WO2012055302A1 - 电极及其制造方法 - Google Patents

电极及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2012055302A1
WO2012055302A1 PCT/CN2011/079481 CN2011079481W WO2012055302A1 WO 2012055302 A1 WO2012055302 A1 WO 2012055302A1 CN 2011079481 W CN2011079481 W CN 2011079481W WO 2012055302 A1 WO2012055302 A1 WO 2012055302A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
film layer
electrode
thin film
metal thin
microstrip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CN2011/079481
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
王洋
肯帕克日什托夫
任志峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to US13/503,903 priority Critical patent/US8698267B2/en
Priority to EP11833584.3A priority patent/EP2634813A1/en
Priority to JP2013535251A priority patent/JP2013544024A/ja
Priority to KR1020127010957A priority patent/KR20140001729A/ko
Publication of WO2012055302A1 publication Critical patent/WO2012055302A1/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/244—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. transparent conductive oxide [TCO] layers
    • H10F77/254—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. transparent conductive oxide [TCO] layers comprising a metal, e.g. transparent gold
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/138—Manufacture of transparent electrodes, e.g. transparent conductive oxides [TCO] or indium tin oxide [ITO] electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/81—Electrodes
    • H10K30/82—Transparent electrodes, e.g. indium tin oxide [ITO] electrodes
    • H10K30/83—Transparent electrodes, e.g. indium tin oxide [ITO] electrodes comprising arrangements for extracting the current from the cell, e.g. metal finger grid systems to reduce the serial resistance of transparent electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to the field of photovoltaic applications and optoelectronic applications, and more particularly to an electrode for photovoltaic or optoelectronic applications and a method of fabricating the same. Background technique
  • the core of the solar cell is the P-N junction.
  • sunlight having a higher energy than the band gap energy of the semiconductor is incident on the P-N junction of the solar cell, electron-hole pairs are generated.
  • electrons are transferred to the N layer, and holes are transferred to the P layer, thereby generating a photoelectric effect between the P layer and the N layer.
  • electrical energy is generated in the form of current.
  • Solar cells are classified into various types according to materials for forming intrinsic layers (i.e., light absorbing layers).
  • silicon solar cells having an intrinsic layer made of silicon are the most common one.
  • silicon solar cells available: crystalline (single or polycrystalline) solar cells and thin film (amorphous or microcrystalline) solar cells.
  • crystalline solar cells single or polycrystalline
  • thin film solar cells amorphous or microcrystalline
  • cadmium telluride or copper indium selenide (CIS, CuInSe 2 ) compound thin film solar cells solar cells based on bismuth-V materials, and dye-sensitized solar cells.
  • organic solar cells etc.
  • the single crystal silicon substrate type solar cell has a remarkable high conversion efficiency as compared with other types of solar cells, but its fatal disadvantage is that the manufacturing cost is high due to the use of the single crystal silicon wafer.
  • Polycrystalline silicon solar cells can be produced at relatively low manufacturing costs, but polycrystalline silicon solar cells are not very different from monocrystalline silicon solar cells because both solar cells are made from a large amount of raw materials. Therefore, their raw materials are expensive and their manufacturing processes are complicated, making it difficult to reduce manufacturing costs.
  • thin film silicon solar power As a solution to the defects of these crystalline solar cells, thin film silicon solar power The pool has attracted extensive attention mainly because it makes the production cost very low by depositing a silicon film as an absorbing layer on, for example, glass. In fact, a thin film type silicon solar cell can be made approximately 100 times thinner than a crystal type solar cell.
  • the thin film type solar cell is produced by sequentially performing the steps of: forming a front (rear) electrode on a substrate made of a material such as glass, forming a semiconductor layer on the front (back) electrode, and forming a rear (front) electrode on the semiconductor layer .
  • a transparent conductive oxide (TCO) thick film (on the order of 1 ⁇ thick) is typically used to make the electrodes. And, by etching using a photolithography process, an anisotropic etching process using a chemical solution, or a mechanical etching process, the surface of the TCO thick film is textured to form an uneven surface, thereby achieving absorption into the solar spectrum. Light trapping of the poorer part of the light.
  • SEM scanning electron microscope
  • the gray areas in the SEM image represent highly textured ZnO:B (boron-doped zinc oxide) films.
  • Two black areas indicate two PIN junctions (a-Si:H above, /c-Si:H below) o
  • the surfaces of the two PIN conjunctiva are uneven.
  • the surface of the lower layer is also rough and textured. This can be seen more clearly in Figure 1B.
  • This rough surface due to texturing can degrade the quality of the junction, such as low shunt resistance, high dark current, high carrier recombination rate, low fill factor, and low open circuit voltage, thereby reducing the energy of the solar cell. Conversion efficiency and reliability.
  • this light trapping mode is inefficient at a frequency range very close to the band gap energy of the absorber (i.e., near-infrared frequency), so that light in this frequency range is mainly absorbed by the absorber.
  • SWE photoinduced radiation degradation
  • it also causes the deposition time to become longer, especially when the absorption layer is / c-Si:H.
  • an object of the present invention is to provide an electrode and a method of manufacturing the same, which can be used in the manufacture of the electrode without using or using a transparent conductive oxide film at the same time, without requiring a texturing process, thereby preventing the suede
  • the junction quality caused by the conductive oxide thickness Jf is lowered.
  • the planar electrode Can be used as a window front substrate, so that a high quality planar PV can be deposited on the planar electrode.
  • another object of the present invention is to provide another electrode and a method of manufacturing the same, which can be When manufacturing a solar cell, it is not necessary to texturize the back electrode.
  • an electrode comprising a substantially planar metal film layer having a patterned structure, the metal film layer being configured to transmit incident light through the metal film layer.
  • the patterned structure can be an Escheric series of patterns.
  • the patterned structure can include an array of circular apertures.
  • the circular holes in the array of circular holes may be periodically distributed or randomly distributed.
  • the patterned structure can include a plurality of parallel straight lines.
  • the patterned structure may comprise a plurality of crisscrossing straight lines.
  • the straight or crisscrossing straight lines may be periodically distributed or randomly distributed.
  • the metal thin film layer is transmissive with respect to visible light, near-infrared light or infrared light.
  • the metal thin film layer has a surface roughness of less than 1, 100 nm, 10 nm or 1 nm.
  • the material for forming the metal thin film layer has a resistivity of less than 0.005, 0.002 or 0.001 ⁇ .
  • the metal thin film layer is formed by a microsphere lithography process.
  • the square resistance of the metal thin film layer is given by:
  • R is the square resistance of the metal thin film layer
  • p is the resistivity of the material from which the metal thin film layer is formed
  • p is the thickness of the metal thin film layer
  • R is the radius of the microsphere before the microsphere lithography process
  • r is the radius of the microsphere after the microsphere radius reduction process.
  • the microspheres are made of polystyrene, and may also be made of an inorganic material such as silica.
  • a method for fabricating an electrode comprising: depositing microspheres on a substrate; etching back the organic microspheres to expose a portion of the surface of the substrate; Depositing a metal on the surface of the microsphere and the exposed substrate; peeling off the microsphere to form a figure
  • the metal conductive thin film layer of the structured structure wherein the metal conductive thin film layer is configured to transmit incident light through the metal thin film layer.
  • the patterned structure includes an array of circular holes, a plurality of parallel straight lines, or a plurality of crisscrossing straight lines.
  • an electrode laminated on a layer of light absorbing material comprising a planar metal film layer pattern, the planar metal film layer pattern comprising at least a first microstrip having a first size and a first shape An array, wherein the planar metal thin film layer pattern is configured to transmit incident light in a first wavelength range into the light absorbing material layer, and wherein the first wavelength range is based at least in part on the first The first dimension and the first shape of the microstrip array are determined.
  • the screen metal film layer pattern further includes a second microstrip array having a second size and a second shape, and a third microstrip array having a third size and a third shape, wherein the planar metal
