[发明专利]一种广谱吸收的黑硅中间带太阳能电池结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及以黑硅为中间带材料的太阳能电池结构及其制作方法，利用黑硅材料的中间带特性和表面微结构的减反吸收特性提高硅基太阳能电池的效率。

背景技术

太阳能取之不尽用之不竭且开发无污染，所以太阳能电池是当今新能源领域的一个热点。目前广泛使用的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，然而这种电池仍然存在一些问题，制约其转化效率的进一步提高：一方面，普通硅基，其表面对光有较高反射率；另一方面，硅在室温下的禁带宽度是1.12 电子伏，对应波长约1.1微米，即红外波段几乎没有被太阳能电池吸收，限制了硅基太阳能电池的波段响应度和转换效率[Opt.Lett.30,14(2005)]。因此，硅材料吸收率的提升和响应波段的拓展意味着太阳能电池效率的提高。现有最常用的提高硅基太阳能电池效率的方法是，对硅表面进行织构化、纹理化，例如表面腐蚀法、电子束光刻法、多孔硅模法，通过光在粗糙表面的多次反射提高效率。上述方法虽然对增加光的吸收有贡献，但主要体现在可见光部分，红外波段的光仍然没有被有效利用。究其原因，这些方法并没有从本质上改变硅的能带结构，因此光吸收的范围并没有改变。

1997年，哈佛大学的艾里克·马祖（Eric Mazur）教授研究组在尝试研究飞秒激光与物质相互作用过程中发现，飞秒激光在一定的气体环境中可在硅表面激光辐照区产生微米量级的尖峰结构，因表面呈现黑色，所以又叫“黑硅”。黑硅的发明带动了广谱高效太阳能电池的研究，因为这种材料不仅在0.25微米至1.1微米波段吸收率高于90%，而且在1.1微米至2.5微米波段吸收率也很高，接近90%。本发明所提出的太阳能电池结构就是基于该新型黑硅材料，利用其中间带特性和表面存在的硅微锥结构，拓宽并提高对太阳光的吸收率，并由此提高电池的转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光吸收率高，波段限制小，结构简单的广谱吸收的黑硅中间带太阳能电池结构及其制备方法。为了克服现有太阳能电池吸收波段方面的限制，并同时保证较高的光吸收率，本发明在保证开路电压不变的基础上，利用黑硅材料的中间带特性和表面尖峰结构的减反特性，制造一种新型中间带太阳能电池，并提供这种电池的制作方法。

本发明所提供的广谱吸收的黑硅中间带太阳能电池结构，其为以黑硅中间带材料居中的三明治结构，该结构自上而下依次包括：

迎光面n型硅外延层；

广谱吸收的黑硅中间带结构层；

背光面p型硅基衬底。

所述背光面p型硅基衬底采用晶向（100）或（111）的p型单晶硅，双面抛光，厚度为200~500微米，衬底电阻率为1~10欧姆·厘米。

所述广谱吸收的黑硅中间带结构层，是在SF6气氛中，由飞秒激光辐照p型硅基衬底获得；经辐照后，所述p型硅基衬底表面结构是间隔为1~10微米，高度为1~10微米的硅微锥；黑硅中间带结构层附在硅微锥上，该层结构厚为100~300纳米，硫元素掺入浓度达                                                ~。该材料经过退火，在 0.25~1.1微米波段吸收率接近100%，在1.1~2.5微米波段吸收率仍高于60%。

所述迎光面n型硅外延材料层，是用分子束外延的方法在黑硅中间带结构层表面外延一层厚度为500~800纳米的n型硅材料，该层材料与p型硅基衬底性质相同，晶向为（100）或（111）单晶硅，电阻率为1~10 欧姆·厘米。

在所述三明治结构中，用磁控溅射的方法，在迎光面制作ZnO接触栅电极，背光面制作薄膜ITO接触电极，用于导出产生的有效载流子，形成光电流。

根据上述三明治结构，本发明提供了一种广谱吸收的黑硅中间带太阳能电池结构的制作方法，具体步骤如下：

步骤1：选择晶向（100）或（111）的p型单晶硅基衬底，其中电阻率为1~10欧姆·厘米，厚度200~500微米，对该衬底彻底清洗，清除衬底表面的有机表面膜、杂质粒子、金属玷污等；

步骤2：飞秒激光辐照SF6气体环境中的上述p型单晶硅基衬底表面，得到黑硅中间带吸收层，该飞秒激光波长800~1065纳米、频率100~1000赫兹、脉宽100~290飞秒，优选波长800纳米、频率1000赫兹、脉宽120飞秒，通过凸透镜聚焦，通量为~；

步骤3：把微构造过的硅材料放于真空热退火炉中，退火；退火温度为1300~1400开，优选1400开；退火时间4~6分钟，优选5分钟；