CN101714837A

CN101714837A - 一种纳米天线太阳能电池

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Publication number: CN101714837A
Application number: CN200910238643A
Authority: CN
Inventors: 高杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-05-26

Abstract

一种纳米天线太阳能电池，涉及利用纳米尺度的宽频接收天线实现光电转化，包括光电转化薄膜和基底。所述光电转化薄膜主要由电池单元阵列、电极以及填充其间的二氧化硅构成。电池单元阵列是由电池单元先并联后串联而成。其中电池单元是由单个宽频接收天线及由MIM二极管构成的桥式整流电路组成。本发明太阳能电池的电池单元光电转化效率可达71.4％。整个电池光电转化效率可达50％以上。由于原材料便宜易得，加工相对简单，转化效率极高，这种电池可用于高效发电，具有广阔的商业前景。本发明给出了批量加工这种纳米天线太阳能电池的方法。

Description

一种纳米天线太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种纳米天线太阳能电池，进一步地说，是涉及一种利用纳米尺度宽频接收天线实现光电转化的新型太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是实现光能向电能转化的装置，其从诞生到今天已经有50多年历史。从最早出现的硅太阳能电池，到近年来各种薄膜太阳能电池等，原理上多是利用了半导体的光电效应。具体而言，利用光的粒子性，通过太阳光粒子撞击半导体实现正负电荷分离。利用这种“撞击”效应的太阳能电池光电转化效率比较低，单结电池理论效率一般低于33％。低效率、高成本是目前制约太阳能电池普及的根本原因。

光具有波粒二象性，太阳光也是电磁波，遍及紫外、红外和可见光，波长主要分布在290～2300nm之间，且各向极化。设计一种利用光波动性、通过某种天线机制吸收转化太阳光能的太阳能电池是一种新思路。根据天线原理，阻抗匹配的情况下，天线可以实现高效的能量转化。

目前国际上还没有出现真正意义的纳米天线太阳能电池，但已有人提出过类似观点。Bailey最早提出了使用天线收集太阳能的思想，并给出了基本模型，但Bailey未给出详尽的设计方案。在解决高效接收太阳光的问题上，Kraus等给出的方案比较有代表性，其天线系统由振子天线、整流器、传输线、电极等构成。Marks在专利中也进行了详细的阐述和计算。但由于纳米科技发展所限以及趋肤损耗等设计难点尚未解决，长期以来有效的纳米天线太阳能电池一直未曾出现。不过近年来一系列实验进展不断证实了发展纳米天线太阳能电池的可行性。Christophe Fumeaux等人实验上证实了红外波段符合传统天线理论的天线效应。Y.Wang等人发现了碳纳米管阵列中的天线效应，通过实验证实纳米级天线同样满足经典天线理论中半波谐振等规律，但没能够进一步往能量利用的方向发展。Lin首次报道了人工构造的天线结构吸收光波的实验现象。Avier Alda等人阐述了将光天线应用于传感器上的思想.

在电磁波电场分量的激发下，天线向传输线输出交流电(AC)，经整流器变成脉动式直流输出(DC)，直流电极与外接匹配负载相连，最终实现能量的转移。但考虑到极高频交流电经过传输线上由于趋肤效应等原因能量将很快损失殆尽，按照传统思路的设计实际上是不可行的。Javier Alda也指出高频交流电经过传输线的巨大损耗是设计这种纳米天线太阳能电池目前遇到的一个突出难点。

就目前技术发展情况来看，设计这种纳米天线太阳能电池需要克服的主要难点有：1在电池任意接收点尽可能接收遍布太阳光谱各波段的、非极化的入射光波；2天线将自由传播的光波转变成导行的高频交流电，需要避免因趋肤效应等因素造成的巨大能量损失；3选用具有相应响应频率的整流器并与天线系统融合；4，匹配天线和整流二极管尺度为纳米量级，需要解决这种精细结构的加工问题。

发明内容：

最新的纳米科技进展为纳米天线太阳能电池的实现提供了有效工具。本发明给出了克服现有技术难点的方法，利用相关天线原理以及纳米科技的最新进展给出了一整套纳米天线太阳能电池的设计方案，理论与实验表明，电池单元光电转化效率可达到71.4％。本发明解决了一系列纳米天线太阳能电池设计中的关键问题，如避免交流电趋肤效应损耗、与天线融合的MIM二极管的精确加工方法等。

本发明的目的是提供一种纳米天线太阳能电池，该电池可实现较高的光电转化效率。本发明的另一个目的是提供所述纳米天线太阳能电池的制备方法。

本发明提供的一种纳米天线太阳能电池，主要包括光电转化薄膜和基底。所述基底选用与二氧化硅薄膜附着力为1×10³N/cm²以上的材料。

所述光电转化薄膜主要由电池单元阵列、电极以及填充其间的二氧化硅膜层构成。所述电池单元阵列是由电池单元并联后再串联而成。其中电池单元是由单个宽频接收天线与整流电路按照所述方法构成。