  • the thin film layer pattern is configured to transmit incident light in a second wavelength range and incident light in a third wavelength range into the light absorbing material layer, and wherein the second wavelength range is based at least in part on the first
  • the second size and the second shape of the second microstrip array are determined
  • the third wavelength range is determined based at least in part on the third and third shapes of the third microstrip array.
  • the layer of light absorbing material comprises a PN junction, a PIN junction or a plurality of junctions.
  • the light absorbing material comprises a photovoltaic material.
  • the light absorbing material comprises one of silicon, CIGS, CIS, CdTe, GaAs, Cu 2 0, Zn 3 P 2 , SiC.
  • the microstrip is rectangular.
  • planar metal thin film layer has a surface roughness of less than 1 ⁇ m, 100 nm, 10 nm or 1 nm.
  • the material used to form the planar metal thin film layer has a resistivity of less than 0.005, 0.002 or 0.001 ⁇ ⁇ « ⁇ .
  • a method for manufacturing an electrode including: Depositing a metal layer on the layer of optical material; patterning the metal layer to produce a planar metal thin film layer pattern including at least a first microstrip array having a first size and a first shape, wherein the planar metal thin film layer The pattern is configured to transmit incident light in a first range of wavelengths into the layer of light absorbing material, and wherein the first range of wavelengths is based at least in part on a first size and first of the first microstrip array Shape determined.
  • FIG. 1A shows a scanning electron microscope (SEM) image of a solar cell using this technique and a schematic view of the solar cell;
  • FIG. 1B shows an image of a c-Si:H film grown on a ZnO film after texturing
  • FIG. 2A shows a structure of an electrode sample 1 according to the first embodiment fabricated by microsphere lithography.
  • the metal film deposited on the quartz substrate is 3 nm Cr plus 25 nm.
  • Au gold
  • Figure 3 is a graph showing the relationship between the measured transmittance of sample 1 and sample 2 (including a quartz substrate) and a quartz substrate, and the wavelength of light;
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the transmittance (T), the absorptivity ( ⁇ ), and the reflectance (R) of a preferred sample 3 according to the first embodiment of the present invention, and the wavelength of light, in which the sample is used for the preparation of the sample.
  • FIG. 5 shows a process of manufacturing metal evaporation using microsphere lithography and patterning according to the first embodiment of the present invention. SEM image of an electrode having a plurality of parallel straight lines;
  • Figure 6 is a graph showing the relationship between the transmittance and the wavelength of light at a distance of 390, 400, 410, and 420 between lines when the patterned structure is a crisscross type straight line;
  • FIG. 7 is a flow chart showing a method of manufacturing an electrode according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a view showing a mask manufacturing process in NSL
  • Figure 9 shows the process of performing RIE on the mask of Figure 8.
  • Figure 10 is a schematic view showing a unimodal electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 11 shows that the unimodal electrode of Figure 10 has a microstrip length of 150 nm and 160 nm, respectively.
  • Figure 12 is a view showing a 3-peak type electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a graph showing the relationship between the absorptance and the optical frequency of a 5-peak electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • Fig. 14 is a flow chart showing a method of manufacturing an electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are used throughout the drawings to refer to the DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS Various embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the following description, for the purposes of illustration However, it is apparent that these embodiments may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form in order to facilitate describing one or more embodiments.
  • the electrode according to the first embodiment of the present invention may include a substantially planar metal thin film layer having a patterned structure, the metal thin film layer being configured to transmit incident light through the metal thin film layer.
  • the metal film deposited on the quartz substrate is 3 nm of Cr plus about 25 nm of Au.
  • the metal thin film layer has a patterned structure of a circular hole array, and the circular holes in the circular hole array are regularly distributed in the metal conductive thin film layer.
  • the circular holes in the circular aperture array may be randomly distributed in the metal conductive thin film layer.
  • the patterned structure may also be any of the Escheric series of patterns.
  • the patterned structure can include a plurality of parallel straight lines.
  • the patterned structure may comprise a plurality of crisscrossing straight lines.
  • the straight line or cross-shaped straight line may be regularly distributed in the metal thin film layer, or may be randomly distributed in the metal thin film layer.
  • the planar metal thin film layer having a patterned structure according to the first embodiment of the present invention may transmit visible light, near-infrared light or infrared light, and its transmittance may be 80%, 90%, 95% or higher.
  • the surface roughness of the metal thin film layer in the electrode according to the first embodiment of the present invention is preferably less than 1 ⁇ m, 100 ⁇ , 10 ⁇ or 1 ⁇ .
  • the material used for the metal thin film layer has a resistivity of less than 0.005, 0.002 or 0.001 ⁇ .
  • the square resistance of the metal thin film layer formed by the microsphere lithography technique is a circular aperture array by the following formula Formula ( 1 ) where is the square resistance of the metal thin film layer, p is the resistivity of the material from which the metal thin film layer is formed, is the thickness of the metal thin film layer, and R is before the microsphere lithography process
  • the radius of the microspheres, and r is the radius of the microspheres after the reduction of the sphere size.
  • the microspheres are made of polystyrene.
  • the microspheres can also be made of any other suitable organic or material known in the art, for example, silica can be employed.
  • the value of d ranges from 5 to 1000 nm
  • the range of R ranges from 10 ⁇ to 10 ⁇ , and r ⁇ R.
  • the performance of the electrode sample 200-1 and the electrode sample 200-2 formed as above will be described below.
  • the performance of an electrode sample made of gold having a film thickness of 22 nm without a circular aperture array was measured, and the obtained square resistance was ⁇ ⁇ / ⁇ , which was in accordance with the resistivity of gold using 0.022 ⁇ ⁇
  • the results obtained by m calculations are very consistent with R sq p ld m/ sq ).
  • the optical characteristics of the electrode sample 200-1 and the electrode sample 200-2 formed as above can also be measured, and the obtained results are shown in Fig. 3.
  • the horizontal axis represents the wavelength of light
  • the vertical axis represents the transmittance.
  • the gray line indicates the relationship between the transmittance of the quartz substrate and the wavelength of the light
  • the dotted line indicates the relationship between the transmittance of the electrode sample 200-1 and the wavelength of the light
  • the black line indicates the relationship between the transmittance of the electrode sample 200-2 and the wavelength of the light.
  • the above measurement results are the results measured when both of the electrode samples 200-1 and 200-2 include a quartz substrate. When the quartz substrate is removed, the results obtained should be better.
  • the transmittance of the electrode sample 200-2 after removing the influence of the quartz substrate is about 70%
  • the square resistance is llsq. This is not an electrode sample having an optimum structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing transmittance (T), absorptance ( ⁇ ), and reflectance (R) versus wavelength of an electrode sample 400 having an optimum structure according to a first embodiment of the present invention.
  • the measured transmittance is almost 100% in the wavelength range of 530 nm to 800 nm.
  • the wavelength macro that produces deep-hole resonances is shifted beyond the wavelength range of interest, as is well known in the art.
  • the transmittance of the electrode is T > 97%, and the square resistance is about , and its performance far exceeds the performance of ITO.
  • the patterned structure can include a plurality of parallel straight lines.
  • the right diagram in FIG. 5 shows an SEM image of an electrode according to a first embodiment of the present invention fabricated using microsphere lithography, wherein the patterned structure in the electrode is a plurality of straight lines parallel to the selected direction, which may It is an anisotropic system.
  • the left diagram in Fig. 5 shows the process of metal evaporation at a grazing angle of 20 to 35 degrees when the metal thin film layer in which the patterned structure is a plurality of parallel straight lines is produced.
  • the patterned structure may further include a plurality of crisscross type straight lines.
