CN101521236B - 一种用于薄膜太阳电池的陷光结构 - Google Patents

Abstract

一种用于薄膜太阳电池的陷光结构，其基本特征在于这种陷光结构处在太阳电池光吸收区的背光面，从太阳电池光吸收区一侧开始依次包括衍射光栅1，分布布拉格反射器(DBR)2和金属反射器3。衍射光栅1提高光的衍射效率，DBR2和金属反射器3共同提高光的反射率。金属反射器3的存在一方面极大的提高了所述结构的陷光效率，一方面可以减少DBR的对数，使这种陷光结构更容易制作。在DBR2和金属反射器3之间可以进一步含有介质缓冲层4。

Description

一种用于薄膜太阳电池的陷光结构

技术领域

本发明涉及太阳电池领域，特别涉及一种用于薄膜太阳电池的陷光结构。

背景技术

开发利用太阳能已成为世界各国可持续发展能源的战略决策。无论是发达国家，还是发展中国家均制定了中长期发展计划，把光伏发电作为人类未来能源的希望。但作为社会整体能源结构的组成部分，目前太阳能所占比例尚不足1％，造成这种状况的主要原因是太阳电池的成本过高。目前，占光伏市场近90％的晶硅太阳电池组件的零售价格仍然在4.78$/Wp，这其中最重要的成本是170-220微米左右厚度的硅片成本。

因此，薄膜太阳电池成为光伏领域中的一个重要研究方向。但是，薄膜太阳电池吸收区厚度薄或者吸收系数小，使得太阳光不能被吸收区一次吸收，因此特别需要非常高效的陷光机制，来提高薄膜太阳电池对光的吸收效率。目前，在大厚度常规太阳电池上常用的织构化等陷光结构往往具有较大的特征尺寸，从而不能与薄膜电池兼容。另一方面，由于实际的金属并不是理论上只具有介电常数虚部的“完美金属”，在目前的薄膜太阳电池上最常用的金属背反射层并不能实现真正意义上的全反射。

用于薄膜太阳电池的高效陷光机制应该具有如下功用：一、尽可能提高太阳电池背光面的光反射；二、在很大的光入射角度范围内尽可能减小太阳电池迎光面的光反射；但是，只是如此，是远远不够的，因为如果迎光面的光反射低，从背光面反射过来的光在迎光面上会具有很大的出射效率，对于较长波长的光来讲，反而有可能会使光吸收效率下降。这对于吸收区薄的太阳电池会更加明显。因而，高效陷光机制还应该具有：三、使光具有尽可能高的衍射效率；衍射可以改变光的传播角度，使背反射光在迎光面上的入射角度大于发生全反射的临界角，从而将光限制在太阳电池中传播，直到被吸收。此外，高效陷光机制还需要具有：四、较小的特征尺寸，以便与薄膜太阳电池尺寸相兼容；五、较为简单的制备工艺，生产成本低。

为此目的，国际专利WO 03/001609 A2公开了一种带分布布拉格反射器(DBR)的陷光结构；国际专利WO 2006/078319 A1公开了一种DBR上自带波纹状衍射光栅的陷光结构；美国专利申请2007/0235072 A1公开了一种DBR与空气孔或者介质孔光子晶体结合的陷光结构；中国专利申请200510030152.7公开了一种带背散射器的陷光结构；中国专利申请200710004966.2公开了一种带金属网栅与超白漆反射涂层的陷光结构。这些结构有的陷光效果增加的不显著，有的制备工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，针对薄膜太阳电池，提供一种制作较为简便的高效陷光结构，本发明可大幅提高太阳电池的光吸收效率。

本发明所述的陷光结构位于太阳电池光吸收区的背光面，从太阳电池光吸收区一侧开始依次包括衍射光栅，分布布拉格反射器(DBR)和金属反射器。

所述衍射光栅起到增强反射光衍射效率的作用，从而延长光在太阳电池内部的传播途径。所述衍射光栅可以具有任何能够起到衍射作用的几何形状，比如矩形、三角形、圆形、波浪形等。

所述分布布拉格反射器(DBR)和金属反射器的共同作用是增大光的背反射。分布布拉格反射器(DBR)由两种折射率不同的材料层a和b交替构成，一层材料a和一层材料b构成一对DBR，所述两种材料层a和b的厚度等于所述DBR的特征波长的1/4n，其中，n是所对应的材料层的折射率，这样，具有特征波长的光在所述DBR上反射率最大。所述DBR的对数越多，反射效果越好，但是会增加制备工艺的难度。进一步提高反射效果可以靠所述的金属反射器来实现，所述的金属反射器尽可能具有较小的表面粗糙度，并且优选的是Ag、Al等反射率高的金属。

