[发明专利]一种用于单晶硅太阳电池的陷光结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于单晶硅太阳电池的陷光结构，特别设计一种利用金属纳米颗粒的表面等离子激元效应和绒面散射双重吸收增强机制进行陷光的用于单晶硅太阳电池的陷光结构。

背景技术

目前传统单晶硅太阳电池的制作过程中，利用扩散的方法在晶硅衬底上制作出掺杂pn结。为了提高太阳电池的性能和效率，需要尽可能多的吸收太阳光能。因此，在扩散工艺前会在晶硅衬底上制作绒面，通常是利用碱性腐蚀液(如KOH、NaOH等)对硅片表面进行腐蚀而形成。

但是，即便是通过表面制绒增加光在晶硅层中的散射来达到增加光吸收效率的目的，仍然有超过30％的光能由于空气和晶硅界面折射率不匹配而通过反射损失掉。通过在扩散层上用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)工艺沉积一层SiN_x钝化层，可以起到阻抗调整的作用，减小反射损耗。但由于该钝化层的折射率依然较高，超过2，所以反射损耗的降低有限。

利用金属纳米颗粒的表面等离子激元效应，可以获得令人满意的陷光效果。特别是将不同材质和尺寸的纳米颗粒均匀混合，将大大拓展其等离子吸收峰的宽度，进一步提高陷光效果。日本发明专利2009246025-A1公开了一种薄膜太阳电池结构，直接采用金属纳米颗粒构成的金属层作为背电极。CN101866961A公开了一种太阳电池的陷光结构，包括硅衬底、掺杂薄膜硅层、金属纳米结构、透明电极，所述衬底为未制绒的。从光学吸收的角度，由于金属纳米颗粒形成的纳米薄层的等效折射率很小，如果将其放置在单晶硅太阳电池中合适的位置，可以提高界面阻抗匹配关系，从而更好的减少光反射损耗。从载流子输运角度，如果将金属纳米颗粒直接放置于结区附近，在光吸收增加的同时也提供了光生载流子的复合中心，界面复合损耗大大增加，反而降低了电池的效率。

因此，如何实现对金属纳米颗粒优异的陷光效应的利用，同时又不引入额外的复合损耗，能够提高单晶硅太阳电池的光吸收效率，且方法便捷可行，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是结合目前传统单晶硅太阳电池制作工艺，提出一种将金属纳米颗粒用于单晶硅太阳电池的复合陷光结构。本发明充分考虑到现有单晶硅太阳电池的主流制备技术的特点，既能使单晶硅太阳电池获得优异的陷光效果，又无需引入额外的界面从而增加界面缺陷和载流子复合中心，同时从光学和电学两个层面确保提高晶硅太阳电池的效率。

一般而言，除了抗反射层之外，钝化层的优劣，是决定太阳能电池效率的重要关键。好的钝化层可以与硅表面或缺陷处(如差排(Dislocation)晶界、点缺陷)的悬浮键(dangling bond)形成键结，有效降低电子空穴对在硅表面及缺陷处的再结合率(recombination rate)，进而提高少数载流子的寿命(lifetime)，而达到提高太阳能电池效率的目的。本发明将金属纳米颗粒层直接沉积在单晶硅太阳电池表面钝化层上，利用表面等离子激元效应的长程作用增加了单晶硅层的光吸收，同时结合已存在的绒面结构增加光线在单晶硅太阳能电池内部的散射，进一步提高光吸收。这样，无需将金属纳米颗粒和单晶硅直接接触，避免了引入额外的光生载流子的复合损耗。该钝化层提高载流子的寿命，从而提高太阳电池的效率。利用本发明制备的单晶硅太阳电池能够获得高效率。

本发明所述的陷光结构包括：制绒的单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底上的掺杂层，在所述掺杂层上的钝化层，在所述钝化层上的纳米树脂层以及在所述纳米树脂层内的金属纳米颗粒层。由纳米树脂包裹的金属纳米颗粒层，可以显著增强对金属纳米颗粒优异的陷光效应的利用，同时又不引入额外的复合损耗，能够提高单晶硅太阳电池的光吸收效率

该钝化层为Si₃N₄钝化层，其质量密度为2.3-2.5g/cm³，折射率为2.3-2.4、且氢浓度为20-25原子％。

或者，所述的陷光结构包括：制绒的单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底上的掺杂层，在所述掺杂层上的钝化层，在所述钝化层上的金属纳米颗粒层。该钝化层为Si₃N₄钝化层，其质量密度为2.3-2.5g/cm³，折射率为2.3-2.4、且氢浓度为20-25原子％。

在本发明的单晶硅太阳电池的陷光结构中，可以在钝化层和金属纳米颗粒层之间含有一层自组装单分子层。

通过实施本发明的陷光结构后，可以增加光学吸收效率，同时不引入额外的界面复合损耗，从而获得更好的电池性能。