  • Figure 6 shows the relationship between the transmittance and the wavelength of light when the inter-line distance is 390, 400, 410 and 420 nm in the case of a substrate with a cross-shaped straight line (i.e., square hole).
  • the crisscross type straight line is made of Ag having a film thickness of 40 nm. In this case, for the line distance 390, For 400, 410 and 420 nm, the corresponding square resistances are 9.3, 6.23, 4.68 and 3.74 ⁇ /.
  • Fig. 7 is a flow chart showing a method of manufacturing an electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • step S710 microspheres are deposited on the substrate.
  • the substrate is, for example, a quartz substrate.
  • the microspheres are made of polystyrene.
  • other suitable materials known in the art, such as silica may be employed.
  • step S720 the microspheres are etched back, for example, reactive ion etching (RIE) to expose a portion of the surface of the substrate.
  • step S730 metal is deposited on the surface of the microspheres and the exposed substrate.
  • step S740 the microspheres are peeled off to form a metal thin film layer having a patterned structure, wherein the metal thin film layer is configured to transmit incident light through the metal thin film layer.
  • the patterned structure may be a circular aperture array, a plurality of parallel straight lines or a plurality of crisscross type straight lines.
  • Figures 8 and 9 illustrate the process when the patterned structure is a circular aperture array, which may be fabricated, for example, using nanosphere lithography (NSL) techniques.
  • Figure 8 shows the processing steps in the NSL process. As shown in the left panel of Fig. 8, first, polystyrene microspheres are deposited on the water surface, and then a closely packed single layer is formed. After the water is evaporated, the nanospheres are deposited on the substrate. The deposited nanosphere array is then used as a mask for metal evaporation.
  • the upper graph in the right panel of Figure 8 shows an optical image of the water surface when the nanospheres float on the surface of the water, and the bottom panel shows a closely aligned array of nanospheres.
  • the array pattern obtained as above is an isolated quasi-triangle and is therefore non-conductive.
  • the diameter of the microspheres in the closely arranged microsphere array was reduced by RIE. Then, the reduced diameter microsphere array is used as a mask to evaporate the metal. The microspheres are peeled off after the evaporation of the metal is completed, thereby forming a metal thin film layer having a patterned structure of a circular aperture array.
  • the processing process is substantially the same as the circular hole array, except that the metal evaporation process is performed at a grazing angle of 20 to 35 degrees, as shown in the figure.
  • the left picture in Figure 5 shows.
  • the structure and manufacturing method of the electrode according to the first embodiment of the present invention have been described above.
  • a transparent conductive oxide film can be used or rarely used in the manufacture of the electrode, and a texturing process is not required, thereby preventing a thick film of the transparent conductive oxide film due to the suede surface.
  • the knot quality is reduced.
  • by appropriately designing the size and structure of the patterned structure in the electrode according to the first embodiment of the present invention it is possible to ensure that the electrode has high conductivity and high transmittance.
  • the planar electrode can be used as a window super substrate, thereby An electrode and a method of manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to FIGS. 10 to 14.
  • Fig. 10 is a view showing the structure of a unimodal electrode 1000 according to a second embodiment of the present invention.
  • a unimodal electrode 1000 according to a second embodiment of the present invention is laminated on a light absorbing material layer 1010, and the light absorbing material layer 1010 is laminated on an underlying metal film (e.g., a metal back electrode) 1020.
  • the structure shown in Fig. 10 may be equivalent to a solar cell unit.
  • the unimodal electrode 1000 includes a planar metal thin film layer pattern including a first microstrip array having a first size and a first shape.
  • the planar metal thin film layer pattern is configured to transmit incident light in a first wavelength range into the light absorbing material layer, wherein the first wavelength range is based at least in part on the first The first dimension and the first shape of the microstrip array are determined.
  • the microstrip is a rectangle.
  • the microstrip may also take other suitable shapes, such as microstrip holes or other forms of holes or islands.
  • Fig. 11 is a graph showing the relationship between the absorptance, the reflectance and the optical frequency of the unimodal electrode of Fig. 10 at the microstrip lengths of 150 nm, 160 nm, 170 nm and 180 nm, respectively.
  • the horizontal axis represents the frequency in eV and the vertical axis represents the percentage.
  • the satellite peak indicates a microstrip resonance, and the frequency (i.e., wavelength) and the length of the microstrip / satisfy the above formula (2).
  • the absorption peak corresponds to an absorption rate of about 70%, which is not ideal. However, the absorption rate can be increased by reducing the distance between the microstrips.
  • the layer of light absorbing material may comprise a PN junction, a PIN junction or a plurality of junctions.
  • the light absorbing material comprises a photovoltaic material.
  • the light absorbing material comprises silicon, CIGS, CIS, One of CdTe, GaAs, Cu 2 0, Zn 3 P 2 , SiC.
  • the layer of light absorbing material may also be a quantum dot layer.
  • the light absorbing material layer may be an organic semiconductor film such as PF10TBT: [C60] PCBM.
  • the underlying metal film may be unpatterned, or the underlying metal film may also be patterned.
  • planar metal thin film layer has a surface roughness of less than 1 ⁇ , 10011111, 1011111 or 111111.
  • the material used for forming the planar metal thin film layer has a resistivity of less than 0.005, 0.002 or ⁇ . ⁇ ⁇ .
  • the electrode according to the second embodiment may also be a multimodal electrode.
  • Figure 12 shows a 3-peak electrode 1200 in which, in addition to the second microstrip array 1201 having the second size and the second shape, in accordance with a second embodiment of the present invention,
  • the screen metal film layer pattern 1200 may further include a second microstrip array 1202 having a second size and a second shape, and a third microstrip array 1203 having a third size and a third shape, wherein the first wavelength range is Light is transmitted outside the layer of light absorbing material, the planar metal film layer pattern being configured to also transmit incident light in a second wavelength range and incident light in a third wavelength range into the layer of light absorbing material.
  • the second wavelength range is determined based at least in part on the second size and the second shape of the second microstrip array
  • the third wavelength range is based at least in part on the third microstrip array
  • the third size and the third shape are determined.
  • the 3-peak electrode 1200 is laminated on the light absorbing material layer 1210, and the light absorbing material layer 1210 is laminated on the lower metal film (e.g., metal back electrode) 1220.
  • the electrode according to the second embodiment may also be a 5-peak type electrode.
  • Fig. 13 is a graph showing the relationship between the absorptance and the optical frequency of a 5-peak electrode according to a second embodiment of the present invention, which operates under infrared light.
  • the 5-peak electrode has five microstrip units of different sizes (e.g., different lengths), each peak corresponding to a microstrip unit of a given length.
  • a low loss medium is used as the absorber, and thus the absorption peak obtained is very narrow. Such light absorption can be achieved in the visible light frequency range.
  • Fig. 14 is a flow chart showing a method of manufacturing an electrode according to a second embodiment of the present invention.
  • a metal layer is deposited on the light absorbing material layer.
  • the metal layer is patterned to generate a planar metal thin film layer pattern including at least a first microstrip array having a first size and a first shape, wherein the planar metal thin film layer pattern is Configuring to transmit incident light in a first wavelength range into the layer of light absorbing material, and wherein the first wavelength range is based at least in part on a first size and a first shape of the first microstrip array Shape determined.
  • the structure and manufacturing method of the electrode according to the second embodiment of the present invention have been described above with reference to Figs. 10 to 14 .
  • the electrode according to the second embodiment of the present invention it is possible to perform the texturing process on the back electrode when manufacturing the solar cell.
  • the electrodes according to various embodiments of the present invention can be used not only in photovoltaic applications, but also in solar cells, and also in photovoltaic device applications, such as in LEDs. While the invention has been described in connection with the preferred embodiments illustrated in the embodiments of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the invention is intended to cover various modifications and alternatives of the inventions