所述的纳米天线太阳能电池，其电池单元中的宽频接收天线优选螺旋天线。天线长度1000～2000nm，优选为1200-1600nm，单个天线宽度在600-1200nm，优选为700-900nm，两个半天线尖端之间的相对距离为30～200nm，优选为50-150nm，天线的厚度为50～150nm，优选为100-120nm。

所述螺旋天线的每个半天线内侧尖端分别直接接有MIM二极管，MIM二极管绝缘层厚度小于等于5nm，二极管金属层与绝缘层的接触面积为225～2500nm²。

如上所述本发明的纳米天线太阳能电池中，将每个宽频接收天线作为相应的MIM二极管的一部分可以大大简化加工难度。进一步来说，在所述螺旋天线上表面生长有一层绝缘层，优选为二氧化硅。绝缘层厚度不超过5nm，优选为0.5～4nm。每个半天线的尖端覆盖向外延伸的金属薄膜，覆盖面积为225～2500nm²，优选为256～400nm²；金属膜厚度为20～100nm，优选为50～100nm。由此，金属薄膜、螺旋天线内侧尖端部门以及二者之间的绝缘层共同构成了MIM二极管。所述电池单元中螺旋天线的内侧尖端在两侧覆盖了不同的金属薄膜，两侧薄膜金属为A、B，天线阵列金属为C；所述的金属A、B、C满足如下条件：①电阻率均小于等于1×10^-7Ω·m；②三种金属材料的功函数关系符合f(A)＞f(C)＞f(B)或者f(B)＞f(C)＞f(A)的条件。

以上所述电极可选有现有技术中的导电材料，比如铜等。一般电极、宽频接收天线质相同，便于加工。

以上所述的单个电池单元的输出电压、电流是比较小的，需要进行合理的串、并联处理。本发明所述的纳米天线太阳能电池，所述电池单元阵列由电池单元先并联后串联形成。

本发明的纳米天线太阳能电池在具体应用的时候优选配合聚光器使用。聚光器会聚的太阳光照射在光电转化薄膜中的电池单元阵列上，电极不在光照区域内。

应当指出，满足本发明纳米天线太阳能电池要求的MIM二极管结构目前虽然实验室条件下可以实现，但工业化批量加工、以及整合到所述宽频接收天线上颇有难度，本发明利用最新的低成本的纳米压印技术，给出了批量加工此结构的方法。本发明所述的一种纳米天线太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

a.备片：选择所述表面可生长二氧化硅薄膜的材料作为基底。

b.在基底上表面生长一层二氧化硅薄膜，其厚度不小于所述宽频接收天线的厚度。该生长二氧化硅薄膜的方法为现有技术的方法，如低压化学气象电积法(LPCVD)、平板型等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、磁控溅射等。

c.通过纳米压印或光刻法在二氧化硅层上加工所述电极、电池单元阵列。

d.在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述绝缘层，优选为二氧化硅；厚度同所述MIM二极管绝缘层的厚度一致。生长绝缘层的方法，可采用现有技术的方法，如磁控溅射法、低压化学气象电积法(LPCVD)等。

e.在上述步骤得到的中间制品表面通过纳米压印或光刻法生长一层所述厚度的金属A的薄膜。

f.在上述步骤得到的中间制品表面通过纳米压印或光刻法生长一层所述厚度的金属B的薄膜。

本发明的纳米天线太阳能电池，通过采用纳米宽频天线接收太阳光，并激发交流电经MIM二极管构成的整流电路后变成脉动式直流输出，能量流入负载。具有相应响应频率的MIM二极管与天线系统的直接融合避免了因趋肤效应等因素造成的巨大能量损失。宽带宽的天线可以涵盖大部分太阳光波段。单个电池单元输出的电压可以通过感应电压公式计算。该纳米天线太阳能电池可用于高效发电，由于转化效率高，原材料便宜易得，加工相对简单，极具低成本潜力，商业价值巨大。本发明纳米天线太阳能电池的制备方法也易于工业化批量生产。

附图说明

图1为本发明纳米天线太阳能电池的电池单元结构示意图。

图2为本发明纳米天线太阳能电池的电池单元阵列与电极示意图。

图3本发明纳米天线太阳能电池外观示意图。

图4本发明纳米天线太阳能电池制备步骤流程示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例：

纳米天线太阳能电池主要包括光电转化薄膜(6)和基底(7)。光电转化薄膜(6)主要由电池单元阵列(5)、电极(4)以及填充其间的二氧化硅薄膜构成。所述电池单元阵列是由电池单元先并联后串联而成(见图2)。太阳能电池基底为200μm厚的单面抛光硅片，硅片无纯度要求。