在本发明的一些实施方案中，在所述金属反射器和所述DBR之间进一步含有一层介质缓冲层，以起到增强反射的效果，或者避免金属反射器与DBR材料之间发生相互作用，比如互扩散、化学反应等。

本发明的陷光结构的陷光效果，可以采用太阳电池在太阳光谱范围内的总吸收效率(A)来进行衡量， $\stackrel{\‾}{A}=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}A\left(\mathrm{\λ}\right)N\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}N\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}},$ 其中λ为光的波长，λ₁和λ₂为太阳光谱的起始波长和终止波长，A(λ)为太阳电池对波长为λ的光的吸收效率，N(λ)为太阳光谱中波长为λ的光子数。A(λ)＝1-R(λ)-T(λ)，其中，R(λ)是光的反射率，T(λ)是光的透射率。R(λ)和T(λ)可以通过计算模拟或者实验测量得到。

根据使A最大的原则对所述陷光结构的特征参数进行优化，比如衍射光栅的周期与深度、DBR的特征波长、金属反射器厚度、介质缓冲层的厚度等。

进一步的，在本发明的一些实施方案中，本发明所述的陷光结构可以采用导电材料制作，从而可以直接作为太阳电池的背接触电极。

本发明所述的陷光结构可以使光在太阳电池中具有很大的陷光效率，与现有技术中陷光效果最好的只有光栅和DBR结构的陷光结构相比，金属反射器的存在，能够得到更高的陷光效率，同时可以大大减少DBR的对数，从而更容易加工制作。

附图说明

图1本发明的一种陷光结构示意图，图中，1为衍射光栅，2为分布布拉格反射器(DBR)，2a和2b分别为构成DBR的两种折射率不同的材料层，3为金属反射器；

图2本发明的一种陷光结构示意图，图中，1为衍射光栅，2为分布布拉格反射器(DBR)，2a和2b分别为构成DBR的两种折射率不同的材料层，3为金属反射器，4为介质缓冲层；

图3实施例1中的本发明的一种陷光结构的应用示意图，图中，1为衍射光栅，2为分布布拉格反射器(DBR)，2a和2b分别为构成DBR的两种折射率不同的材料层，3为金属反射器，5为ITO抗反射涂层，6为薄膜硅层；其中，衍射光栅1和分布布拉格反射器(DBR)2以及金属反射器3共同构成本实施例中的本发明的陷光结构。

图4实施例1中的本发明的陷光结构与对比陷光结构的陷光效果比较图；

图5实施例2中的本发明的一种陷光结构的应用示意图，图中，1为衍射光栅，2为分布布拉格反射器(DBR)，2a和2b分别为构成DBR的两种折射率不同的材料层，3为金属反射器，4为介质缓冲层，5为ITO抗反射涂层，6为薄膜硅层；其中，衍射光栅1和分布布拉格反射器(DBR)2以及金属反射器3和介质缓冲层4共同构成本实施例中的本发明的陷光结构。

图6实施例2中的本发明的陷光结构与对比陷光结构的陷光效果比较图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的陷光结构由衍射光栅1，分布布拉格反射器(DBR)2和金属反射器3组成。所述陷光结构位于太阳电池光吸收区的背光面，从太阳电池光吸收区一侧开始为衍射光栅1，衍射光栅1上为分布布拉格反射器(DBR)2，分布布拉格反射器(DBR)2上为金属反射器3。

所述衍射光栅1起到增强反射光衍射效率的作用，所述分布布拉格反射器(DBR)2和金属反射器3共同起到增大光反射的作用。

如图2所示，在本发明的一些实施方案中，在所述金属反射器3和所述分布布拉格反射器(DBR)2之间进一步含有一层介质缓冲层4，以起到增强反射的效果，或者避免金属反射器与DBR材料之间发生相互作用，比如互扩散、化学反应等。

