CN102315290B - 一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，包括：金属背电极(1)；金属背电极上二维周期排布的纳米银结构阵列(2)，二维周期排布的纳米银结构阵列之间由透明导电介质铟锡氧化物(ITO)填充；光敏层a-Si:H薄膜(3)；二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)，阵列之间由ITO填充；二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)。本发明通过光敏层上表面引入纳米a-Si:H、ITO锥形结构阵列保证入射能量较高光子进入光敏层时达到阻抗匹配而获得短波段吸收增强，在光敏层下表面引入纳米银周期结构阵列将能量较低光子局域到光敏层中而获得长波段吸收增强，从而在全光谱实现光吸收增强效果，有助于太阳能电池光电转换效率大幅度提高。

Description

一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及到一种氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池结构，特别是一种借助纳米周期阵列实现宽光谱的，极化不敏感的全光谱光吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池。

背景技术

能源问题成为21世纪全世界共同面对的危机，太阳能则是解决能源危机的重要新能源，而太阳能电池是实现光电转换的重要分支。市面上太阳电池主要有晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两类。晶硅太阳能电池为保证充分的光学吸收，光敏层要足够厚，一般为～10²-10³μm，这对硅材料需求很大；而薄膜太阳能电池最大优势是节约材料降低成本，同时具有串联阻抗低、欧姆耗散小等优点，但为控制复合电流保证光电转换效率，薄膜太阳能电池光敏层厚度受制于少数载流子扩散长度，一般只能做到～10²-10³nm，不能满足光的充分吸收，吸收特性不好，导致转换效率比晶硅太阳能电池低。于是，增强薄膜太阳能电池光吸收以此来提高光电转换效率已成为新世纪以来光伏领域研究的热点。

现阶段研究增强薄膜太阳能电池光吸收最多的物理机制是表面等离子共振(Surface Plasmon Polarization，SPP)。SPP是借助于纳米金属周期结构，使入射光波矢与表面等离子波矢在一定光波段范围达到互相匹配时，金属表面电子会与入射光子发生强烈相互作用而在金属与光敏层界面处激发电偶极共振，产生一种沿界面传播的表面波。其最终会在界面处产生高度局域的光学增强近场，将入射光局域到亚波长尺寸内，类似聚光效果，实现光吸收增强。另外，借助于纳米金属周期结构，当光敏层厚度与入射光波长满足一定关系时，会使入射光电磁场有效分布到光敏层中实现吸收增强，这就是有效波导模式的激发。而通过锥形结构实现等效折射率渐变进而达到阻抗匹配，近几年来在抗反、光热转换领域得到了成功的论证。

但仅采用SPP作为吸收增强机制，共振只能发生在特定波段，不能实现宽光谱吸收增强；而通过等效折射率渐变达到阻抗匹配机制至今还并未引入薄膜太阳能电池结构中；借助于纳米周期结构通过多种物理机制实现宽波段吸收增强的电池结构目前很少，并且几乎都忽略了光子能量较大的短波段的吸收。总之，目前还尚未研究出一种能实现全光谱吸收增强的薄膜太阳能电池结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服薄膜太阳能电池吸收特性不理想和对于全光谱太阳光不能充分利用的缺点，同时也解决之前其他科研工作中通过引入一维纳米金属光栅所带来对入射光极化方向敏感性问题。

本发明的技术方案：在平板太阳能电池结构基础上引入多层纳米周期结构阵列，使得不同纳米周期阵列在不同波段下引入不同的光吸收增强的物理机制：通过在光敏层上表面引入纳米氢化非晶硅(a-Si:H)、ITO锥形结构阵列，保证入射能量较高的光子进入光敏层时通过等效折射率渐变达到阻抗匹配而获得短波段的吸收增强；在光敏层下表面引入纳米银结构周期阵列通过有效波导模式的激发和表面等离子共振将能量较低的光子局域到光敏层中而获得长波段的吸收增强，以及由整体结构支持的空腔共振机制来获得短、长波过渡波段的吸收增强，同时引入二维纳米周期阵列来克服入射光极化方向敏感性问题，以此来实现全光谱的吸收增强、对入射光极化不敏感的薄膜太阳能电池。具体解决方案如下：

方案1、如图1，一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池，其结构自上而下分别为：

金属背电极1，其材料为传统电极银或铝；

二维周期排布的纳米银结构阵列2，其分布在金属背电极1上表面，该二维周期纳米银结构阵列2之间由ITO填充；

光敏层a-Si:H薄膜3；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4，该二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4之间由ITO填充；