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本发明公开了一种电极及其制造方法，该电极包括基本上为平面的具有图案化结构的金属薄膜层，所述金属薄膜层被配置为通过所述金属薄膜层透射入射光。利用所述具有图案化的金属薄膜层，可以在制造用于光伏应用和光电应用的电极时，不需要使用较厚的透明导电氧化物（TCO）膜，从而保证高导电性以及高透射率。

Description

电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及光伏应用以及光电应用领域， 更为具体地， 涉及一种用于光 伏应用或光电应用的电极及其制造方法。 背景技术
随着社会的发展， 石油、 煤炭等传统能源在地球上的储存量逐步减少， 太阳能作为传统能源的替换品， 越来越受到人们的关注。 在光伏应用中， 太 阳能电池是将太阳光直接转化为电能的光电技术中的关键元件， 并且广泛地 应用于从宇宙到家庭的各种应用中。
太阳能电池的核心是 P-N结。 当能量高于半导体带隙能量的太阳光入射 到太阳能电池的 P-N结上时， 产生电子空穴对。 在 P-N结上生成的电场的作 用下， 电子转移到 N层， 同时空穴转移到 P层， 由此在 P层和 N层之间产生 光电效应。 当太阳能电池的两端被连接到负载或系统上时， 会产生电流形式 的电能。
根据用于形成本征层 （即光吸收层） 的材料将太阳能电池分为多种类型。 一般而言， 具有由硅制成的本征层的硅太阳能电池是最普遍的一种。 现有两 种类型的硅太阳能电池： 晶体型（单晶的或多晶的）太阳能电池和薄膜型（非 晶的或微晶的） 太阳能电池。 除了这两种类型的太阳能薄膜电池， 还有碲化 镉或铜铟硒 （CIS, CuInSe2) 化合物薄膜太阳能电池、 基于 ΙΠ-V族材料的太 阳能电池、 染料敏化 （dye-sensitized) 太阳能电池、 有机太阳能电池等等。
单晶硅衬底型太阳能电池与其它类型的太阳能电池相比具有显著的高转 换效率， 但是其致命的缺点在于， 由于使用单晶硅片而导致制造成本很高。 而多晶硅太阳能电池能够以相对较低的制造成本生产， 但是多晶硅太阳能电 池与单晶硅太阳能电池没有很大的区别， 因为这两种太阳能电池都是用大量 原材料制成。 因此， 它们的原材料价格高并且它们的制造过程复杂， 从而难 以降低制造成本。
作为解决这些晶体类太阳能电池的缺陷的一个方案， 薄膜型硅太阳能电 池已经引起广泛的注意， 主要因为其通过在诸如玻璃上沉积硅薄膜作为吸收 层而使得生产成本非常低。 实际上， 可以将薄膜型硅太阳能电池制造得比晶 体型太阳能电池薄大约 100倍。
薄膜型太阳能电池通过顺序地执行以下步骤而制成： 在玻璃等材料制作 的基板上形成前 （后） 电极、 在前 （后） 电极上形成半导体层以及在半导体 层上形成后 （前） 电极。
在现有太阳能电池制造技术中， 通常使用透明导电氧化物 （TCO) 厚膜 (大约为 1 ^厚的量级） 来制作电极。 并且， 通过利用光刻法的蚀刻工艺、 利用化学溶液的各向异性的蚀刻工艺或者机械刻蚀工艺， 对该 TCO厚膜的表 面进行紋理化以形成不平整表面， 从而实现对太阳光谱中吸收比较差的那部 分光的光捕获。图 1A中示出了使用这种技术的太阳能电池的扫描电镜（SEM) 图像以及该太阳能电池的示意图。 图 1B示出在被紋理处理后的 ZnO膜上生 长的 c-Si:H膜的图像。
在图 1A中， 所述 SEM图像中的灰色区域表示高度紋理化的 ZnO:B (掺 硼氧化锌） 膜。 两个黑色区域表示两个 PIN结 （上面的为 a-Si:H， 下面的为 / c-Si:H) o 从图中可以清楚地看出， 两个 PIN结膜的表面是不平整的， 从而 导致下层的表面也是粗糙和紋理化的。关于这点，从图 1B中可以更清楚看出。 这种由于紋理化而造成的结表面粗糙会使结的品质降低， 比如低分流电阻、 高暗电流、 高载流子复合率、 低填充因子以及低开路电压， 从而降低了太阳 能电池的能量转换效率和可靠性。
另外， 这种光捕获方式在非常靠近吸收体的带隙能量的频率范围 （即， 近红外频率） 时效率不高， 从而使得该频率范围的光主要依靠吸收体来吸收。 由此导致需要使用厚的吸收体， 而这进一步降低了结性能， 特别是在吸收层 为 a-Si:H结时， 由于光辐射引致性能衰退 （SWE) 效应， 进一步降低了结性 能。 而且， 还会导致沉积时间变长， 特别是在吸收层为 / c-Si:H时。
另外， 沉积紋理化的 TCO膜还需要高温和高成本。 发明内容
为了解决上述问题， 本发明的目的是提供一种电极及其制造方法， 在制 造该电极时可以不需要或极少使用透明导电氧化物膜， 同时不需要制绒工艺， 从而防止了由于绒面导电氧化物厚 Jf造成的结品质降低。 此外， 该平面电极 可以用作窗口前衬底， 从而使得可以在该平面电极上沉积高质量的平面 PV 此外， 本发明的另一目的是提供另一种电极及其制造方法， 利用该电极 及其制造方法， 可以在制造太阳能电池时， 不需要对背电极进行紋理化处理。
根据本发明的一个方面， 提供了一种电极， 包括基本上为平面的具有图 案化结构的金属薄膜层， 所述金属薄膜层被配置为通过所述金属薄膜层透射 入射光。
此外， 所述图案化结构可以是 Escheric系列图案。
在一个示例中， 所述图案化结构可以包括圆孔阵列。 优选地， 所述圆孔 阵列中的圆孔可以是周期性分布的或随机分布的。
在另一示例中， 所述图案化结构可以包括多条平行的直线。 或者， 所述 图案化结构可以包括多条十字交叉型直线。 在一个或多个示例中， 所述直线 或十字交叉型直线可以是周期性分布的或随机分布的。
此外， 所述金属薄膜层相对于可见光、 近红外光或红外光是可透射的。 优选地， 所述金属薄膜层的表面粗糙度小于 1 、 100nm、 10nm或 lnm。 此外，优选地，制成所述金属薄膜层所用的材料的电阻率小于 0.005、0.002 或 0.001 Ω 。
此外， 所述金属薄膜层是利用微球光刻工艺制成的。 所述金属薄膜层的 方阻由下述给出：
R - ) 1
sq d R
其中， R 是所述金属薄膜层的方阻， p是制成所述金属薄膜层的材料的 电阻率， 是所述金属薄膜层的厚度， R是进行微球光刻过程之前的微球半径， 以及 r是进行微球半径缩减处理后的微球半径。
优选地， 所述微球是利用聚苯乙烯制成的， 也可使用二氧化硅等无机材 料制成。
优选地， 制成所述金属薄膜层的材料为 Ag， d=40nm， R=220nm 以及 r=211nm。
此外， d的取值范围为 5~1000nm，R的取值范围为 10ηιη~10μιη，并且 r<R。 根据本发明的另一方面， 提供了一种用于制造电极的方法， 包括： 在衬 底上沉积微球； 对所述有机物微球进行回蚀， 以露出所述衬底的部分表面； 在所述微球和所露出的衬底表面上^积金属； 剥离所述微球， 以形成具有图 案化结构的金属导电薄膜层， 其中， 所述金属导电薄膜层被配置为通过所述 金属薄膜层透射入射光。
此外， 所述图案化结构包括圆孔阵列、 多条平行直线或多条十字交叉型 直线。 根据本发明的另一方面， 提供了一种层叠在吸光材料层上的电极， 包括 平面金属薄膜层图案， 所述平面金属薄膜层图案至少包括具有第一尺寸和第 一形状的第一微带阵列， 其中， 所述平面金属薄膜层图案被配置为将第一波 长范围内的入射光透射到所述吸光材料层中， 以及其中， 所述第一波长范围 是至少部分地基于所述第一微带阵列的第一尺寸和第一形状确定的。
此外， 优选地， 所述屏幕金属薄膜层图案还包括具有第二尺寸和第二形 状的第二微带阵列以及具有第三尺寸和第三形状的第三微带阵列， 其中， 所 述平面金属薄膜层图案被配置为将第二波长范围内的入射光以及第三波长范 围内的入射光透射到所述吸光材料层中， 以及其中， 所述第二波长范围是至 少部分地基于所述第二微带阵列的第二尺寸和第二形状确定的， 以及所述第 三波长范围是至少部分地基于所述第三微带阵列的第三尺寸和第三形状确定 的。
此外， 所述吸光材料层包括 PN结、 PIN结或者多个结。
在一个示例中， 所述吸光材料包括光伏材料。 在另一示例中， 所述吸光 材料包括硅、 CIGS、 CIS, CdTe、 GaAs、 Cu20、 Zn3P2、 SiC中之一。
优选地， 所述微带是长方形。
此外， 所述平面金属薄膜层的表面粗糙度小于 1微米、 100nm、 10nm或 lnm。 制成所述平面金属薄膜层所用的材料的电阻率小于 0.005、 0.002 或 0.001 Ω · «ί。
