专利名称：三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非晶硅太阳电池及其制备方法。
背景技术：
能源危机与环境污染是人类正面临的重大问题，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生的清洁 能源，对太阳能电池的研究与开发也变的日益重要。非晶硅薄膜太阳电池与晶硅太阳电池 相比有如下优点，制作工艺简单；衬底温度低，耗材少，能沉积在廉价的衬底上，故成本低， 能容易的应用集成工艺，进一步降低成本。因此，非晶硅薄膜太阳电池是一种很有发展前途 的太阳电池，得到了广泛的研究。目前，非晶硅太阳电池效率有待进一步提高，其中它公知的背反射层一般是金 属Al，该反射层反射率有限，反射角偏大；在太阳电池吸收层有效吸收光谱范围内，致使相 当多的光子没有被充分吸收，而反射到电池之外。Al本身的金属特性，即复数折射系数，对 可见光等具有部分吸收作用，影响了光子反射效率。麻省理工大学，研制出的一维光子晶体太阳电池，其中由Si/Si02/Si/Si02……， 构成一维周期结构背反射层，增加了光程，提高了光电转换效率。但是根据我们模拟计算 表明，一维右手材料构成的光子晶体结构，理论上不能达到全方位的全反射，即全光子带隙 只能出现在入射角10度以内，对于入射角大于10度的光线，反射率迅速降低。德国马丁路 德大学等制造出非晶硅叠层太阳电池用的中间过滤层，但是用ALD原子层沉积设备制备该 层，沉积速度慢，制备面积有限，且成本相对较高，不利用工业化生产。光子晶体，原理上不 同于光学上的布拉格反射层。因此亟待有一种制备廉价的三维光子晶体背反射层太阳电池 技术。而国内尚无一维光子晶体背反射层太阳电池的制备研究，也没有三维光子晶体太 阳电池的制备研究，也没有现关文献发表。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有Al背反射层反射率低，导致非晶硅太阳电池效率 低的问题，本发明提供了一种三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池及其制备方法。本发明的一种三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，包括在透明基板上依 次层叠的前电极层、P-SiC薄膜层、I-a-Si:H薄膜层、N-a-Si:H薄膜层、背反射层、背电极 层、第一条激光刻线、第二条激光刻线、掩膜丝、阴极接线和阳极接线，其中三维光子晶体为 背反射层的非晶硅太阳电池还包括ITO透明导电薄膜，背反射层为三维大孔有序的掺铝氧 化锌(AZO)薄膜光子晶体，ITO透明导电薄膜位于背反射层和n-a-Si :H薄膜层之间。所述P-SiC薄膜层3、I-a-Si H薄膜层4和N-a-Si H薄膜层5可统称为P-I-N层。本发明的以三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的背反射层为三维大孔 有序的掺铝氧化锌(AZO)薄膜，为三维光子晶体薄膜，对非晶硅吸收层不能完全吸收到的波段(600-1000nm)具有很高的反射率，达到80%以上，更重要的是三维光子晶体没有金属的趋肤效应，同时比Al反射镜的反射角度大，增加了光波在吸收层中的传播的光程，相当于 成倍的增加了吸收层的厚度，提高了光子利用效率，进而增加光电转换效率。本发明三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于以三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备方法是通过以下步骤实现的一、采用低 压化学气相沉积方法，在透明基板上沉积前电极层；二、用激光刻划切割机在步骤一得到 的前电极层上刻划第一激光刻线；三、采用等离子体化学气相沉积法，在经步骤二处理后 的前电极层上依次沉积P-SiC薄膜层、I-a-Si:H薄膜层和N-a-Si:H薄膜层；四、采用磁 控溅射方法，在N-a-Si:H薄膜层上沉积ITO透明导电薄膜；五、采用垂直沉积法或者旋涂 法，将聚苯乙烯微球乳液在ITO透明导电薄膜上沉积形成聚苯乙烯(PS)微球，然后在80 100°C下静置24 48小时后在ITO透明导电薄膜上得到胶体晶体模板，其中，采用体积浓 度为0. 1% 0. 3%的聚苯乙烯微球乳液，聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒径大小分布为 200nm 700nm，单分散度< 5% (体积)；六、将步骤五得到的沉积有胶体晶体模板的ITO透 明导电薄膜作为工作电极，钼丝作为对电极，银丝作为参比电极，在三电极体系中，在沉积 电位-0. 9 -1. OV下，进行恒电位沉积5(Tl20min，其中电解液组成为1 1. 