二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5；

其中，二维周期排布的纳米银结构阵列2为圆锥结构或金字塔结构或球体或长方体，置于光敏层下面的二维周期排布的纳米银结构阵列2能够在长波段下激发SPP和由a-Si:H薄膜支持的波导模式，而SPP和波导模式的激发及其共振强度均与二维周期排布的纳米银结构阵列2结构形状有关，对二维周期排布的纳米银结构阵列2的纳米结构的特征尺寸、周期以及占空比进行优化得到最佳吸收增强效率。由于周围介电环境同样能影响纳米银周期结构所激发的SPP，为防止外界条件影响纳米银周期阵列周围的介电环境，保证SPP的激发发生在特定波段，同时也保证金属背电极1对载流子的收集效率，采用特性稳定且具有导电性能的材料——ITO作为二维周期排布的纳米银结构阵列2之间的填充材料；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5出于工艺和物理机制考虑，两者特征尺寸保持一致，且两者纳米锥形周期阵列的填充因子保证为1，其锥形结构阵列需优化参数：锥形阵列的高度和宽度。两者锥形结构为圆锥结构或金字塔结构。由于ITO折射率在可见光波段近似为1.8，而a-Si:H材料为高折射率材料，存在一定的色散关系，在参考波段范围内折射率在3-4之间，对于平板太阳能电池，如图2，自下而上分别为金属背电极1；光敏层a-Si:H薄膜2；透明电极ITO c，当入射光进入太阳电池时，由于空气与ITO、ITO与光敏层界面存在折射率突变，导致阻抗不匹配，势必导致相当一部分入射光子反射，影响电池吸收效率，在引入二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4和二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5之后，在纳米锥形周期阵列的填充因子为1的前提下，电池结构的等效折射率会从二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5上表面的1.0渐变到二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4结构上表面的1.8，从二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4结构上表面的1.8渐变到其下表面的折射率n_a-Si:H(λ)，其中n_a-Si:H(λ)的引入是由于其存在一定的色散关系。等效折射率从空气层到光敏层的渐变保证了入射光进入光敏层的阻抗匹配，通过参数优化可以在短波段范围实现明显的抑制反射从而获得吸收增强效果。

方案2、根据方案1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池，通过二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5在短波段下的等效折射率渐变、由整体电池结构支持引起的空腔共振、二维周期排布的纳米银结构阵列2在长波段下激发的有效波导模式和表面等离子共振模式，使得在整个吸收光谱范围内都存在增强光吸收的物理机制，最终能够实现相对于平板太阳能电池全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳能电池。

方案3、根据方案1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池，其特征在于：对于三维空间内TE波与TM波在纳米结构周期阵列平面上两者的电场上是互相正交的，磁场也是互相正交的，并且通过引入二维周期排布的纳米银结构阵列2，使得在周期阵列平面上两种偏振光激发的吸收增强模式是一样的，以致所得的吸收增强效果两者是基本一致的，使得本结构对入射光极化方向不敏感。

方案4、根据方案1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池，其特征在于：可通过化学湿法刻蚀制成掩模板，然后通过纳米压印手段压印出纳米锥形周期阵列结构，或者通过飞秒激光刻蚀实现纳米锥形周期阵列结构，进而实现整个电池结构。

本发明与现有技术相比有益效果在于：

(1)本发明通过在光敏层上表面引入二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列、ITO锥形结构阵列，由于等效折射率渐变而达到阻抗匹配，通过参数优化可实现短波段明显吸收增强；在光敏层下表面引入二维周期排布的纳米银周期结构阵列，借助于SPP与有效波导模式激发来实现长波段的吸收增强；同时又借助于整体结构支撑的空腔共振机制来获得短、长波过渡波段的吸收增强，总之通过在不同吸收波段下引入不同吸收增强的物理机制，最终可实现相对于平板太阳能电池全光谱的吸收增强；

(2)本发明通过引入等效折射率渐变、空腔谐振、SPP以及有效波导模式多种机制，在实现全波段吸收增强同时，借助结构参数优化使得吸收增强效果至少在40％以上，而对于最近科研成果，光敏层为吸收效果较好的材料时，比如a-Si:H、P3HT:PCBM等，借助于纳米金属周期光栅获得吸收增强效果一般在10-30％范围内；