此外， 所述微带所透射的光的波长与微带尺寸及形状间的共振关系如下 给出：
Figure imgf000006_0001
其中， /是微带长度， 是微带所透射的光波长， 《是吸光材料的折射率， 以及 s是任意正整数。 根据本发明的另一方面， 提供了一种用于制造电极的方法， 包括： 在吸 光材料层上沉积金属层； 对所述金属层进行图案化， 以产生至少包括具有第 一尺寸和第一形状的第一微带阵列的平面金属薄膜层图案， 其中， 所述平面 金属薄膜层图案被配置为将第一波长范围内的入射光透射到所述吸光材料层 中， 以及其中， 所述第一波长范围是至少部分地基于所述第一微带阵列的第 一尺寸和第一形状确定的。 为了实现上述以及相关目的， 本发明的一个或多个方面包括后面将详细 说明并在权利要求中特别指出的特征。 下面的说明以及附图详细说明了本发 明的某些示例性方面。 然而， 这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的 各种方式中的一些方式。 此外， 本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等 同物。 附图说明 通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容， 本发明的其它目的 及特征将更加显而易见。 在附图中：
图 1A示出了使用这种技术的太阳能电池的扫描电镜（SEM)图像以及该 太阳能电池的示意图；
图 1B示出在被紋理处理后的 ZnO膜上生长的 c-Si:H膜的图像； 图 2A示出了利用微球光刻技术制成的根据第一实施例的电极样品 1的结 构示图， 其中在进行光刻之前聚苯乙烯球的半径 R=220nm， 缩减处理后的聚 苯乙烯球的半径 r=170nm，在石英衬底上沉积的金属膜是 3nm的 Cr加上 25nm 左右的 Au;
图 2B示出了利用微球光刻技术制成的根据第一实施例的电极样品 2的结 构示图， 其中在进行光刻之前聚苯乙烯球的半径 R=220nm， 缩减处理后的聚 苯乙烯球的半径 r=192.5nm， 在石英衬底上沉积的金属膜是 3nm的 Cr加上 25nm左右的 Au;
图 3示出了所测量的样品 1和样品 2 (包括石英衬底）以及石英衬底的透 射率与光波长之间的关系图；
图 4示出了根据本发明的第一实施例的优选样品 3的透射率 （T)、 吸收 率 （Α) 和反射率 （R) 与光波长之间的关系图， 其中制作样本所使用的材料 为 Ag， 进行光刻之前聚苯乙烯球的 径1 =22011111， 进行微球半径缩减处理后 的聚苯乙烯球的半径 r=211nm， 平面金属薄膜层的膜厚 d=40nm; 图 5 示出了使用微球光刻技术制造进行金属蒸发的过程以及根据本发明 第一实施例的图案化结构为多条平行直线的电极的 SEM图像；
图 6示出了当图案化结构是十字交叉型直线时， 在具有衬底的情形下在 线间距离为 390、 400、 410和 420时的透射率与光波长之间的关系图；
图 7示出了制造根据本发明第一实施例的电极的方法的流程示意图； 图 8示出了 NSL中的掩膜制造过程；
图 9示出了对图 8中的掩膜进行 RIE的过程；
图 10示出了根据本发明第二实施例的单峰型电极的示意图；
图 11示出了图 10中的单峰型电极在微带长度分别为 150nm、 160nm、
170nm和 180nm时的吸收率与光频率之间的关系图；
图 12示出了根据本发明第二实施例的 3-峰型电极的示意图；
图 13示出了根据本发明的第二实施例的 5-峰型电极的吸收率与光频率之 间的关系图； 和
图 14示出了制造根据本发明第二实施例的电极的方法的流程示意图。 在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。 具体实施例 下面将参照附图来对本发明的各个实施例进行详细描述。 在下面的描述 中， 出于说明的目的， 为了提供对一个或多个实施例的全面理解， 阐述了许 多具体细节。 然而， 很明显， 也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些 实施例。 在其它例子中， 为了便于描述一个或多个实施例， 公知的结构和设 备以方框图的形式示出。 第一实施例
根据本发明第一实施例的电极可以包括基本上为平面的具有图案化结构 的金属薄膜层， 所述金属薄膜层被配置为通过所述金属薄膜层透射入射光。
图 2A示出了利用微球光刻技术制成的根据第一实施例的电极样品 200-1 的结构示图， 其中在进行光刻之前聚苯乙烯球的半径 R=220nm， 进行微球半 径缩减处理后的聚苯乙烯球的半径 r=170nm， 在石英衬底上沉积的金属膜是 3nm的 Cr加上 25nm左右的 Au。 图？ B示出了利用微球光刻技术制成的根据 第一实施例的电极样品 200-2的结构示图，其中在进行光刻之前聚苯乙烯球的 半径 R=220nm， 进行微球半径缩减处理后的聚苯乙烯球的半径 r=192.5nm， 在石英衬底上沉积的金属膜是 3nm的 Cr加上 25nm左右的 Au。
如图 2A和 2B所示， 金属薄膜层所具有的图案化结构为圆孔阵列， 并且 所述圆孔阵列中的圆孔规则地分布在所述金属导电薄膜层中。 在另一示例中， 所述圆孔阵列中的圆孔可以是在所述金属导电薄膜层中随机分布。 此外， 要 说明的是， 所述图案化结构也可以是 Escheric系列图案中的任何一种。 在替 换实例中， 所述图案化结构可以包括多条平行的直线。 或者， 所述图案化结 构可以包括多条十字交叉型直线。 同样， 所述直线或十字交叉型直线可以是 规则地分布在所述金属薄膜层中， 或者， 也可以随机分布在所述金属薄膜层 中。
根据本发明第一实施例的具有图案化结构的平面金属薄膜层可以透射可 见光、 近红外光或红外光， 并且其透射率可以是 80%、 90%、 95%或更高。
此外， 根据本发明第一实施例的电极中的金属薄膜层的表面粗糙度优选 为小于 l ym、 100匪、 10匪或 1匪。
此外，优选地，制成所述金属薄膜层所用的材料的电阻率小于 0.005、 0.002 或 0.001 Ω 。
此外， 利用微球光刻技术制成的图案化结构为圆孔阵列的金属薄膜层的 方阻由下述公式给
Figure imgf000009_0001
公式 （1 ) 其中， 是所述金属薄膜层的方阻， p是制成所述金属薄膜层的材料的 电阻率， 是所述金属薄膜层的厚度， R是进行微球光刻过程之前的微球半径， 以及 r是进行缩小球尺寸处理后的微球半径。在本实施例中，所述微球是利用 聚苯乙烯制成的。 优选地， 所述微球还可以采用本领域公知的任何其它合适 的有机物或材料制成， 例如， 可以采用二氧化硅。 其中， d 的取值范围为 5~1000nm， R的取值范围为 10ηιη~10μιη， 并且 r<R。
下面对如上形成的电极样品 200-1和电极样品 200-2的性能进行说明。 为了进行比较， 首先， 对利用金制成的薄膜厚度为 22nm的没有圆孔阵列 的电极样品的性能进行测量， 所得到的方阻为 ΐ Ω/ ^， 这与利用金的电阻率 0.022 Ω · m进行计算所获得的结果非常吻合 Rsq p ld m/ sq )。
然后， 根据上述公式 （1 ) 可以 到电极样品 200-1的 约为 4.4Ω/Μ , 以及电极样品 200-2的 R 约为 8Ω/ ， 这与对如上形成的电极样品 200-1和 电极样品 200-2进行测量所得到的实验结果非常吻合。
此外，还可以对如上形成的电极样品 200-1和电极样品 200-2的光学特性 进行测量， 所获得的结果如图 3所示。
在图 3 中， 水平轴表示光波长， 垂直轴表示透射率。 灰线表示石英衬底 的透射率与光波长关系图，点状线表示电极样品 200-1的透射率与光波长关系 图，以及黑线表示电极样品 200-2的透射率与光波长关系图。这里要说明的是， 上述测量结果是电极样品 200-1和 200-2中都包括石英衬底时测量出的结果。 当除去石英衬底后，所获得的结果应该更好。从图形可以看出，电极样品 200-2 在除去石英衬底影响后的透射率大约为 70% , 方阻为 llsq。 这并不是根据 本发明第一实施例的具有最佳结构的电极样品。