5mol/L的 Zn(NO3)2和lppnT2ppm的Al (NO3)3 ·9Η20，溶质为去离子水，控制电解液温度在7(T90°C;七、 将经步骤六电沉积处理后的ITO透明导电薄膜在有机溶剂浸泡3(T60min，然后取出，清洗 后放入干燥箱中，在18(T240°C下退火2 4h得背反射层；八、采用激光刻划切割机刻划第二 条激光刻线，再高压氮气吹去碎屑；九、在背反射层上放置掩膜丝，然后再真空蒸镀背电极 层，再在背电极层上焊接阴极接线和阳极接线，得到以三维光子晶体为背反射层的非晶硅 太阳电池。本发明步骤五中垂直沉积法的操作步骤将步骤四沉积ITO透明导电薄膜后的透 明基板以与聚苯乙烯微球乳液液面成90°的角度插入聚苯乙烯微球乳液中，并固定沉积 ITO透明导电薄膜后的透明基板，然后在50 100°C下静置10 72h，在ITO透明导电薄膜 上得到自组装胶体晶体模板。本发明步骤五中旋涂法的操作步骤采用勻胶机，设定参数转速为500 1200 转/分钟、时间为20 100s，然后将步骤四沉积ITO透明导电薄膜后的透明基板固定到勻 胶机上，向薄膜上滴加聚苯乙烯微球乳液，然后开机进行旋涂，旋涂完毕后，静置挥发64 80h，在ITO透明导电薄膜上得到自组装胶体晶体模板，其中滴加聚苯乙烯微球乳液的用量 为1 5滴/平方厘米。本发明经步骤六和步骤七在ITO透明导电薄膜得到的背反射层为具有三维大孔 有序结构的掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体，AZO中Al的掺杂量与电解液中Al (NO3)3^H2O 的浓度一致，Al在整个掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体中的质量含量为广2ppm。本发明步骤二中用激光刻划切割机在步骤一得到的前电极层上刻划出间隔均勻 的第一激光刻线，间隔距离为9. 8^10. 2mm。本发明步骤八中激光刻划切割机刻划得到的第二条激光刻线刻划穿透背反射层、 ITO透明导电薄膜、N-a-Si:H薄膜层、I-a-Si:H薄膜层和P-SiC薄膜层，第二条激光刻线与 第一激光刻线平行，在第一激光刻线右侧壁沿0. 95^1. 05nm处。本发明步骤九中掩膜丝的放置位置为在距离第二条激光刻线的右侧壁沿0. 95^1. 05nm，沿与第一激光刻线平行的方向，在背反射层上放置掩膜丝。传统的金属电极具有趋肤效应，对可见光波，具有较强的反射，同时也具有很强的 吸收。而本发明三维光子晶体是选用可见光高透过率的掺铝氧化锌(AZO)材料，同时又利 用光子晶体的禁带效应，理论上可以实现在选定的可见光波段比如600-1000nm波段，实现 100%的全反射，在实际制备中，可实现80%及以上的反射率。更重要的是三维光子晶体没有 金属的趋肤效应，同时比Al反射镜的反射角度大，增加了光波在吸收层中的传播的光程， 相当于成倍的增加了吸收层的厚度，提高了光子利用效率，进而增加光电流密度和光电转 换效率。
图1是具体实施方式
一中三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的结构示 意图；图2是具体实施方式
一中三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的俯视图；图3 是具体实施方式
一中非晶硅太阳电池的入射光传播线路图，图中(a)为以三维光子晶体为 背反射层的非晶硅太阳电池的入射光传播线路图，(b)为传统的以Al为背反射层的非晶硅 太阳电池的入射光传播线路图；图4是具体实施方式
二十七中步骤五得到的自组装胶体晶 体模板的扫描电子显微镜形貌图；图5是具体实施方式
二十七中步骤七得到的背反射层的 扫描电子显微镜形貌图；图6是具体实施方式
二十七得到的三维AZO光子晶体为背反射层 的非晶硅太阳电池的结构示意图。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的 任意组合。
具体实施方式
一本实施方式三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，包括 在透明基板1上依次层叠的前电极层2、P-SiC薄膜层3、I-a-Si:H薄膜层4、N-a_Si:H薄 膜层5、背反射层7、背电极层8、第一条激光刻线9、第二条激光刻线10、掩膜丝11、阴极接 线12和阳极接线13，其中三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池还包括ITO透明导电 薄膜6，背反射层7为三维大孔有序的掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体，ITO透明导电薄膜 6位于背反射层7和n-a-Si :H薄膜层5之间。本实施方式的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池采用刻线和掩膜互联 的方式串联在一起。在前电极层2上有均勻间隔的第一条激光刻线9，间隔为9. 8^10. 