(3)最近研究成果采用的一般是一维纳米金属周期光栅，由于SPP的激发对光栅存在极化敏感性，导致只有TM波的吸收增强效果明显，而本发明通过引入二维纳米周期阵列结构，使得对于TE波与TM波两者在周期阵列平面上的电场与磁场方向都是相互正交的，使得在周期阵列平面上两种偏振光激发的吸收增强模式是一样的，致使两者吸收增强效果是基本一致的，不存在极化敏感性问题。

(4)本发明对于纳米结构的形状不严格依赖，光敏层上层的纳米a-Si:H、ITO结构只需为锥形结构的一种；光敏层下层的纳米金属结构的形状至少包括圆锥结构、金字塔结构、球体、长方体等，这样受工艺限制的因素会小很多。

附图说明

图1本发明提供的全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳能电池平面示意图；

图2传统平板a-Si:H薄膜太阳能电池平面图；

图1、图2中：1、金属背电极；2、二维周期排布的纳米银结构阵列；3、光敏层a-Si:H薄膜；4、二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列；5、二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列；c、透明电极ITO；

图3具体实施例中实现的全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳电池平面图；其中：11、银背电极；21、二维周期排布的纳米银金字塔结构阵列；31、厚度为50nm的光敏层a-Si:H薄膜；41、二维周期排布的纳米a-Si:H金字塔结构阵列；51、二维周期排布的纳米ITO金字塔结构阵列；

图4具体实施例中复合电池(pyramid_pyramid)、平板电池(flat_flat)、只在光敏层上方引入二维周期排布的纳米a-Si:H、ITO结构的(pyramid_flat)和只在光敏层下方引入二维周期排布的纳米银周期结构的(flat_pyramid)电池的吸收对比图，横坐标为入射光波长，纵坐标为吸收率；

图5具体实施例中复合电池相对于平板电池的吸收增强图，横坐标为入射光波长，纵坐标为吸收增强即为复合电池吸收率与平板电池吸收率之比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明，但以下的实施例仅限于解释本发明，而非限制本发明的保护范围，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明。

具体实施例中，一种全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳能电池结构如图3所示。本实施例通过引入二维周期排布的金字塔纳米结构，通过对纳米结构尺寸的优化，确定出吸收效果最优的特征尺寸。其中11为银背电极，厚度300nm；21为二维周期排布的纳米银金字塔结构阵列，周期309nm，高度为120nm，占空比为1，纳米金字塔结构之间由ITO填充；31为厚度为50nm的光敏层a-Si:H薄膜；41为二维周期排布的纳米a-Si:H金字塔结构阵列，周期206nm，高度100nm，占空比为1，纳米金字塔结构之间由ITO填充，那么等效光敏层a-Si:H厚度为50+1/3×100＝83.33mm；51为二维周期排布的纳米ITO金字塔结构阵列，作为透明导电阳极，周期206nm，高度100nm，占空比为1。

考虑到太阳光在AM1.5条件下光强主要分布在可见光和近红外波段以及a-Si:H的禁带宽度对应的光波长，本实施例所设定的参考光波段为350nm-900nm。图4为复合电池(pyramid_pyramid)、平板电池(flat_flat)、只在光敏层上方引入二维周期排布的纳米a-Si:H、ITO结构阵列的(pyramid_flat)和只在光敏层下方引入二维周期排布的纳米银周期结构阵列的(flat_pyramid)电池的吸收对比图，图5为复合结构相对于平板电池的吸收增强图。从图4中可以看到由于二维周期排布的纳米a-Si:H、ITO金字塔结构周期阵列的引入实现了短波段的吸收增强；由于二维周期排布的纳米银金字塔结构周期阵列的引入实现了长波段的吸收增强；而复合结构获得了全光谱的吸收增强。

具体来说，通过在特定波段下引入特定物理吸收增强机制，来实现整个参考光波段下的吸收增强：在短波段范围内350-563.5nm，通过二维周期排布的纳米ITO、a-Si:H金字塔结构周期阵列的引入使等效折射率渐变达到的阻抗匹配在抑制反射的同时实现了吸收增强；611.7nm附近区间内，通过空腔谐振即Fabry-Perot共振，使入射光与薄膜内的多重反射干涉增强作用引起光场集中到了光敏层内实现的高效吸收增强；在701.6nm附近区间内，主要通过二维周期排布的激发有效波导模式实现吸收增强；然后又在810.8nm附近，通过二维周期排布的纳米金属结构激发的SPP，将光场局域到在银光栅和光敏层界面处；最后在859.5nm处，又通过引入另外一种波导模式实现了吸收增强，并且对于入射光为TE、TM波吸收效果一致，得到的吸收增强效果是极化不敏感的，相对于平板太阳电池吸收增强了47.7％。

