本發(fā)明涉及納米材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種通過飛秒激光脈沖刻蝕方法制備太陽能電池表面減反射層以增強非晶硅薄膜太陽能(a-SiTFSCs)電池性能的方法。
背景技術(shù)：
：目前環(huán)境污染和傳統(tǒng)能源(包括石油、煤和天然氣)短缺，成為限制世界各國經(jīng)濟發(fā)展的兩大難題。太陽能電池作為一種可以把太陽輻射光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在光電轉(zhuǎn)化過程中，既不需要消耗傳統(tǒng)能源，同時，也完全沒有環(huán)境污染物產(chǎn)生，是一種非常有前景的光電半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化器件。目前各國正在研究的太陽能電池類型主要有硅基太陽能電池、薄膜太陽能電池、多元化合物太陽能電池(如CdS/CdTe、Cu(In,Ga)Se2/CdS等)，以及有機染料敏化太陽能電池等。綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等性能，非晶硅太陽能電池雖然轉(zhuǎn)換效率略低，但成本更低廉，因而成為更有發(fā)展前途的新型硅基太陽能電池。目前情形，p-i-n結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽能電池耗材更少，且光電轉(zhuǎn)化效率相對較高的特點，決定了它仍是薄膜太陽能電池的主流。當(dāng)前，如何進一步提高非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(η)仍是該領(lǐng)域亟待研究的問題之一。到目前為止，通過硅基太陽能電池硅膜表面“光俘獲”增強光吸收的方法，主要包括減反射吸收層絨面的制備、貴金屬納米粒子等離激元共振增強光吸收和金屬狹縫非局域等離激元增強光吸收等。制備減反射層絨面相對于等離激元增強薄膜電池表面光吸收而言，具有制作工藝簡單成熟，性能相對穩(wěn)定，造價低廉等優(yōu)勢。PythonM等人通過化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)的方法在微晶硅太陽電池硅表面上形成“V型”和“U型”絨面結(jié)構(gòu)使電池的反向飽和電流有顯著增加，并且Voc(open-circuitvoltage，開路電壓)和FF(fillfactor，填充因子)也有明顯提高。Sandeep等人通過高溫退火的方式，在半導(dǎo)體硅材料表面成功制備了“倒金字塔型”絨面結(jié)構(gòu)，使得硅表面光吸收性能得到顯著提升。然而，上述減反射層絨面制備方法，并不適應(yīng)于吸收層厚度僅為1-2μm的非晶硅薄膜太陽能電池。Maliheh等人采用納秒Nd:YAG激光脈沖輻照條件下，誘導(dǎo)拋光硅表面“樹突狀”光俘獲微納結(jié)構(gòu)的形成，進而達到減反射的目的。激光微納加工技術(shù)以其加工過程簡單、制備精度高、以及精確操控性強等優(yōu)勢，日益受到人們關(guān)注。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備工藝簡單，成本低廉，光電轉(zhuǎn)換性能提高顯著，且沒有任何污染物的飛秒激光刻蝕增強非晶硅薄膜太陽能電池性能的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種飛秒激光刻蝕增強非晶硅薄膜太陽能電池性能的方法，其具體步驟如下：將p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池，固定于飛秒激光微納加工平臺，飛秒激光脈沖經(jīng)10倍物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射，聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上；設(shè)置飛秒激光脈沖能量密度為0.5J/cm2～1.25J/cm2和激光脈沖刻蝕周期間隔為8μm～30μm，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。進一步的，飛秒激光微納加工平臺，移動速率為1mm/s恒速移動，平臺電機步進精度為0.1μm。進一步的，飛秒激光脈沖能量密度(W)為0.75J/cm2；激光脈沖刻蝕周期間隔(T)為15μm。進一步的，所述飛秒激光脈沖經(jīng)10倍物鏡的數(shù)值孔徑為0.25。進一步的，所述p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池的制備步驟如下：1.1、制備TCO層首先，通過射頻磁控濺射方法在玻璃基底一側(cè)濺射厚度為200nm由SnO2構(gòu)成的TCO層；1.2、制備p型非晶硅半導(dǎo)體通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法，在TCO層上面沉積厚度為600nm的p型非晶硅半導(dǎo)體；1.3、制備i型非晶硅半導(dǎo)體在p型非晶硅半導(dǎo)體層上面，通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法，沉積厚度為600nm的i型非晶硅半導(dǎo)體；1.4、制備n型非晶硅半導(dǎo)體在i型非晶硅半導(dǎo)體層上面，還是通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法，沉積厚度為600nm的n型非晶硅半導(dǎo)體；1.5、制作鋁電極通過真空蒸鍍的方式，在制備的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池頂部，制作鋁電極，得到p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。