方向性和稳定性；前电极和背电极为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层对入射光增反，提高电池效率。
2.根据权利要求1所述二维硅基微纳光子晶体太阳能电池，其特征在于所述η型硅半导体为带有二维硅基带有禁带和慢光效应的纳米光子晶体介质柱或空气孔结构，包括禁带区散射元、禁带区散射元间隙、慢光区散射元和慢光区散射元间隙；相邻的禁带区散射元之间形成禁带区散射元间隙；相邻的慢光区散射元之间形成慢光区散射元间隙；散射元为圆弓形或椭圆形；11型硅半导体的空间排列为三角晶格或四方晶格结构；设11型硅半导体的晶格常数为a，参数b和c分别代表圆弓形或椭圆形散射元长轴和短轴的半径，定义参数e =1-c/b, e = 0-1，参数a、e根据禁带和慢光的要求而变化；禁带区由7行以上的禁带区散射元和禁带区散射元间隙组成，以便入射光或其分量不能向垂直方向传播，具有很好的陷光作用；慢光区的慢光散射元和慢光区散射元间隙有多种变化，以实现高品质因数的微腔参数和获得较高群折射率；禁带区和慢光区结构高度相同，其厚度大于50 μ m，禁带区和慢光区周期性交替排列；P型硅半导体为厚度大于50 μ m的单一半导体结构，P型硅半导体能与背电极构成平面。
【文档编号】H01L31/054GK104241428SQ201410504341
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】万勇, 刘培晨, 韩文娟, 贾明辉, 孙蕾 申请人:青岛大学