[发明专利]基于硅纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别是涉及一种基于硅纳米线阵列的太阳能电池，可用于光伏发电。

背景技术

由于太阳能丰富且清洁，对广泛的能源相关应用而言，光伏器件极具吸引力。然而，目前硅基和其他太阳能电池的光电转化效率低，使太阳能电池的成本较高，阻碍了其发展和应用。太阳能电池的光电转化率定义为太阳能电池的电输出与太阳能电池表面区域入射的太阳能之比。在实际太阳能电池的制作中，有很多因素限制着器件的性能，因而在太阳能电池的设计和材料的选择等方面必须考虑这些因素的影响。

为了提高太阳能电池的光电转化率，需要采用陷光技术。当光经过这些结构时，光束会发生散射，散射光以较大的入射角进入薄膜电池的吸收层，由于吸收层材料的折射系数通常比周围材质的折射率高，大角散射的光束在吸收层中易于发生全反射。全反射光束在吸收层中来回振荡，直至被吸收层吸收生成光生载流子。这样通过陷光技术，可以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收，从而提高电池转化效率。

现有的太阳能电池表面的陷光结构通常采用三维倒梯形结构，剖面如图2所示。其结构自上而下分别为：金属电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型非晶硅层3、本征非晶硅层4、N型硅衬底5、背电极6。衬底表面通过湿法刻蚀，形成拥有三维倒梯形重复单元的表面，再在其上等离子体化学气相淀积PECVD本征非晶硅层和P型非晶硅层，形成具有三维倒梯形陷光结构的能量转换机构。当光入射电池表面光线会在其表面连续反射，增加光在电池表面陷光结构中的有效运动长度和反射次数，从而增大能量转换机构对光的吸收效率。但是这种结构由于绒面尺寸不均匀且分布较广，使得衬底表面缺陷密度大大增加，在正表面难以获得高质量的绒面陷光，不易降低衬底对光的反射系数。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于硅纳米线阵列的太阳能电池，以减少光的反射，提高对光子的吸收和利用，改善太阳能电池的转化效率。

为实现上述目的，本发明提出的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，包括背电极6和N型硅衬底5，其特征在于：N型硅衬底5的上表面采用纳米线阵列结构，该纳米线阵列结构上表面依次层叠有本征非晶硅层4、P型非晶硅层3和ITO氧化铟锡透明导电膜2，纳米线阵列结构的顶端设有正电极1。

作为优选，所述的P型非晶硅层3厚度为10-15nm。

作为优选，所述的本征非晶硅层4厚度为10-15nm

作为优选，所述的N型硅衬底5厚度为200-400μm。

作为优选，所述的纳米线阵列中每根硅纳米线的直径为40-80nm，长度为5-10μm。

作为优选，所述的正电极1采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属材料。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括如下步骤：

1)对N型硅衬底进行清洗；

2)将清洗后的N型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去除N型硅衬底的表面机械损伤；

3)在N型硅衬底上刻蚀形成硅纳米线阵列；

3a)在N型硅衬底上电子束蒸发厚度为50nm-10μm的金属铝；

3b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸或质量分数为15％的硫酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；

3c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸或质量分数为6％的磷酸与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层硅接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，已形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；

3d)在步骤3c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面在电子束蒸发一层厚度为5-10nm的金属镍层，并用碱溶液去除阳极氧化铝薄层，在N型硅衬底上得到金属镍纳米颗粒点阵；

3e)利用步骤3d)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，干法刻蚀硅衬底，得到硅纳米线阵列，再用酸性溶液去除金属镍纳米颗粒；

4)在表面有硅纳米线阵列结构的N型衬底上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为10-15nm的本征非晶硅层；

5)在本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为15-20nm的P型非晶硅层；

6)在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极；

7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正电极；