与平板太阳能电池相比，实施实例1中83.33nm厚的光敏层的整体吸收率(76.24％)会高于光敏层厚度为400nm厚的平板太阳电池的整体吸收率(75.60％)，也就是说，与平板太阳电池获得同样的吸收效果，这种电池结构的光敏层材料会节省4倍。最终通过多种物理机制在不同波段下的作用使得光敏层在350-900nm整个波段实现了极化不敏感的宽光谱的吸收增强。

本发明未详细阐述的部分属本领域的公知常识。

Claims (4)

1.一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其结构自下而上分别为：

金属背电极（1），其材料为传统电极银或铝；

二维周期排布的纳米银结构阵列（2），其分布在金属背电极（1）上表面，该二维周期排布的纳米银结构阵列（2）之间由ITO填充；

光敏层a-Si:H薄膜（3）；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4），该二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4）之间由ITO填充；

二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列（5）；

其中，二维周期排布的纳米银结构阵列（2）为圆锥结构或金字塔结构或球体或长方体，置于光敏层下面的二维周期排布的纳米银结构阵列（2）能够在长波段下激发SPP和由a-Si:H薄膜支持的波导模式，而SPP和波导模式的激发及其共振强度均与二维周期排布的纳米银结构阵列（2）结构形状有关，对二维周期排布的纳米银结构阵列（2）的纳米结构的特征尺寸、周期以及占空比进行优化得到最佳吸收增强效率；由于周围介电环境同样能影响纳米银周期结构所激发的SPP，为防止外界条件影响纳米银周期阵列周围的介电环境，保证SPP的激发发生在特定波段，同时也保证金属背电极对载流子的收集效率，采用特性稳定且具有导电性能的材料——ITO作为二维周期排布的纳米银结构阵列（2）之间的填充材料；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4）及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列（5）出于工艺和物理机制考虑，两者特征尺寸保持一致，且两者纳米锥形周期阵列的填充因子保证为1，其锥形结构阵列需优化参数：锥形阵列的高度和宽度，两者锥形结构为圆锥结构或金字塔结构，由于ITO折射率在可见光波段近似为1.8，而a-Si:H材料为高折射率材料，存在一定的色散关系，在参考波段范围内折射率在3-4之间，对于平板a-Si:H薄膜太阳能电池，自下而上分别为金属背电极（1）；光敏层a-Si:H薄膜（3）；透明电极ITO（c）；当入射光进入太阳电池时，由于空气与ITO、ITO与光敏层界面存在折射率突变，导致阻抗不匹配，势必导致相当一部分入射光子反射，影响电池吸收效率，在引入二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4）和二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列（5）之后，在纳米锥形周期阵列的填充因子为1的前提下，电池结构的等效折射率会从二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列（5）上表面的1.0渐变到二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4）结构上表面的1.8，从二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4）结构上表面的1.8渐变到其下表面的折射率n_a-Si：H(λ)，其中n_a-Si：H(λ)的引入是由于其存在一定的色散关系；等效折射率从空气层到光敏层的渐变保证了入射光进入光敏层的阻抗匹配，通过参数优化可以在短波段范围实现明显的抑制反射从而获得吸收增强效果。

2.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：通过二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列（4）及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列（5）在短波段下的等效折射率渐变、由整体电池结构支持引起的空腔共振、二维周期排布的纳米银结构阵列（2）在长波段下激发出的有效波导模式和表面等离子共振模式，使得在整个吸收光谱范围内都存在增强光吸收的物理机制，最终能够实现相对于平板太阳能电池全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳能电池，其中空腔共振为薄膜内的干涉作用，通过对电池薄膜有效厚度的调制可以使其共振波段发生在太阳光光强分布很大的波段，从而获得尽可能高的吸收效率。

3.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：对于三维空间内TE波与TM波在纳米结构周期阵列平面上两者的电场上是互相正交的，磁场也是互相正交的，并且通过引入二维周期排布的纳米银结构阵列（2），使得在周期阵列平面上两种偏振光激发的吸收增强模式是一样的，以致所得的吸收增强效果两者是基本一致的，使得本结构对入射光极化方向不敏感。

4.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：可通过化学湿法刻蚀制成掩模板，然后通过纳米压印手段压印出二维周期排布的纳米结构阵列，或者通过飞秒激光刻蚀实现二维周期排布的纳米结构阵列，进而实现整个电池结构。

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