2mm ； 第二条激光刻线10均勻刻划穿透P-SiC薄膜层3、I-a-Si :H薄膜层4、N_a_Si :H薄膜层5、 ITO透明导电薄膜6和背反射层7，刻划方向与第一条激光刻线9方向平行，与第一条激光 刻线9的右侧壁沿的距离为0. 95^1. 05nm ；掩膜丝11在背反射层7上均勻间隔放置，掩膜 丝11与第二条激光刻线10平行，与第二条激光刻线10的右侧壁沿的距离为0. 95 1. 05nm。 P-SiC薄膜层3、I-a-Si :H薄膜层4和N_a_Si :H薄膜层5可统称为P_I_N层。本实施方式的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的结构示意图如图1 所示。示意图1中阴极接线12和阳极接线13之间有一组刻线，其中第一条激光刻线9、第 二条激光刻线10和掩模线11为一组刻线。阴极接线12和阳极接线13之间可以有多组刻 线，比如广30组，根据实际应用中所需太阳电池的开路电压确定阴极接线12和阳极接线13之间刻线的组数。图2为本实施方式的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的俯视图，图中可以清楚地体现第一条激光刻线9、第二条激光刻线10和掩模线11之间的位置关系。本实施方式中非晶硅太阳电池的背反射层为三维大孔有序的掺铝氧化锌(AZO)薄 膜光子晶体，AZO具有可见光高透过率，结合光子晶体的禁带效应，可实现在选定的可见光 波段(600-1000nm)80%及以上的反射率。更重要的是三维光子晶体没有金属的趋肤效应， 同时比Al反射镜的反射角度大，增加了光波在吸收层中的传播的光程，相当于成倍的增加 了吸收层的厚度，提高了光子利用效率，进而增加光电流密度和光电转换效率。本实施方式的以三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的入射光传播线路 图如图3中(b)所示；传统的以Al为背反射层的非晶硅太阳电池的入射光传播线路图如图 3中(a)所示。由图3可知，入射光在本实施方式的非晶硅太阳电池中的反射角度大，传播 光程长。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是背反射层7掺铝氧化锌 薄膜的厚度为0. 5^1. 5 μ m,方块电阻为2(Γ25欧姆/方块。其它参数与具体实施方式
一相 同。本实施方式的背反射层为三维光子晶体，可以达到全方位的全反射，控制方块电 阻为2(Γ25欧姆/方块，以达到尽可能减小串联电阻的目的。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是ITO透明导电薄膜 6的方块电阻5 10欧姆/方块。其它参数与具体实施方式
一或二相同。本实施方式中ITO透明导电薄膜6的厚度为l(Tl000nm，在600nm波长范围内透过 率大于80%，对太阳电池的波长吸收和反射没有影响。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一、二或三不同的是在前电极层2 上有均勻间隔的第一条激光刻线9，间隔为9. 8^10. 2mm。其它参数与具体实施方式
一、二或 三相同。本实施方式中第一条激光刻线9的宽度为80 100 μ m。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是第二条激光刻 线10均勻刻划穿透P-SiC薄膜层3、I-a-Si :H薄膜层4、N-a_Si :H薄膜层5、ITO透明导电 薄膜6和背反射层7，刻划方向与第一条激光刻线9方向平行，与第一条激光刻线9的右侧 壁沿的距离为0. 95^1. 05nm。其它参数与具体实施方式
一至四之一相同。本实施方式中第二条激光刻线10的深度等于P-SiC薄膜层3、I-a-Si H薄膜层4、 N-a-Si:H薄膜层5、ITO透明导电薄膜6和背反射层7的总厚度，第二条激光刻线10的宽 度为80 100 μ m。第二条激光刻线10之间的间隔为9. 8^10. 2mm。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是掩膜丝11在 背反射层7上均勻间隔放置，掩膜丝11与第二条激光刻线10平行，与第二条激光刻线10 的右侧壁沿的距离为0. 95^1. 05nm。其它参数与具体实施方式
一至五之一相同。本实施方式中掩膜丝11之间的间隔为9. 8^10. 2mm。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是透明基板1为 玻璃基板、聚酰亚胺衬底或者塑料。其它参数与具体实施方式
一至六之一相同。
本实施方式中透明基板1的厚度控制在2. 5^3. 5mm。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是前电极层2为 SnO2 = F透明导电膜、掺铝氧化锌(AZO)膜或者ITO透明导电薄膜。其它参数与具体实施方式