如图1所示：本实施例纳米天线太阳能电池中电池单元的宽频接收天线为螺旋天线(1)。电池单元是由螺旋天线(1)和MIM二极管(3)构成的整流电路构成。该螺旋天线长度为1600nm，宽度800nm，内侧尖端之间距离为150nm。厚度为100nm；本实施例选用的金属铜Cu(功函数4.5eV，电阻率1.7×10^-8Ω·m)作为天线、电极材料。

本实施例的纳米天线太阳能电池其天线上表面生长有一层二氧化硅薄膜的绝缘层，其厚度即为MIM二极管绝缘层的厚度，为5nm。每个半天线的内侧尖端的二氧化硅膜层上还分别覆盖有金属膜层，天线两侧是不同材料的金属膜层，半天线、绝缘层以及各金属膜层正对面积为256nm²。其中天线一侧金属膜层材料为铝Al(功函数4.26eV，电阻率2.9×10^-8Ω·m)，另一侧为金Au(功函数5.1eV，电阻率2.4×10^-8Ω·m)。

本实施例中所用材料均可通过市售而得。

本实施例纳米天线太阳能电池的具体主要制备步骤如下：

a.备片：如图4-1所示，选择单面抛光的硅片作为基底7。

b.如图4-2所示，在硅片抛光面上溅射生长一层二氧化硅薄膜，其厚度与所述天线厚度一致。

c.如图4-3、4-4所示，通过纳米压印方法加工所述电极(2、4)、电池单元阵列中宽频接收天线(1)。

d.如图4-5、4-6所示，在上述步骤得到的中间制品表面分别采用磁控溅射法和纳米压印法加工所述二氧化硅薄膜，形成MIM二极管(3)。

e.如图4-7所示，通过纳米压印法加工所述金薄膜。

f.如图4-8所示，通过纳米压印法加工所述铝薄膜。

Claims

1.一种纳米天线太阳能电池，主要包括基底和光电转化薄膜，其特征在于所述基底由表面与二氧化硅薄膜附着力为1×10³N/cm²以上的材料构成；所述光电转化薄膜生长在基底表面，主要由电池单元阵列、电极以及填充其间的二氧化硅膜层构成；所述电池单元阵列是由电池单元组成的并联阵列串联后形成，其中电池单元是由单个宽频接收天线和与其相连的桥式整流电路构成，所述桥式整流电路由MIM二极管组成，MIM二极管直接连在天线输出端上。

2.根据权利要求1所述的纳米天线太阳能电池，其特征在于所述宽频接收天线是螺旋天线，天线长度1000～2000nm，单个天线宽度在600-1200nm，两个半天线尖端之间的相对距离为30～200nm，天线的厚度为50～150nm；所述螺旋天线的每个半天线内侧尖端分别直接接有MIM二极管，MIM二极管绝缘层厚度小于等于5nm，二极管金属层与绝缘层的接触面积为200～2500nm²。

3.根据权利要求2所述的纳米天线太阳能电池，其特征在于所述螺旋天线上表面生长有一层绝缘层薄膜；绝缘层厚度不超过5nm；每个半天线内侧尖端在覆盖绝缘层的基础上再覆盖一层金属薄膜，覆盖面积225～2500nm²，该金属薄膜向外延伸连接并联阵列；所述电池单元中螺旋天线的内侧尖端在两侧覆盖了不同的金属薄膜，两侧薄膜金属为A、B，天线阵列金属为C；所述的金属A、B、C满足如下条件：①电阻率均小于等于1×10^-7Ω·m；②三种金属材料的功函数关系符合f(A)＞f(C)＞f(B)或者f(B)＞f(C)＞f(A)的条件。

4.根据权利要求1～3所述的一种纳米天线太阳能电池的制备方法，主要包括以下步骤：

a.备片：选择所述材料为基底；

b.在基底上表面生长一层二氧化硅薄膜，其厚度不小于所述宽频接收天线的厚度；

c.通过纳米压印或光刻的方法在二氧化硅层上加工所述电极、电池单元阵列；

d.在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述绝缘层；厚度同所述MIM二极管绝缘层的厚度一致；

e.通过纳米压印或光刻法区别出所述电极位置，将电极上表面的绝缘层腐蚀掉；

f.在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述厚度的金属A的薄膜，通过纳米压印或光刻法加工所述的金属A薄膜；

g.在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述厚度的金属B的薄膜，通过纳米压印或光刻法加工所述的金属B薄膜。