進一步的，制備TCO層時，將In2O3-SnO2陶瓷靶放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)內(nèi)，將清洗干凈的玻璃基底水平放置于襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室，進行濺射鍍膜；其中，濺射腔的真空度為10-2Pa，通入純度為99.99％的氬氣作為反應(yīng)氣體，氬氣流速為15.3sccm，襯底溫度為300℃，濺射功率為600W，In2O3-SnO2陶瓷靶濺射電壓為-110V，濺射時間為20分鐘，沉積速率10nm/min。進一步的，制備p型非晶硅半導(dǎo)體時，將表面沉積TCO導(dǎo)電層的玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室，進行增強化學(xué)氣相沉積；其中，反應(yīng)室真空度為10-5Pa，襯底溫度為250℃，向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4、B2H6和H2，SiH4、B2H6和H2的流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，沉積時氣壓控制在80Pa，射頻功率為160W，濺射時間為15分鐘，沉積速率40nm/min。進一步的，制備i型非晶硅半導(dǎo)體時，將最上表面沉積p型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；其中，反應(yīng)室真空度為10-5Pa，襯底溫度為350℃，向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4和H2，SiH4和H2的流速分別為6sccm和24sccm，沉積時氣壓控制在80Pa，射頻功率為160W，濺射時間為15分鐘，沉積速率40nm/min。進一步的，制備n型非晶硅半導(dǎo)體時，將最上表面沉積i型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；其中，反應(yīng)室真空度為10-5Pa，襯底溫度為300℃；通入SiH4、PH3和H2，SiH4、PH3和H2的流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，沉積時氣壓控制在80Pa，射頻功率為160W，濺射時間為15分鐘，沉積速率40nm/min。本發(fā)明的有益效果：1、極短的脈沖持續(xù)時間(10-15s)，使得飛秒激光脈沖與非晶硅薄膜太陽能電池相互作用過程中，基本上不需要考慮流體動力學(xué)過程的影響。激光能量直接沉積在硅膜固體密度的趨膚層內(nèi)，使能量的吸收更為集中，大大降低了材料的燒蝕閾值。再加上光與物質(zhì)相互作用時間的縮短，熱傳導(dǎo)作用的熱效應(yīng)體積大大減少，當(dāng)激光能流密度被調(diào)整到等于或剛剛超過硅膜半導(dǎo)體材料的燒蝕閾值時，材料中的熱影響區(qū)實際上比聚焦會更小，這不僅極大的提高了加工的精度，同時也實現(xiàn)了真正意義上的“冷”加工；2、基于飛秒激光微納加工技術(shù)加工精度高、熱效應(yīng)小和損傷閾值低的特點，以及聚焦飛秒激光脈沖附近具有超高電場強度，能夠誘導(dǎo)多光子吸收、離子化等非線性效應(yīng)；飛秒激光脈沖刻蝕非晶硅薄膜太陽能電池時，主要是以蒸發(fā)汽化的方式進行，半導(dǎo)體材料熔化、液相流動以及再凝結(jié)等過程的影響被大大減小，甚至可以忽略，使得表面絨化非晶硅太陽能電池的表面更為平整和光滑，提高了微納加工過程的可控性和精密性；3、操作過程簡單，全程自動化，通過預(yù)先設(shè)定激光微納加工系統(tǒng)的刻蝕參數(shù)，激光脈沖能量和刻蝕周期間隔，在半導(dǎo)體材料表面，精確、靈活的誘導(dǎo)形成周期性微結(jié)構(gòu)；4、通過飛秒激光微納加工，制備的非晶硅薄膜太陽能電池表面減反射層，光吸收增強效果明顯，得到的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達到14.9％，是未經(jīng)處理非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的2倍。附圖說明圖1(a)是本發(fā)明制備的p-i-n非晶硅薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)以及(b)飛秒激光刻蝕電池表面“凹槽”結(jié)構(gòu)SEM照片；圖2(a)-(f)是本發(fā)明(實施例1-實施例3、對比例1-對比例3)未經(jīng)飛秒激光刻蝕(0J/cm2)和不同激光脈沖能量刻蝕(0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM照片；圖3是本發(fā)明(對比例2)飛秒激光脈沖能量為2J/cm2時，a-SiTFSCs硅膜表面XRD圖譜；圖4是本發(fā)明(實施例1-實施例3、對比例1-對比例3)相同刻蝕周期間隔，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)a-SiTFSCs的I-V特性測試；圖5是本發(fā)明(實施例1-實施例3、對比例1-對比例3)a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕能量的變化關(guān)系；圖6是本發(fā)明(實施例1-實施例3、對比例1-對比例3)相同刻蝕周期間隔，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2)a-SiTFSCs的紫外-可見反射吸收譜；圖7是本發(fā)明(實施例4-實施例6、對比例4、對比例5)相同飛秒激光脈沖W，不同刻蝕周期T(5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)a-SiTFSCs的表面絨化SEM圖片；圖8是本發(fā)明(實施例4-實施例6、對比例4、對比例5)相同飛秒激光脈沖能量W，不同激光脈沖刻蝕周期T(0μm、5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)a-SiTFSCs的I-V特性測試；圖9是本發(fā)明(實施例4-實施例6、對比例4、對比例5)表面絨化a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕周期間隔的變化關(guān)系。