一至七之一相同。本实施方式的SnO2 = F透明导电膜中控制元素F与元素Sn的质量比为 0. 02 0. 04:1。本实施方式前电极层2的厚度为68(T720nm，控制前电极层2的方块电阻为5 10 欧姆/方块。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是P-SiC薄膜层 3的厚度为8 lOnm，I-a_Si:H薄膜层4的厚度为48(T500nm，N-a_Si:H薄膜层5的厚度为 16 24nm。其它参数与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是背电极层8为 铝膜电极、银膜电极、掺铝氧化锌(AZO)膜电极或者Ag/AZO复合膜电极。其它参数与具体 实施方式一至九之一相同。本实施方式中背电极层8的厚度为28(T320nm。
具体实施方式
十一本实施方式如具体实施方式
一所述的三维光子晶体为背反 射层的非晶硅太阳电池的制备方法是通过以下步骤实现的一、采用低压化学气相沉积方 法，在透明基板1上沉积前电极层2 ；二、用激光刻划切割机在步骤一得到的前电极层2上 刻划第一激光刻线9 ；三、采用等离子体化学气相沉积法，在经步骤二处理后的前电极层上 依次沉积P-SiC薄膜层3、I-a-Si :H薄膜层4和N_a_Si :H薄膜层5 ；四、采用磁控溅射方 法，在N-a-Si:H薄膜层5上沉积ITO透明导电薄膜6 ；五、采用垂直沉积法或者旋涂法，将 聚苯乙烯微球乳液在ITO透明导电薄膜6上沉积形成聚苯乙烯(PS)微球，然后在80 100°C下静置24 48小时后在ITO透明导电薄膜6上得到胶体晶体模板，其中，采用体积 浓度为0. 1% 0. 3%的聚苯乙烯微球乳液，聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒径大小分布为 200nm 700nm，单分散度< 5% (体积)；六、将步骤五得到的沉积有胶体晶体模板的ITO透 明导电薄膜6作为工作电极，钼丝作为对电极，银丝作为参比电极，在三电极体系中，在沉 积电位-0. 9 -1. OV下，进行恒电位沉积5(Tl20min，其中电解液组成为1 1. 5mol/L的 Zn(NO3)2和lppnT2ppm的Al (NO3)3 · 9H20，控制电解液温度在7(T90°C ；七、将经步骤六电沉 积处理后的ITO透明导电薄膜6在有机溶剂浸泡3(T60min，然后取出，清洗后放入干燥箱 中，在18(T240°C下退火2 4h得背反射层7 ；八、采用激光刻划切割机刻划第二条激光刻线 10，再高压氮气吹去碎屑；九、在背反射层7上放置掩膜丝11，然后再真空蒸镀背电极层8， 再在背电极层8上焊接阴极接线12和阳极接线13，得到三维光子晶体为背反射层的非晶硅 太阳电池。本实施方式步骤六中电解液中的Al (NO3) 3 · 9H20成分的含量是指用溶质质量占全 部溶液质量的百万分比来表示的浓度，也称百万分比浓度。本实施方式中透明基板1的厚度为2. 5^3. 5mm。本实施方式制备得到的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的结构示意 图如图1所示。本实施方式的制备方法采用胶体晶体模板和电沉积方法相结合的方式在非晶硅太阳电池中得到三维大孔有序结构的光子晶体背反射层，实现了 600-1000nm波段的可见 光的80%及以上的反射率。与传统的金属作为背反射层(传统的金属电极具有趋肤效应，对 可见光波，具有较强的反射，同时也具有很强的吸收)相比，三维光子晶体没有金属的趋肤 效应，同时比Al反射镜的反射角度大，增加了光波在吸收层中的传播的光程，相当于成倍 的增加了吸收层的厚度，提高了光子利用效率，进而增加光电流密度和光电转换效率。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
十一不同的是步骤一中透明基板 1为玻璃基板、聚酰亚胺衬底或者塑料。其它步骤及参数与具体实施方式
十一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
十一或者十二不同的是步骤一中 前电极层2为SnO2 = F透明导电膜、掺铝氧化锌(AZO)膜或者ITO透明导电薄膜。其它步骤 及参数与具体实施方式
十一或者十二相同。本实施方式中SnO2 = F透明导电膜前电极层中控制元素F与元素Sn的质量比为0. 02 0. 04:1。本实施方式中前电极层2的厚度为68(T720nm，控制前电极层2的方块电阻为 5 10欧姆/方块。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
十一、十二或者十三不同的是步 骤二中用激光刻划切割机在步骤一得到的前电极层2上刻划出间隔均勻的第一激光刻线 9，间隔距离为9. 8^10. 2mm。其它步骤及参数与具体实施方式
十一、十二或者十三相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