进一步的，在本发明的一些实施方案中，本发明所述的陷光结构可以采用导电材料制作，从而可以直接作为太阳电池的背接触电极。

实施例1

如图3中所示，本发明的一种陷光结构应用在薄膜硅太阳电池背光面上。图中，1为衍射光栅，2为分布布拉格反射器(DBR)，2a和2b分别为构成DBR的两种折射率不同的材料层，3为金属反射器，5为ITO抗反射涂层，6为薄膜硅层；其中，衍射光栅1和分布布拉格反射器(DBR)2以及金属反射器3共同构成本发明的一种陷光结构。在本实施例中，衍射光栅1的构成材料为氧化铟锡(ITO)，分布布拉格反射器(DBR)2的构成材料为2a：掺杂a-Si，2b：ITO，金属反射器3的构成材料为Ag。这样得到的本发明的陷光结构是导电的。

当ITO抗反射涂层5的厚度为70nm，薄膜硅层6的厚度为2μm，ITO衍射光栅1的矩形齿宽度为285nm，高度为175nm，周期为570nm，掺杂a-Si/ITO分布布拉格反射器(DBR)2的对数为4对，特征波长为600nm，Ag金属反射器3的厚度为2μm时，在AM1.5太阳光谱辐照条件下所得到的陷光效果如图4中所示，采用严格耦合波(RCWA)计算得到的太阳电池在太阳光谱范围内所吸收的光子数明显增加，计算得到的总吸收效率A为0.65229，作为对比，没有背面陷光结构的电池，总吸收效率A为0.31283；采用衍射光栅和DBR组合的陷光结构，DBR对数为6对时，总吸收效率A为0.65323，DBR对数为4对时，总吸收效率A只有0.63817。可见本发明的陷光结构一方面可以大幅提高陷光效果，一方面可以减少所需要的DBR对数，从而便于制作。

实施例2

如图5中所示，本发明的一种陷光结构应用在薄膜硅太阳电池背光面上。图中，1为衍射光栅，2为分布布拉格反射器(DBR)，2a和2b分别为构成DBR的两种折射率不同的材料层，3为金属反射器，4为介质缓冲层，5为ITO抗反射涂层，6为薄膜硅层；其中，衍射光栅1和分布布拉格反射器(DBR)2以及金属反射器3和介质缓冲层4共同构成本发明的一种陷光结构。在本实施例中，衍射光栅1的构成材料为氧化铟锡(ITO)，分布布拉格反射器(DBR)2的构成材料为2a：掺杂a-Si，2b：ITO，金属反射器3的构成材料为Ag，介质缓冲层的构成材料为ITO。这样得到的本发明的陷光结构是导电的。

当ITO抗反射涂层5的厚度为70nm，薄膜硅层6的厚度为2μm，ITO衍射光栅1的矩形齿宽度为285nm，高度为175nm，周期为570nm，掺杂a-Si/ITO分布布拉格反射器(DBR)2的对数为4对，特征波长为600nm，ITO介质缓冲层4的厚度为50nm，Ag金属反射器3的厚度为2μm时，在AM1.5太阳光谱辐照条件下所得到的陷光效果如图6中所示，采用严格耦合波(RCWA)计算得到的太阳电池在太阳光谱范围内所吸收的光子数明显增加，计算得到的总吸收效率A为0.6804，作为对比，没有背面陷光结构的电池，总吸收效率A为0.31283；采用衍射光栅和DBR组合的陷光结构，DBR对数为8对时，总吸收效率A为0.68457，DBR对数为4对时，总吸收效率A只有0.63817。可见本发明的陷光结构一方面可以大幅提高陷光效果，一方面可以减少所需要的DBR对数，从而便于制作。

Claims (2)

1.一种用于薄膜太阳电池的陷光结构，其特征在于所述陷光结构由衍射光栅(1)、分布布拉格反射器(2)和金属反射器(3)组成；衍射光栅(1)上为分布布拉格反射器(2)，分布布拉格反射器(2)上为金属反射器(3)；所述陷光结构位于太阳电池光吸收区的背光面，即从太阳电池光吸收区一侧开始依次为衍射光栅(1)，分布布拉格反射器(2)和金属反射器(3)。

2.一种用于薄膜太阳电池的陷光结构，其特征在于所述陷光结构由衍射光栅(1)、分布布拉格反射器(2)、介质缓冲层(4)和金属反射器(3)组成；衍射光栅(1)上为分布布拉格反射器(2)，分布布拉格反射器(2)上为介质缓冲层(4)，介质缓冲层(4)上为金属反射器(3)；所述陷光结构位于太阳电池光吸收区的背光面，即从太阳电池光吸收区一侧开始依次为衍射光栅(1)，分布布拉格反射器(2)，介质缓冲层(4)和金属反射器(3)。

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