硅微纳复合陷光结构的制备及在异质结太阳电池中的应用研究

２０１７ 年 １１ 月 吉林师范大学学报 （ 自然科学版 ） Ｎｏｖ． ， ２０１７第 ３８ 卷 第 ４ 期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ ） Ｖｏｌ． ３８ ， Ｎｏ． ４收稿日期 ２０１７ ０９ ２６基金项目 国家自然科学基金项目 （６１４７５０６３，６１５０５０６７，２１５７６１１１）； 教育部新世纪优秀人才支持计划 （ＮＣＥＴ １３－ ０８２４）第一作者简介 王奉友 （１９８９）， 男 ， 内蒙古自治区呼伦贝尔市人 ， 现为吉林师范大学物理学院讲师 ， 博士 ． 研究方向 半导体光电子材料与器件 ．ｄｏｉ １０． １６８６２ ／ ｊ． ｃｎｋｉ． ｉｓｓｎ１６７４ ３８７３．２０１７． ０４． ００９硅微纳复合陷光结构的制备及在异质结太阳电池中的应用研究王奉友 １ ， ２ ， 郜艳波 １ ， ２ ， 庞振宇 １ ， ２ ， 杨景海 １ ， ２（ １． 吉林师范大学 物理学院 ， 吉林 四平 １３６０００ ；２． 吉林师范大学 功能材料物理与化学教育部重点实验室 ， 吉林 长春 １３００１３ ）摘 要 硅纳米线异质结太阳电池因具有良好的陷光效果及径向结收集特性而受到广泛关注 ． 利用低浓度ＮａＯＨ 溶液在硅片表面腐蚀出微米尺度的金字塔结构 ， 并采用反应离子刻蚀 （ＲＩＥ） 的方式在其上进一步腐蚀出纳米线形貌 ， 构建硅微纳复合陷光形貌结构 ． 通过分析硅微纳复合陷光形貌结构的陷光机理 ， 指导优化反应离子刻蚀工艺中的刻蚀时间 ， 最终获得不同形貌结构的陷光衬底 ． 通过分析其光学特性发现 ， 在 ＲＩＥ 时间为 １２０ ｓ 时 ， 硅微纳复合结构衬底反射率可小于 ５％ ， 具有优异的陷光特性以及在硅异质结太阳电池中应用的巨大潜力 ．关键词 太阳电池 ； 纳米线 ； 陷光结构 ； 反应离子刻蚀中图分类号 ＴＭ９１４． ４ ＋ １ 文献标志码 Ａ 文章编号 １６７４ ３８７３ （２０１７）０４ ００５３ ０６０ 引言硅纳米线异质结太阳电池作为晶体硅太阳电池的种类之一 ， 近年来受到广泛关注 ［１ ８］． 硅纳米线阵列结构具有较多独特的优势 ， 例如 硅纳米线阵列可有效调控硅片表面折射率 ， 并实现入射光在纳米阵列之间的多级反射 ， 大幅增加入射光吸收和利用 ， 实现 “ 黑硅 ” 的效果 ； 硅纳米线异质结可实现三维径向结的构筑 ， 缩短硅片内部光生载流子输运到外部所需的路径长度 ， 有利于光生载流子的高效抽取 ； 异质结的构筑方式使得在设计载流子传输层材料时有更多的备选方案 ， 可依据材料能带 、 掺杂和光电特性进行高效组合 ． 此外 ， 硅纳米线异质结太阳电池与传统的晶体硅太阳电池制备工艺兼容性较高 ， 无需对现有电池生产线进行大规模改动 ． 美国加州大学伯克利分校的 Ｍａｊｉｄ Ｇｈａｒｇｈｉ 等人 ［９］ 采用干法反应离子刻蚀制备了硅纳米线衬底 ， 并对硅纳米线的高度进行了优化 ． 基于该衬底制备的非晶硅 ／ 晶体硅径向 ｐ ｎ异质结太阳电池效率达到 １２． ２％ ， 电池开路电压达到 ５９１ ｍＶ． ２０１４ 年 ， 国立台湾大学的何志浩教授课题组 ［１０］ 通过两步湿法刻蚀获得了复合结构的硅纳米线衬底 ， 在此基础上通过优化硅纳米线的密度及后续钝化层的沉积工艺 ， 获得了转换效率为 １５． ２％ ， 开路电压为 ６０７ ｍＶ 的硅纳米线径向结太阳电池 ， 这也是目前该项电池的世界最高效率 ．然而 ， 虽然硅纳米线具有优异的陷光特性 ， 但由于硅纳米线阵列具有较大的高宽比和表面缺陷态密度 ， 增加了光生载流子的表面复合 ， 劣化了器件的电学特性 ［１１ １２］． 为此 ， 通过调控纳米线结构参数 ， 使其满足陷光效果的前提下 ， 降低纳米线的密度和高宽比 ， 是改善硅纳米线异质结太阳电池的重要手段之一 ．