十一至十四之一不同的是步骤 三中将经步骤二处理后的沉积有前电极层2的透明基板1放入等离子体化学气相沉积 (PECVD)设备的预热炉中，在200°C 250°C条件下预热2 3h，然后将透明基板1送入沉 积室，采用化学气相沉积的方法沉积P-SiC薄膜层3，沉积时间为70 90s，然后采用PECVD 方法沉积I-a-Si薄膜层4，控制沉积时间为4900 5000s，沉积速率为1埃/秒，然后再采 用PECVD方法沉积N-a-Si薄膜层5，控制沉积时间为18(T240s。其它步骤及参数与具体实 施方式十一至十四之一相同。本实施方式得到的P-SiC薄膜层3的厚度为纩lOnm，I-a-Si薄膜层4的厚度为 49(T500nm，N_a_Si:H 薄膜层 5 的厚度为 16 24nm。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
十一至十五之一不同的是步骤 四中磁控溅射方法的具体操作为磁控溅射选用的靶材是ITO靶(In2O3 =SnO2的质量比为 9 :1，质量纯度为99. 99%)，真空度为3.0X10_6Pa，氩气压强为0. 1 0. 5Pa，氩气流量为 12. OcmVmin,溅射功率为50w 400w，基板温度控制在0 300°C，镀膜时间为IOmin 120min。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至十五之一相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
十一至十六之一不同的是步骤五 中的垂直沉积法的操作步骤将步骤四沉积ITO透明导电薄膜6后的透明基板1以与聚苯 乙烯微球乳液液面成90°的角度插入聚苯乙烯微球乳液中，并固定沉积ITO透明导电薄膜 6后的透明基板1，然后在50 100°C下静置10 72h，在ITO透明导电薄膜6上得到自组 装胶体晶体模板。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至十六之一相同。本实施方式中对步骤四沉积ITO透明导电薄膜6后的透明基板1插入聚苯乙烯微 球乳液中前，依次在乙醇、丙酮、甲醇溶液中进行清洗，再晾干。本实施方式中可以在50 100°C的恒温箱内进行聚苯乙烯微球的自组装。随着聚苯乙烯微球乳液中溶剂的蒸发，液面缓慢下降，单分散微球在基板上自组装为颗粒周期排 列的胶粒晶体，组装的推动力是溶剂的蒸发所产生的流体动力和垂直基片上单分散微球的 毛细管力。由于这里的基片不同于沉降自组装法中水平放置的基片，它是垂直放置在组装 容器中的。在组装中，保证箱内温度均勻，没有气流的扰动。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
十一至十七之一不同的是步骤五 中的旋涂法的操作步骤采用勻胶机，设定参数转速为500 1200转/分钟、时间为20 100s，然后将步骤四沉积ITO透明导电薄膜6后的透明基板1固定到勻胶机上，向薄膜上滴 加聚苯乙烯微球乳液，然后开机进行旋涂，旋涂完毕后，静置挥发64 80h，在ITO透明导电 薄膜6上得到自组装胶体晶体模板，其中滴加聚苯乙烯微球乳液的用量为1 5滴/平方 厘米。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至十七之一相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
十一至十八之一不同的是步骤七 中有机溶剂为四氢呋喃或者甲苯。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至十八之一相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
十一至十九之一不同的是步骤七 中在200°C下退火3h得背反射层7。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至十九之一相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
十一至二十之一不同的是步骤 八中激光刻划切割机刻划得到的第二条激光刻线10刻划穿透背反射层7、ITO透明导电薄 膜6、N-a-Si:H薄膜层5、I-a-Si:H薄膜层4和P-SiC薄膜层3，第二条激光刻线10与第一 激光刻线9平行，在第一激光刻线9右侧壁沿0. 95^1. 05nm处。其它步骤及参数与具体实 施方式十一至二十之一相同。
具体实施方式
二十二 本实施方式与具体实施方式
十一至二十一之一不同的是步 骤九中掩膜丝的放置位置为在距离第二条激光刻线10的右侧壁沿0. 95^1. 05nm，沿与第 一激光刻线9平行的方向，在背反射层7上放置掩膜丝11。其它步骤及参数与具体实施方 式十一至二十一之一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
十一至二十二之一不同的是步 骤九中掩膜丝11为Mo丝或者W丝。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至二十二之一相 同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
十一至二十三之一不同的是步 骤九中背电极层8为Al膜电极、银膜电极、掺铝氧化锌(AZO)膜电极或者Ag/AZO复合膜电 极。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至二十三之一相同。本实施方式中背电极层8的厚度为28(T320nm。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
十一至二十四之一不同的是步 骤九中在真空度为lX10_『10X10_8Torr的压力下真空蒸镀背电极层8。其它步骤及参数 与具体实施方式
十一至二十四之一相同。
具体实施方式
二十六本实施方式与具体实施方式
十一至二十五之一不同的是步 骤九中焊接阴极接线12和阳极接线13之间有广30组刻线，其中第一条激光刻线9、第二条 激光刻线10和掩模线11为一组刻线。其它步骤及参数与具体实施方式
十一至二十五之一 相同。本实施方式中刻线的组数越多，非晶硅太阳电池的开路电压越大；根据实际应用中所需电压值，可在广30组之间任意选定。
具体实施方式
二十七本实施方式三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的 制备方法是通过以下步骤实现的一、采用低压化学气相沉积方法，在玻璃基板1上沉积 700nm的SnO2 F透明导电膜(前电极层2 )，SnO2 F透明导电膜前电极层2中元素F与Sr!的 质量比为0. 02、. 04:1 ；二、用激光刻划切割机将步骤一得到的SnO2 = F透明导电膜2刻划 出间隔均勻的第一激光刻线9，间隔距离为IOmm ；三、将经步骤二处理后的沉积有SnO2 = F透 明导电膜2的玻璃基板1放入等离子体化学气相沉积(PECVD)设备的预热炉中，在220°C 条件下预热2. 5h，然后将玻璃基板1送入沉积室，首先采用化学气相沉积的方法沉积IOnm 的P-SiC薄膜层3，沉积时间为70 90s，然后采用PECVD方法沉积500nm的I_a_Si薄膜 层4，控制沉积时间为5000s，沉积速率为1埃/秒，然后继续采用PECVD方法沉积20nm的 N-a-Si薄膜层5，控制沉积时间为200s ；四、采用磁控溅射方法，在N_a_Si :H薄膜层5上沉 积200nm的ITO透明导电薄膜6，其中磁控溅射方法的具体操作为磁控溅射选用的靶材是 ITO靶(In2O3 =SnO2的质量比为9 :1，质量纯度为99. 99%)，真空度为3. 0X 10_6Pa，氩气压强 为0. 1 0. 5Pa,氩气流量为12. OcmVmin,溅射功率为50w 400w，基板温度控制在0 300°C，镀膜时间为IOmin 120min ；五、采用垂直沉积法，将步骤四沉积ITO透明导电薄膜 6后的玻璃基板1以与聚苯乙烯微球乳液液面成90°的角度插入聚苯乙烯微球乳液中，并 固定沉积ITO透明导电薄膜6后的透明基板1，然后在60 100°C下静置40 48h，在ITO 透明导电薄膜6上得到自组装胶体晶体模板，其中，聚苯乙烯微球乳液的体积浓度为0. 3%， 聚苯乙烯微球乳液中PS微球的粒径大小分布为300nm 500nm，单分散度< 5% (体积)； 六、将步骤五得到的沉积有胶体晶体模板的ITO透明导电薄膜6作为工作电极，钼丝作为对 电极，银丝作为参比电极，在三电极体系中，在沉积电位-0. 975V下，进行恒电位沉积80 lOOmin，其中电解液组成为:lmol/L的Zn(NO3)2和1. 5ppm的Al (NO3) 3 ·9Η20，控制电解液温 度在80°C ；七、将经步骤六电沉积处理后的ITO透明导电薄膜6在四氢呋喃中浸泡60min， 然后取出，清洗后放入干燥箱中，在200°C下退火3h得掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体背反 射层7 ；八、采用激光刻划切割机，在距离第一激光刻线9右侧壁沿Inm处，沿与第一激光刻 线9平行的方向，刻划穿透背反射层7、ITO透明导电薄膜6、N-a-Si:H薄膜层5、I-a-Si:H 薄膜层4和P-SiC薄膜层3，再高压氮气吹去碎屑，得到第二条激光刻线10 ；九、在距离第二 条激光刻线10的右侧壁沿lnm，沿与第一激光刻线9平行的方向，在AZO薄膜光子晶体背反 射层7上放置钼丝11 (掩膜丝)，然后再在真空度为6Χ10_8Τοπ·的压力下真空蒸镀300nm 的Al膜背电极层8，再在背电极层8上焊接阴极接线12和阳极接线13，控制阴极接线12 和阳极接线13之间有4组刻线，其中第一条激光刻线9、第二条激光刻线10和掩模线11为 一组刻线，得到三维AZO光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池。
本实施方式步骤一中玻璃基板1的厚度为3mm ；步骤七中掺铝氧化锌(AZO)薄膜光 子晶体背反射层7为三维大孔有序结构；
本实施方式步骤五中得到的自组装胶体晶体模板的扫描电子显微镜形貌如图4所示， 由图可见，聚苯乙烯微球在ITO透明导电薄膜6上排列规则有序，大小均一。本实施方式步 骤七得到的掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体背反射层7的扫描电子显微镜形貌如图5所示， 由图5所示，掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体背反射层7为三维大孔有序结构，光子晶体具 有禁带效应，同时结合掺铝氧化锌(AZO)对可见光的高透过率，可以实现600-1000nm波段 的可见光的80%及以上的反射率。更重要的是掺铝氧化锌(AZO)薄膜三维光子晶体没有金属的趋肤效应，同时比Al反射镜的反射角度大，增加了光波在吸收层中的传播的光程，相当于成倍的增加了吸收层的厚度，提高了光子利用效率，进而增加光电流密度和光电转换 效率。本实施方式得到的三维AZO光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的结构示意 图如图6所示。
具体实施方式
二十八本实施方式与具体实施方式
二十五不同的是步骤五采用 旋涂法制备自组装胶体晶体模板，具体操作步骤为采用勻胶机，设定参数转速为800 1000转/分钟、时间为80 100s，然后将步骤四沉积ITO透明导电薄膜6后的透明基板1 固定到勻胶机上，向薄膜上滴加聚苯乙烯微球乳液，然后开机进行旋涂，旋涂完毕后，静置 挥发72h，在ITO透明导电薄膜6上得到自组装胶体晶体模板，其中滴加聚苯乙烯微球乳液 的用量为2-4滴/平方厘米。本实施方式得到的非晶硅太阳电池的结构示意图与图6 —样。掺铝氧化锌(AZO)薄膜光子晶体背反射层7为三维大孔有序结构，光子晶体具有 禁带效应，同时结合掺铝氧化锌(AZO)对可见光的高透过率，可以实现600-1000nm波段的 可见光的80%及以上的反射率。更重要的是掺铝氧化锌(AZO)薄膜三维光子晶体没有金属 的趋肤效应，同时比Al反射镜的反射角度大，增加了光波在吸收层中的传播的光程，相当 于成倍的增加了吸收层的厚度，提高了光子利用效率，进而增加光电流密度和光电转换效 率。
权利要求
三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，包括在透明基板(1)上依次层叠的前电极层(2)、P-SiC薄膜层(3)、I-a-Si:H薄膜层(4)、N-a-Si:H薄膜层(5)、背反射层(7)、背电极层(8)、第一条激光刻线(9)、第二条激光刻线(10)、掩膜丝(11)、阴极接线(12)和阳极接线(13)，其特征在于三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池还包括ITO透明导电薄膜(6)，三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的背反射层(7)为三维大孔有序的掺铝氧化锌薄膜光子晶体，ITO透明导电薄膜(6)位于背反射层(7)和n-a-Si:H薄膜层(5)之间。
2.根据权利要求1所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，其特征在于 背反射层(7)掺铝氧化锌薄膜光子晶体的厚度为0. 5^1. 5 μ m,方块电阻为2(Γ25欧姆/方 块。
3.根据权利要求1或2所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，其特征在 于ITO透明导电薄膜(6)的方块电阻5 10欧姆/方块。
4.根据权利要求3所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，其特征在于在 前电极层(2)上有均勻间隔的第一条激光刻线(9)，间隔为9. flO. 2mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，其特征 在于第二条激光刻线(10)均勻刻划穿透P-SiC薄膜层(3)、I-a-Si:H薄膜层(4)、N-a-Si:H 薄膜层(5)、ΙΤ0透明导电薄膜(6)和背反射层(7)，刻划方向与第一条激光刻线(9)方向平 行，与第一条激光刻线(9)的右侧壁沿的距离为0. 95 1. 05nm。
6.根据权利要求5所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池，其特征在于前 电极层(2)为SnO2:F透明导电膜、掺铝氧化锌膜或者ITO透明导电薄膜。