图 4给出了根据本发明第一实施例的具有最佳结构的电极样品 400的透 射率 （T)、 吸收率 （Α) 和反射率 （R) 与光波长关系图。 图 4中所示出的电 极样品 400 是利用 Ag ( P = 0.016Q . m)制成的， 平面金属薄膜层的膜厚为 d=40nm， 在进行光刻之前聚苯乙烯球的半径 R=220nm， 缩减处理后的聚苯乙 烯球的半径 r=211nm。 在这种情况下， 所得到的方阻 约为 8 Ω/^。
从图 4中可以看出， 在波长范围为 530nm到 800nm时， 所测得的透射率 几乎为 100%。 此外， 注意， 在图 4中， 虽然在波长为 480nm处存在比较深的 孔内共振， 但是这可以通过采用具有较大介电常数的吸收体（例如， a-Si:H)， 来将该产生深孔内共振的波长宏移到感兴趣的波长范围之外， 这在本领域中 是公知的。 从上可以看出， 在图 4的情况下的电极的透射率 T > 97%， 以及方 阻 ^约为 ， 其性能远远超出了 ITO的性能。
此外， 在另一示例中， 所述图案化结构可以包括多条平行的直线。 图 5 中的右图示出了使用微球光刻技术制造的根据本发明第一实施例的电极的 SEM图像， 该电极中的图案化结构为多条与所选方向平行的直线， 其可以是 各向异性系统。 图 5 中的左图表示在制作所述图案化结构是多条平行直线的 金属薄膜层时， 以 20到 35度的掠射角进行金属蒸发的过程。
此外， 所述图案化结构还可以包括多条十字交叉型直线。 图 6示出了当 图案化结构是十字交叉型直线 （即方孔） 时， 在具有衬底的情形下在线间距 离为 390、 400、 410和 420nm时的透射率与光波长之间的关系图。在图 6中， 十字交叉型直线由膜厚为 40nm的 Ag制成。在这种情况下，对于线间距离 390、 400、 410和 420nm， 所对应的方阻分别为 9.3、 6.23、 4.68和 3.74Ω/ 。
图 7示出了制造根据本发明第一实施例的电极的方法的流程示意图。 如 图 7所示， 首先， 在步骤 S710, 在衬底上沉积微球。 所述衬底比如是石英衬 底。 在本实例中， 微球采用聚苯乙烯制成。 在替换示例中， 可以采用本领域 中公知的其他合适材料， 比如二氧化硅。
然后， 在步骤 S720, 对所述微球进行回蚀， 例如， 反应离子刻蚀（RIE), 以露出所述衬底的部分表面。 接着， 在步骤 S730中， 在所述微球和所露出的 衬底表面上沉积金属。 然后， 在步骤 S740中， 剥离所述微球， 以形成具有图 案化结构的金属薄膜层， 其中， 所述金属薄膜层被配置为通过所述金属薄膜 层透射入射光。 这里要说明的是， 所述图案化结构可以是圆孔阵列、 多条平 行直线或多条十字交叉型直线。
图 8和图 9示出了当所述图案化结构是圆孔阵列时的处理过程， 该过程 例如可以利用纳米球光刻 （NSL) 技术制造。 图 8示出了 NSL过程中的处理 步骤。 如图 8 中的左图所示， 首先， 在水面上沉积聚苯乙烯微球， 然后形成 紧密排列的单层。 在将水蒸发后， 纳米微球沉积在衬底上。 该沉积的纳米微 球阵列随后用作金属蒸发的掩膜。 图 8 中的右图中的上图示出了纳米微球漂 浮在水面上时的水面的光学图像， 以及下图示出了紧密排列的纳米微球阵列。 如上所得到的阵列图案是隔离的准三角形， 并且因此是非导电的。
在如上获得紧密排列的微球阵列后， 如图 9所示， 利用 RIE缩小该紧密 排列的微球阵列中的微球的直径。 而后， 利用该直径缩小的微球阵列作为掩 膜来蒸发金属。 在金属蒸发完成后剥离该微球， 从而形成具有图案化结构为 圆孔阵列的金属薄膜层。
当所述图案化结构是多条平行直线或多条十字交叉型直线， 其处理过程 与圆孔阵列基本相同， 不同之处仅在于金属蒸发过程以 20到 35度的掠射角 进行， 如图 5中的左图所示。
如上已经描述了根据本发明第一实施例的电极的结构和制造方法。 利用 根据本发明第一实施例的电极， 可以在制造该电极时可以不需要或极少使用 透明导电氧化物膜， 并不需要制绒工艺， 从而防止了由于绒面透明导电氧化 物厚膜造成的结品质降低。 此外， 从图 4 中可以看出， 通过对根据本发明第 一实施例的电极中的图案化结构的尺寸和结构进行合适设计， 可以保证该电 极具有高导电率和高透射性。 此外， 该平面电极可以用作窗口超衬底， 从而 下面参照图 10到图 14对根据本发明第二实施例的电极及其制造方法进 行详细描述。
图 10示出了根据本发明第二实施例的单峰型电极 1000的结构示意图。 如图 10所示， 根据本发明第二实施例的单峰型电极 1000层叠在吸光材 料层 1010上， 所述吸光材料层 1010层叠在下层金属膜 （例如， 金属背电极) 1020上。 这里， 图 10中所示出的结构可以等效于太阳能电池单元。所述单峰 型电极 1000包括平面金属薄膜层图案， 所述平面金属薄膜层图案包括具有第 一尺寸和第一形状的第一微带阵列。 在这种情况下， 所述平面金属薄膜层图 案被配置为将第一波长范围内的入射光透射到所述吸光材料层中， 其中所述 第一波长范围是至少部分地基于所述第一微带阵列的第一尺寸和第一形状确 定的。
在本实施例中， 所述微带是长方形。 优选地， 所述微带还可以采用其它 合适的形状， 比如微带孔或其它形式的孔或岛。
所述微带所透射的光的波长与微带尺寸及形状间的共振关系如下给出：
l = s— 公式 （2) 其中， /是微带长度， 是微带所透射的光波长， 《是吸光材料的折射率， 以及 s是任意正整数， 例如， S=l, 2, 3, ......。
图 11示出了图 10中的单峰型电极在微带长度分别为 150nm、 160nm、 170nm和 180nm时的吸收率、 反射率与光频率之间的关系图。
在图 11中， 水平轴表示以 eV为单位的频率， 垂直轴表示百分比。 从图 中可以看出， 在 2.7eV处的宽吸收峰时由于 a-Si的固有带间吸收造成的。 旁 边的卫星峰 （例如， 180nm时在 2.2eV处见到的峰） 表示微带共振， 并且该 频率（即， 波长）与微带长度 /之间满足上述公式（2)。对于较短的 /， 在 l 时存在对应的吸收峰。 从图 11 中可以看出， 该吸收峰对应的吸收率大约为 70%, 该值并不理想。但是， 可以通过减小微带之间的距离， 可以提高该吸收 率。
所述吸光材料层可以包括 PN结、 PIN结或者多个结。 在一个示例中， 所 述吸光材料包括光伏材料。在另一示 中，所述吸光材料包括硅、 CIGS、 CIS, CdTe、 GaAs、 Cu20、 Zn3P2、 SiC中之一。所述吸光材料层还可以是量子点层。 或者， 所述吸光材料层可以是有机半导体膜， 比如 PF10TBT:[C60]PCBM。
所述下层金属膜可以是未被图案化的， 或者， 所述下层金属膜也可以是 被图案化的。
此外，所述平面金属薄膜层的表面粗糙度小于 1 ^、10011111、1011111或111111。 制成所述平面金属薄膜层所用的材料的电阻率小于 0.005、0.002或 Ο.ΟΟΙ Ω^。
在另一示例中， 根据第二实施例的电极还可以是多峰型电极。 图 12示出 了根据本发明第二实施例的 3-峰型电极 1200， 在该 3-峰型电极 1200中， 除 了具有第二尺寸和第二形状的第二微带阵列 1201之外， 所述屏幕金属薄膜层 图案 1200还可以包括具有第二尺寸和第二形状的第二微带阵列 1202以及具 有第三尺寸和第三形状的第三微带阵列 1203， 其中， 除了将第一波长范围的 光透射到所述吸光材料层之外， 所述平面金属薄膜层图案被配置为还将第二 波长范围内的入射光以及第三波长范围内的入射光透射到所述吸光材料层 中。 其中， 所述第二波长范围是至少部分地基于所述第二微带阵列的第二尺 寸和第二形状确定的， 以及所述第三波长范围是至少部分地基于所述第三微 带阵列的第三尺寸和第三形状确定的。 同样， 该 3-峰型电极 1200层叠在吸光 材料层 1210上， 所述吸光材料层 1210层叠在下层金属膜 （例如， 金属背电 极） 1220上。
此外， 根据第二实施例的电极还可以是 5-峰型电极。 图 13示出了根据本 发明的第二实施例的 5-峰型电极的吸收率与光频率之间的关系图， 该 5-峰型 电极工作在红外光下。
在图 13中， 该 5-峰型电极具有 5个不同尺寸 （例如， 不同长度） 的微带 单元， 每个峰对应于一个给定长度的微带单元。 在该方案中， 低损耗介质用 作吸收体， 因此所获得的吸收峰非常窄。 这样的光吸收可以在可见光频率范 围实现。