具體實施方式本發(fā)明的飛秒激光微納加工平臺采用的激光器為商業(yè)化集成再生放大Ti:sapphire飛秒激光系統(tǒng)(CoherentInc.)，包括顯微鏡聚焦系統(tǒng)(Nikon，SonyInc.)和精密微加工平臺(PriorInc.)。飛秒激光經(jīng)OPA(光參量放大器)系統(tǒng)后，最終可以輸出脈沖FWHM(半值寬度)為120fs，中心波長為800nm的脈沖序列，可調(diào)諧重復(fù)頻率1Hz～1kHz，峰值能量30J/cm2，光斑直徑約為6mm；飛秒激光脈沖刻蝕能量可通過調(diào)諧衰減片進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)0～30J/cm2連續(xù)輸出，所有飛秒激光微納加工試驗均在千級凈化超凈環(huán)境中完成。實施例如圖2所示，飛秒激光脈沖絨面刻蝕周期T為一定值，改變飛秒激光脈沖能量W，制備非晶硅薄膜太陽能電池表面多孔微結(jié)構(gòu)減反射層方法如下：1.1、將非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池相同飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，不同激光脈沖能量W(0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。對比例11.1、制備TCO層首先，通過射頻磁控濺射方法，在玻璃基底上濺射厚度為200nm由SnO2構(gòu)成的TCO導(dǎo)電層，玻璃基底面積為1.5×1.5cm2；a.將In2O3-SnO2陶瓷靶放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)內(nèi)，清洗干凈的玻璃基底水平放置于襯底座中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-2Pa，同時設(shè)置襯底溫度為300℃；c.向反應(yīng)室內(nèi)通入氬氣，氬氣流速為15.3sccm，壓力穩(wěn)定后打開射頻系統(tǒng)，進行輝光放電濺射，射頻功率為600W，In2O3-SnO2陶瓷靶濺射電壓為-110V，濺射時間為20分鐘，沉積速率10nm/min；d.TCO薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉氬氣氣路、射頻電源和加熱裝置，冷卻至室溫后，打開反應(yīng)室取出；1.2、制備p型非晶硅半導(dǎo)體通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法，在TCO導(dǎo)電層上面沉積厚度約為600nm的p型非晶硅半導(dǎo)體；a.將表面沉積TCO導(dǎo)電層的玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-5Pa，同時設(shè)置襯底溫度為250℃；c.打開電磁截止閥向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4、B2H6和H2，其流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，氣壓穩(wěn)定為80Pa，打開射頻系統(tǒng)進行輝光放電濺射，射頻功率為160W，濺射時間為15分鐘，沉積速率40nm/min；d.薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiH4和B2H6氣路、射頻電源和加熱裝置，保持通H2直至冷卻至室溫后，然后關(guān)閉H2氣路，打開反應(yīng)室取出；1.3、制備i型非晶硅半導(dǎo)體在p型非晶硅半導(dǎo)體層上面，通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積的方法，制備厚度約為600nm的i型非晶硅半導(dǎo)體；a.將最上表面沉積p型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-5Pa，同時設(shè)置襯底溫度為350℃；c.打開電磁截止閥向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4和H2，其流速分別為6sccm和24sccm，氣壓穩(wěn)定為80Pa，打開射頻系統(tǒng)進行輝光放電濺射，射頻功率為160W，濺射時間為15分鐘，沉積速率40nm/min；d.薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiH4氣路、射頻電源和加熱裝置，保持通H2直至冷卻至室溫后，然后關(guān)閉H2氣路，打開反應(yīng)室取出；1.4、制備n型非晶硅半導(dǎo)體在i型非晶硅半導(dǎo)體層上面，還是通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積的方法，沉積厚度約為600nm的n型非晶硅半導(dǎo)體；a.將最上表面沉積i型非晶硅半導(dǎo)體玻璃基底水平放置于磁控濺射鍍膜系統(tǒng)襯底座的中心位置，封閉反應(yīng)室；b.通過真空抽氣系統(tǒng)，將反應(yīng)室真空度抽至10-5Pa，同時設(shè)置襯底溫度為300℃；c.打開電磁截止閥向反應(yīng)室內(nèi)通入SiH4、PH3和H2，其流速分別為6sccm、4sccm和20sccm，氣壓穩(wěn)定為80Pa，打開射頻系統(tǒng)進行輝光放電濺射，射頻功率為160W，濺射時間為15分鐘，沉積速率40nm/min；d.薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiH4和PH3氣路、射頻電源和加熱裝置，保持通H2直至冷卻至室溫后，然后關(guān)閉H2氣路，打開反應(yīng)室取出；1.5、制作鋁電極通過真空蒸鍍的方式，在制備的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池頂部，制作鋁電極，得到p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。該非晶硅薄膜太陽能電池a-SiTFSCs表面SEM圖如圖2(a)所示。實施例11.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)0.5J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。該非晶硅薄膜太陽能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(c)所示。實施例21.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)0.75J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。該非晶硅薄膜太陽能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(d)所示，a-SiTFSCs表面絨化SEM圖如圖7(c)所示。實施例31.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)1.25J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。該非晶硅薄膜太陽能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(e)所示。對比例21.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)0.25J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。該非晶硅薄膜太陽能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(b)所示。對比例31.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖刻蝕周期T為15μm，激光脈沖能量(W)2J/cm2的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。該非晶硅薄膜太陽能電池a-SiTFSCs表面凹槽內(nèi)誘導(dǎo)多孔微結(jié)構(gòu)SEM圖如圖2(f)所示，a-SiTFSCs表面絨化SEM圖如圖12所示，a-SiTFSCs硅膜表面XRD圖譜如圖3所示。圖4為本發(fā)明實施例1-實施例3、對比例1-對比例3的表面絨化非晶硅薄膜太陽能電池I-V特性測試曲線，圖5是本發(fā)明實施例1-實施例3、對比例1-對比例3使用相同飛秒激光刻蝕周期T，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量W(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2)a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕能量的變化關(guān)系；圖6是本發(fā)明實施例1-實施例3、對比例1-對比例3使用相同飛秒激光刻蝕周期T，不同飛秒激光脈沖刻蝕能量W(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2)非晶硅薄膜太陽能電池紫外-可見反射吸收譜。由圖2可以看出，隨著飛秒激光脈沖能量(W)的增加，由于a-SiTFSCs表面誘導(dǎo)形成多孔微結(jié)構(gòu)的孔徑逐漸增大，使得太陽能電池n型非晶硅薄膜表面的反射光譜強度逐漸降低，從而非晶硅薄膜太陽能電池的“光誘捕”能力逐漸增強。這充分驗證了通過飛秒激光微納加工平臺，可以制備高效太陽能電池表面減反射層。表1為本發(fā)明實施例1-實施例3、對比例1-3的相同飛秒激光脈沖刻蝕周期T，不同飛秒激光脈沖能量W(0J/cm2、0.25J/cm2、0.5J/cm2、0.75J/cm2、1.25J/cm2、2J/cm2)對非晶硅薄膜太陽能電池刻蝕處理前后的光電轉(zhuǎn)換效率；表1W(J/cm2)Jsc(mA/cm2)Voc(V)FFη(％)對比例100.510.870.188.0實施例10.50.650.930.2012.1實施例20.750.810.970.1914.9實施例31.250.710.950.1912.8對比例20.250.610.910.1810.0對比例3200--通過圖4和表1，可以清楚的觀察到，未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為8.0％；當(dāng)激光脈沖能量W增加為0.75J/cm2時，非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到最大值14.9％，近乎是未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的兩倍。這充分說明，通過飛秒激光微納加工技術(shù)，能夠使非晶硅薄膜太陽能電池的表面絨化，增強非晶硅薄膜太陽能電池表面“光誘捕”能力，進而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實施例制備非晶硅薄膜太陽能電池表面多孔微結(jié)構(gòu)減反射層方法如下：1.1、將非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池相同飛秒激光脈沖能量W為0.75J/cm2，不同飛秒激光脈沖刻蝕周期T(5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。如圖7所示，飛秒激光脈沖能量(W)為一定值，改變飛秒激光脈沖刻蝕周期T的的表面絨化SEM圖。實施例41.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為8μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。實施例51.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為15μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。實施例61.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為30μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。對比例41.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為5μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。對比例51.1、將對比例1制備的非晶硅薄膜太陽能電池黏附到載玻片上，然后將其固定到飛秒激光微納加工平臺上平臺電機步進精度為0.1μm，太陽能電池尺寸大小1.5×1.5cm2；1.2、飛秒激光脈沖經(jīng)10×物鏡(數(shù)值孔徑為0.25)的顯微鏡系統(tǒng)垂直入射聚焦在薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上，形成束腰半徑約為0.5μm的光斑；1.3、通過計算機終端控制，聚焦的飛秒激光脈沖將以1mm/s的速率沿平臺豎直方向恒速移動，設(shè)置飛秒激光脈沖重復(fù)頻率為1kHz，同時設(shè)置非晶硅薄膜太陽能電池飛秒激光脈沖能量(W)為0.75J/cm2，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)為50μm的微加工參數(shù)，線偏振飛秒激光脈沖將對非晶硅薄膜太陽能電池n型非晶硅膜表面上進行絨化處理，得到高效的p-i-n結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池。圖8為本發(fā)明實施例4-實施例6、對比例4、對比例5的表面絨化非晶硅薄膜太陽能電池I-V特性測試曲線，圖9是實施例4-實施例6、對比例4、對比例5的表面絨化a-SiTFSCs的η與飛秒激光脈沖刻蝕周期間隔的變化關(guān)系。表2為實施例4-實施例6、對比例4、對比例5的相同飛秒激光脈沖能量W，不同飛秒激光脈沖刻蝕周期T(5μm、8μm、15μm、30μm、50μm)對非晶硅薄膜太陽能電池刻蝕處理前后的光電轉(zhuǎn)換效率；表2T(μm)Jsc(mA/cm2)Voc(V)FFη(％)對比例100.510.870.188.0實施例180.690.910.1811.3實施例2150.810.970.1914.9實施例3300.630.890.1810.1對比例450.460.850.187.0對比例5500.560.870.188.8通過圖8和表2可以清楚的觀察到，未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為8.0％；經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化的非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，與飛秒激光脈沖刻蝕周期T的變化仍是呈非線性關(guān)系；當(dāng)飛秒激光脈沖刻蝕周期T為5μm時，太陽能電池具有最小的轉(zhuǎn)換效率為7.0％，甚至小于未經(jīng)飛秒激光脈沖表面絨化處理太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)激光脈沖刻蝕周期T繼續(xù)增大時，表面絨化處理非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率逐漸增大；當(dāng)激光脈沖刻蝕周期T增大至15μm時，表面絨化處理非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達到最大值14.9％；隨著飛秒激光脈沖刻蝕周期T的繼續(xù)增大，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率反而降低，最終，當(dāng)飛秒激光脈沖刻蝕周期T增大至50μm時，表面絨化處理非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低至8.8％。本發(fā)明利用飛秒激光微納加工技術(shù)，在非晶硅薄膜太陽能電池n型硅膜表面進行“絨化”刻蝕處理，在掃描區(qū)域形成的“凹槽”結(jié)構(gòu)內(nèi)，誘導(dǎo)納米級的晶態(tài)多孔微結(jié)構(gòu)形成，這樣納米小孔的出現(xiàn)，能夠依賴入射光的衍射效應(yīng)，加強光量子在孔內(nèi)的振蕩，進而增加入射光在電池內(nèi)部的光程，增大光與半導(dǎo)體的接觸機率，提高非晶硅太陽能電池的“光俘獲”能力，因此，飛秒激光脈沖非晶硅薄膜太陽能電池表面絨化，對提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率是有益的。研究表明，飛秒激光脈沖刻蝕周期(T)和激光脈沖能量(W)的選取，對太陽能電池的開路電壓、短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率特性有直接影響；當(dāng)飛秒激光脈沖刻蝕周期間距為15μm，脈沖能量為0.75J/cm2時，太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達到14.9％，是未經(jīng)激光刻蝕處理非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的2倍。以上僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3