7.如权利要求1所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备方法，其 特征在于三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备方法是通过以下步骤实现的 一、采用低压化学气相沉积方法，在透明基板(1)上沉积前电极层(2) ；二、用激光刻划切割 机在步骤一得到的前电极层(2)上刻划第一激光刻线(9)；三、采用等离子体化学气相沉积 法，在经步骤二处理后的前电极层(2)上依次沉积P-SiC薄膜层(3)、I-a-Si:H薄膜层(4) 和N-a-Si:H薄膜层(5)；四、采用磁控溅射方法，在N-a-Si:H薄膜层(5)上沉积ITO透明 导电薄膜(6)；五、采用垂直沉积法或者旋涂法，将聚苯乙烯微球乳液在ITO透明导电薄膜(6)上沉积形成聚苯乙烯微球，然后在80 100°C下静置24 48小时后在ITO透明导电 薄膜(6)上得到胶体晶体模板，其中，采用体积浓度为0. 1% 0. 3%的聚苯乙烯微球乳液，聚 苯乙烯微球乳液中PS微球的粒径大小分布为200nm 700nm，单分散度< 5% (体积)；六、 将步骤五得到的沉积有胶体晶体模板的ITO透明导电薄膜(6)作为工作电极，钼丝作为对 电极，银丝作为参比电极，在三电极体系中，在沉积电位-0. 9 -1. OV下，进行恒电位沉积 50 120min，其中电解液组成为1 1. 5mol/L 的 Zn(NO3)2 禾口 Ippmlppm 的 Al (NO3)3 ·9Η20， 控制电解液温度在7(T90°C ；七、将经步骤六电沉积处理后的ITO透明导电薄膜(6)在有机 溶剂浸泡3(T60min，然后取出，清洗后放入干燥箱中，在18(T24(TC下退火2 4h得背反射层(7);八、采用激光刻划切割机，刻划第二条激光刻线(10)，再高压氮气吹去碎屑；九、在背反 射层(7)上放置掩膜丝(11)，然后再真空蒸镀背电极层(8)，再在背电极层(8)上焊接阴极 接线(12)和阳极接线(13)，得到以三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池。
8.根据权利要求7所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于步骤五中的垂直沉积法的操作步骤为将步骤四沉积ITO透明导电薄膜(6)后的 透明基板(1)以与聚苯乙烯微球乳液液面成90°的角度插入聚苯乙烯微球乳液中，并固定 沉积ITO透明导电薄膜(6)后的透明基板(1)，然后在50 100°C下静置10 72h，在ITO 透明导电薄膜(6 )上得到自组装胶体晶体模板。
9.根据权利要求7所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备方法，其 特征在于步骤五中旋涂法的操作步骤采用勻胶机，设定参数转速为500 1200转/分 钟、时间为20 100s，然后将步骤四沉积ITO透明导电薄膜(6)后的透明基板(1)固定到勻 胶机上，向薄膜上滴加聚苯乙烯微球乳液，然后开机进行旋涂，旋涂完毕后，静置挥发64 80h，在ITO透明导电薄膜(6)上得到自组装胶体晶体模板，其中滴加聚苯乙烯微球乳液的 用量为1 5滴/平方厘米。
10.根据权利要求7、8或9所述的三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池的制备 方法，其特征在于步骤二中用激光刻划切割机在步骤一得到的前电极层(2)上刻划出间隔 均勻的第一激光刻线(9)，间隔距离为9.纩10. 2mm ；步骤八中激光刻划切割机刻划得到的 第二条激光刻线(10)刻划穿透背反射层(7)、ΙΤ0透明导电薄膜(6)、N-a-Si:H薄膜层(5)、 I-a-Si:H薄膜层(4)和P-SiC薄膜层(3)，第二条激光刻线(10)与第一激光刻线(9)平行， 在第一激光刻线(9)右侧壁沿0. 95^1. 05nm处；步骤九中掩膜丝(11)的放置位置为在距 离第二条激光刻线(10 )的右侧壁沿0. 95^1. 05nm,沿与第一激光刻线(9 )平行的方向，在背 反射层(7)上放置掩膜丝(11)。
全文摘要
三维光子晶体为背反射层的非晶硅太阳电池及其制备方法，涉及非晶硅太阳电池及制备方法。解决现有Al背反射层反射率低，导致太阳电池效率低的问题。非晶硅太阳电池的背反射层为三维大孔有序掺铝氧化锌光子晶体。制备方法低压化学气相沉积前电极层，再采用PECVD沉积P-I-N层，再磁控溅射制备ITO透明导电薄膜，然后垂直沉积法或者旋涂法制备胶体晶体模板，再电沉积得背反射层，然后真空蒸镀背电极层即得。AZO具有可见光高透过率，结合光子晶体的禁带效应，可实现对600~1000nm可见光波段80%及以上的反射率。三维光子晶体反射角大，增加光波在吸收层中传播光程，提高光子利用效率，增加光电流密度和光电转换效率。
文档编号H01L31/0232GK101807613SQ20101013437
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者张一 , 李垚, 詹耀辉, 赵九蓬 申请人:哈尔滨工业大学