图 14示出了制造根据本发明第二实施例的电极的方法的流程示意图。 如 图 14所示， 首先， 在步骤 S1400, 在吸光材料层上沉积金属层。 然后， 在步 骤 S1410,对所述金属层进行图案化， 以产生至少包括具有第一尺寸和第一形 状的第一微带阵列的平面金属薄膜层图案， 其中， 所述平面金属薄膜层图案 被配置为将第一波长范围内的入射光透射到所述吸光材料层中， 以及其中， 所述第一波长范围是至少部分地基于所述第一微带阵列的第一尺寸和第一形 状确定的。
如上已经参照图 10到图 14对根据本发明第二实施例的电极的结构以及 制造方法进行了描述。 利用根据本发明第二实施例的电极， 可以在制造太阳 能电池时， 不需要对背电极进行紋理化处理。
这里要说明的是， 根据本发明各实施例的电极不仅可以用于光伏应用， 即应用于太阳能电池中， 也可以用于光电器件应用， 如应用于 LED中。 尽管已经结合详细示出并描述的优选实施例公开了本发明， 但是对本领 域技术人员显而易见的是， 在不脱离本发明的主旨和范围的情况下， 可以对 本发明进行各种改进和变型。 因此， 本发明旨在涵盖本发明的各种改进和变 型， 只要这些改进和变型落在由权利要求及其等同描述限定的本发明范围内。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种电极， 包括：
基本上为平面的具有图案化结构的金属薄膜层， 所述金属薄膜层被配置 为通过所述金属薄膜层透射入射光。
2、 如权利要求 1所述的电极， 其中， 所述图案化结构是 Escheric系列图 案。
3、 如权利要求 1所述的电极， 其中， 所述图案化结构包括圆孔阵列。
4、 如权利要求 3所述的电极， 其中， 所述圆孔阵列中的圆孔是周期性分 布的或随机分布的。
5、 如权利要求 1所述的电极， 其中， 所述图案化结构包括多条平行的直
6、 如权利要求 1所述的电极， 其中， 所述图案化结构包括多条十字交叉 型直线。
7、 如权利要求 5或 6所述的电极 ， 其中， 所述直线或十字交叉型直线是 周期性分布的或随机分布的。
8、 如权利要求 1所述的电极， 其中， 所述金属薄膜层相对于可见光、 近 红外光或红外光是可透射的。
9、 如权利要求 1所述的电极， 其中， 所述金属薄膜层的表面粗糙度小于 1 μτη ^ 100nm、 lOnm或 lnm。
10、 如权利要求 1 所述的电极， 其中， 制成所述金属薄膜层所用的材料 的电阻率小于 0.005、 0.002或 0.001 Ω · »ί。
11、 如权利要求 1 所述的电极， 其中， 所述金属薄膜层是利用微球光刻 工艺制成的。
12、 如权利要求 11所述的电极， 其中， 所述金属薄膜层的方阻由下述给
R - )- sg d R
其中， R 是所述金属薄膜层的方阻， 是制成所述金属薄膜层的材料的 电阻率， 是所述金属薄膜层的厚度， R是进行微球光刻过程之前的微球半径， 以及 r是进行微球半径缩小处理后的微球半径。
13、 如权利要求 12所述的电极， 其中， 所述微球是利用聚苯乙烯或二氧 化硅制成的。
14、 如权利要求 12所述的电极， 其中， d的取值范围为 5~1000nm， R的 取值范围为 10ηιη~10μιη， 并且 r<R。
15、 一种用于制造电极的方法， 包括：
在衬底上沉积微球；
对所述有机物微球进行回蚀， 以露出所述衬底的部分表面；
在所述微球和所露出的衬底表面上沉积金属；
剥离所述微球， 以形成具有图案化结构的金属导电薄膜层，
其中， 所述金属薄膜层被配置为通过所述金属薄膜层透射入射光。
16、 如权利要求 15所述的方法， 其中， 所述图案化结构包括圆孔阵列、
Figure imgf000016_0001
17、 一种层叠在吸光材料层上的电极， 包括：
平面金属薄膜层图案， 所述平面金属薄膜层图案至少包括具有第一尺寸 和第一形状的第一微带阵列，
其中， 所述平面金属薄膜层图 被配置为将第一波长范围内的入射光透 射到所述吸光材料层中， 以及
其中， 所述第一波长范围是至少部分地基于所述第一微带阵列的第一尺 寸和第一形状确定的。
18、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述屏幕金属薄膜层图案还包括 具有第二尺寸和第二形状的第二微带阵列以及具有第三尺寸和第三形状的第 三微带阵列，
其中， 所述平面金属薄膜层图案被配置为将第二波长范围内的入射光以 及第三波长范围内的入射光透射到所述吸光材料层中， 以及
其中， 所述第二波长范围是至少部分地基于所述第二微带阵列的第二尺 寸和第二形状确定的， 以及所述第三波长范围是至少部分地基于所述第三微 带阵列的第三尺寸和第三形状确定的。
19、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述平面金属薄膜层图案在透射 范围内的光的透射率大于 90%。
20、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述吸光材料层包括 PN结、 PIN 结或者多个结。
21、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述吸光材料包括光伏材料。
22、如权利要求 17所述的电极，其中吸光材料包括硅、 CIGS、 CIS, CdTe、 GaAs、 Cu20、 Zn3P2、 SiC中之一。
23、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述微带是长方形。
24、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述平面金属薄膜层图案相对于 可见光、 近红外光或红外光是可透射的。
25、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述平面金属薄膜层的表面粗糙 度小于 1微米、 100nm、 10nm或 lnm。
26、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 制成所述平面金属薄膜层所用的 材料的电阻率小于 0.005、 0.002或 0.001 Q m o
27、 如权利要求 17所述的电极， 其中， 所述微带所透射的光的波长与微 带尺寸及形状间的共振关系如下给出：
Figure imgf000018_0001
其中， /是微带长度， 是微带所透射的光波长， 《是吸光材料的折射率， 以及 S是任意正整数。
28、 一种用于制造电极的方法， 包括：
在吸光材料层上沉积金属层；
对所述金属层进行图案化， 以产生至少包括具有第一尺寸和第一形状的 第一微带阵列的平面金属薄膜层图案，
其中， 所述平面金属薄膜层图案被配置为将第一波长范围内的入射光透 射到所述吸光材料层中， 以及
其中， 所述第一波长范围是至少部分地基于所述第一微带阵列的第一尺 寸和第一形状确定的。
PCT/CN2011/079481 2010-10-29 2011-09-08 电极及其制造方法 Ceased WO2012055302A1 (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/503,903 US8698267B2 (en) 2010-10-29 2011-09-08 Electrode and fabricating method thereof
EP11833584.3A EP2634813A1 (en) 2010-10-29 2011-09-08 Electrode and manufacturing method thereof
JP2013535251A JP2013544024A (ja) 2010-10-29 2011-09-08 電極及びその製造方法
KR1020127010957A KR20140001729A (ko) 2010-10-29 2011-09-08 전극 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010105249347A CN102082186B (zh) 2010-10-29 2010-10-29 电极及其制造方法
CN201010524934.7 2010-10-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012055302A1 true WO2012055302A1 (zh) 2012-05-03

Family

ID=44088033

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2011/079481 Ceased WO2012055302A1 (zh) 2010-10-29 2011-09-08 电极及其制造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8698267B2 (zh)
EP (1) EP2634813A1 (zh)
JP (1) JP2013544024A (zh)
KR (1) KR20140001729A (zh)
CN (1) CN102082186B (zh)
WO (1) WO2012055302A1 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102082186B (zh) * 2010-10-29 2013-05-08 华南师范大学 电极及其制造方法
CN103474483B (zh) * 2013-09-13 2017-10-17 南开大学 一种周期性结构的背反射电极及其制备方法
KR101441607B1 (ko) * 2014-02-13 2014-09-24 인천대학교 산학협력단 고효율 광전소자 및 그 제조방법
CN104134736A (zh) * 2014-07-28 2014-11-05 中国科学院半导体研究所 半导体器件、透明金属网状电极及其制作方法
KR101602922B1 (ko) * 2014-11-10 2016-03-14 한밭대학교 산학협력단 투명 컬러 태양전지
CN105225728B (zh) * 2015-09-29 2017-01-04 惠州易晖光电材料股份有限公司 一种低电阻透明导电薄膜及其制备方法
CN106876261B (zh) * 2015-12-10 2020-05-01 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司 一种柔性导电线，及其制备方法和应用
CN105803500B (zh) * 2016-04-05 2018-04-10 华南师范大学 一种花瓣状氧化亚铜及其制备方法和应用
CN106082113A (zh) * 2016-07-12 2016-11-09 中国科学院深圳先进技术研究院 一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法
KR101778723B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-25 한국에너지기술연구원 Ｃｉｇｓ계 태양전지 셀의 제조방법 및 cigs계 태양전지 셀
CN109553162B (zh) * 2018-11-27 2021-08-20 昆明理工大学 一种以有序多孔ZnO为模板的不锈钢基纳米阵列β-PbO2电极的制备方法
CN109545883B (zh) * 2019-01-10 2023-12-26 中国科学院上海技术物理研究所 一种低暗电流台面型雪崩单光子探测器及制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101393779A (zh) * 2007-09-21 2009-03-25 株式会社东芝 具有极微细结构的光透射型金属电极及其制造方法
CN101771091A (zh) * 2008-12-29 2010-07-07 周星工程股份有限公司 薄膜型太阳能电池及其制造方法
CN102082186A (zh) * 2010-10-29 2011-06-01 华南师范大学 电极及其制造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6441298B1 (en) * 2000-08-15 2002-08-27 Nec Research Institute, Inc Surface-plasmon enhanced photovoltaic device
US7373034B2 (en) * 2004-09-02 2008-05-13 Nec Corporation Optoelectronic hybrid integrated module
US7466269B2 (en) * 2006-05-24 2008-12-16 Wavebender, Inc. Variable dielectric constant-based antenna and array
US20100175749A1 (en) * 2008-03-24 2010-07-15 Tsutsumi Eishi Solar cell and method for manufacturing metal electrode layer to be used in the solar cell
EP2109147A1 (en) * 2008-04-08 2009-10-14 FOM Institute for Atomic and Molueculair Physics Photovoltaic cell with surface plasmon resonance generating nano-structures
CN101323504A (zh) * 2008-06-13 2008-12-17 天津大学 大孔-介孔纳米晶二氧化钛薄膜的制备方法
JP2010219407A (ja) * 2009-03-18 2010-09-30 Toshiba Corp メッシュ構造を有する電極を具備した太陽電池及びその製造方法
JP5667748B2 (ja) * 2009-03-18 2015-02-12 株式会社東芝 光透過型太陽電池およびその製造方法
CN101807613B (zh) * 2010-03-29 2011-05-25 哈尔滨工业大学 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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101393779A (zh) * 2007-09-21 2009-03-25 株式会社东芝 具有极微细结构的光透射型金属电极及其制造方法
CN101771091A (zh) * 2008-12-29 2010-07-07 周星工程股份有限公司 薄膜型太阳能电池及其制造方法
CN102082186A (zh) * 2010-10-29 2011-06-01 华南师范大学 电极及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US8698267B2 (en) 2014-04-15
JP2013544024A (ja) 2013-12-09
KR20140001729A (ko) 2014-01-07
CN102082186A (zh) 2011-06-01
CN102082186B (zh) 2013-05-08
EP2634813A1 (en) 2013-09-04
US20120273915A1 (en) 2012-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102082186B (zh) 电极及其制造方法
Xia et al. CuO nanoleaves enhance the c-Si solar cell efficiency
CN101651163B (zh) 薄膜型太阳能电池及其制造方法
CN102612754A (zh) 用于具有亚波长和超波长特征尺寸的光伏电池的有孔电极格栅
US20110094573A1 (en) Solar cell and method for fabricating the same
CN102110724A (zh) 双面微纳复合结构的太阳能电池及其制备方法
TW201214724A (en) A solar cell apparatus having the transparent conducting layer with the periodic structure
CN207282509U (zh) 双面受光的晶体硅/薄膜硅异质结太阳电池
CN101978507A (zh) 太阳能电池和制造用于该太阳能电池中的金属电极层的方法
CN102237417B (zh) 串联型光电装置及其制造方法
Hsueh et al. Crystalline-Si photovoltaic devices with ZnO nanowires
KR101164326B1 (ko) 불규칙적인 또는 규칙적인 배열의 금속 나노 입자 층을 이용한 실리콘 박막 태양 전지 및 그 제조 방법
CN101779292A (zh) 薄膜型太阳能电池及其制造方法
CN102822991A (zh) 光电转换装置用基板及其制造方法、薄膜光电转换装置及其制造方法以及太阳能电池模块
KR101658534B1 (ko) 태양전지 및 그 제조방법
TW201508935A (zh) 光伏裝置及成型光伏裝置之方法
JP5357632B2 (ja) 光電変換装置
Massiot Design and fabrication of nanostructures for light-trapping in ultra-thin solar cells
JP2002198551A (ja) 光電変換素子とそれを用いた光電変換装置及び光電変換素子の製造方法
Pudasaini et al. High performance nanopillars array silicon solar cells
CN104350605A (zh) 制作用于薄膜光伏电池的织构化反射体的方法及织构化反射体
KR101541108B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
HK1155275A (zh) 电极及其制造方法
TWI447926B (zh) 一種於太陽能電池裝置內形成透明光捕捉結構的方法
TWI389327B (zh) Structure and manufacturing method of amorphous silicon germanium film combined with single crystal silicon substrate

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13503903

Country of ref document: US

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2011833584

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011833584

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20127010957

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

Ref document number: 2013535251

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11833584

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE