CN102456761A - 薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种波导结构薄膜太阳能电池（8）的设计构思，用于新能源领域。本发明是由金属薄膜（1）、厚玻璃（2）、透明导电薄膜（3）、光电活性薄膜（4）和金属薄膜（5）组成，它能够把太阳光（7）直接耦合进入两金属层之间的波导层中产生超高光强的、偏振无关和入射角度无关的超高阶导模（7），光电活性薄膜（4）始终被高浓度和宽带的光场所包围和渗透，这样可以有效提高电池的光电转换效率。

Description

薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种用于新能源领域的具有波导结构的薄膜太阳能电池。
背景技术
在所有的太阳能电池中，硅基太阳能电池的转换率最高，技术也最为成熟，是目前最重要的光伏材料，在大规模应用和工业生产中占据主导地位。但硅基太阳能光伏电池也面临着效率与成本的重大矛盾。首先，由于硅基太阳能电池需消耗高质量的硅材料较多，相应电池制备工艺较为复杂，使其价格居高不下，大幅度降低其成本也非常困难；其次，电池的光电转换效率在近十年中几乎没有得到重大的突破。解决这个矛盾的关键是提高光子的捕获技术以提高太阳能电池内部的光场密度。目前，虽然已提出在硅表面镀抗反膜、制备绒面结构、发射区钝化和分区掺杂等多项技术，来提高约束光子的能力。但由于这些措施只是对现有电池结构作一些修补，难以实现约束光子能力的突破。 
太阳能电池的光电转换效率和生产成本是决定太阳能电池竞争力的两个最重要的指标。为了提高太阳能电池的光电转换效率，一些同样基于薄膜技术的新结构器件也应运而生。例如，近年提出的多带隙叠层结构，有利于太阳发射光谱的充分利用。但这种电池需要制备多层光电活性薄膜，会增加制备难度和成本。值得注意的是另一种新型结构，被称为等离子体太阳能电池（Plasmonic Solar Cell），这种电池利用金属纳米颗粒来激发金属和光电活性薄膜界面上的表面等离子波，用以增强电池约束光子的能力。在太阳发射光谱中的某些窄波段内获得的高效结果，已得到学术界和产业界的广泛重视。但表面等离子波是一种TM偏振光，而且仅在特定的入射角和特定的波长下才能存在。即这种电池接受太阳光是偏振、时间和波长相关的，使其利用太阳光的效率大大降低。为克服这个缺陷，可以制备不同形状的金属纳米颗粒，使不同波段的太阳光得到充分利用。但这同样会大大增加器件的制备成本。为了降低太阳能电池的成本有很多途径，其中减小光电活性薄膜的厚度是一种最直接、简单的方法，但是同时是以降低转换效率为代价的。有研究表明，活性膜的厚度减小至0.7微米以下会影响太阳能电池的开路电压和短路电流，从而影响太阳能电池的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在提高太阳能电池内部光场强度的基础上，提供一种具有波导结构的薄膜太阳能电池。
本发明技术方案：一种薄膜太阳能电池，自上而下设置了上层金属薄膜、厚玻璃、透明导电薄膜、光电活性薄膜和下层金属薄膜，其中上层金属薄膜和下层金属薄膜形成波导的包覆层，厚玻璃、透明导电薄膜和光电活性薄膜形成导波层，下层金属薄膜与透明导电薄膜构成电池的电极，根据所述光电活性薄膜光响应度大的波段确定上层金属薄膜的厚度。
所述光电活性薄膜光响应度大的波段确定上层金属薄膜的厚度。
所述光电活性薄膜（4）是在透明导电薄膜上制备的多晶硅、非晶硅或CIGS光电活性薄膜。
所述上层金属薄膜（1）是厚度35nm的金属薄膜。
所述厚玻璃（2）是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃。
所述光电活性薄膜（4）是亚微米量级透明导电薄膜。
所述光电活性薄膜（4）是微米量级光电活性薄膜。
所述下层金属薄膜（5）是厚度300nm的金属薄膜。
所述上层金属薄膜（1）是厚度35nm的金属薄膜，所述厚玻璃（2）是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃，所述光电活性薄膜（4）是亚微米量级透明导电薄膜，所述光电活性薄膜（4）是微米量级光电活性薄膜，所述下层金属薄膜（5）是厚度300nm的金属薄膜。
所述上层金属薄膜或下层金属薄膜由银、铜或铝制成。
 有益效果：本发明提出的波导结构薄膜太阳能电池结构不同于表面等离子波结构太阳能电池，而是一种亚毫米尺度双面金属包覆波导，具有以下几个特征：
1.        因双面金属覆盖，波导的有效折射率范围满足，（                                                
Figure 350567DEST_PATH_IMAGE001
是玻璃的折射率）因此在不用棱镜或光栅情况下，可通过我们发展的自由空间耦合技术，直接使太阳光从空气射向波导激发波导中的超高阶导模；
2.        与传统介质波导不同，由于金属介电系数实部绝对值在光频范围具有较大的数值，使得超高阶导模在金属覆盖层中的衰减系数仍比较大；另外，由于超高阶导模的群速度与波导的有效折射率成正比，因此，当时，有，表明这种波导具有超强的约束光强的能力；
3.        由于导波层厚度为毫米尺度，因此这种波导可容纳数千个超高阶导模，而这些超高阶导模是偏振不灵敏的，有利于光能的充分利用；
4.        在入射光波长确定时，任意入射角的光都能耦合进波导成为波导中的超高阶导模；而当入射角固定时，几乎任意波长的太阳光都能耦合进波导成为波导中的超高阶导模。
本发明由上层金属薄膜和下层金属薄膜形成波导的包覆层，由玻璃、透明导电薄膜和光电活性薄膜形成导波层，当太阳光从空气中射向该双面金属包覆波导时，会激发波导层中的超高阶导模，这种超高阶导模具有超强的约束光强的能力以及偏振不灵敏性，而且集聚在双面金属之间的波导层中，光电活性膜犹如浸泡在强光场中，从而有效提高光电转换效率。本发明根据光电活性膜光响应度大的波段，来确定上层金属薄膜的厚度，从而把太阳光中有利于光电活性膜光电转换的波段耦合进入波导层。本发明厚玻璃中可以容纳成千上万个超高阶导模，使得波导层中的光强很大。这种波导结构薄膜太阳能电池能够使任意波长，任意入射角的光耦合进入波导的导波层进行全反射，而且双面金属包覆波导能够制造光陷阱来约束光子。形象地说，光电活性薄膜始终被高密度和宽带的光场所包围和渗透，强光场可以有效提高光生电流密度，从而可以有效提高电池的光电转换效率。另外，生产成本是太阳能电池的另一个重要指标。本发明省去了传统电池镀抗反膜、表面绒化和发射区钝化等工艺，不需要像等离子体太阳能电池和染料敏化太阳能电池等制备纳米颗粒，可使用廉价的玻璃衬底，成本极为低廉。由于太阳光在本发明具有波导结构电池导波层内的反复振荡，增加了光在活性薄膜中的有效光程，从而在减小活性膜的厚度的情况下，仍可以达到较高光电转换率，大大节省价格昂贵的半导体材料的消耗，降低光电池成本。
附图说明
图1本发明的波导结构薄膜太阳能电池示意图
图2 本发明太阳能电池的直接耦合方法示意图
图3 本发明中特定波长，不同入射角度的耦合
图4 本发明中特定入射角度，不同波长的耦合
图5 本发明的波导结构太阳能电池与镀抗反膜的太阳能电池、传统薄膜电池、等离子体太阳能电池的光强度的对比
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细描述，一种薄膜太阳能电池（8），自上而下设置了上层金属薄膜（1）、厚玻璃（2）、透明导电薄膜（3）、光电活性薄膜（4）和下层金属薄膜（5），其中上层金属薄膜（1）和下层金属薄膜（5）形成波导的包覆层，厚玻璃（2）、透明导电薄膜（3）和光电活性薄膜（4）形成导波层，下层金属薄膜（5）与透明导电薄膜（3）构成电池的电极，根据所述光电活性薄膜（4）光响应度大的波段确定上层金属薄膜（1）的厚度。
所述光电活性薄膜（4）光响应度大的波段确定上层金属薄膜（1）的厚度。
所述光电活性薄膜（4）是在透明导电薄膜上制备的多晶硅、非晶硅或CIGS光电活性薄膜。
所述上层金属薄膜（1）是厚度35nm的金属薄膜。
所述厚玻璃（2）是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃。
所述光电活性薄膜（4）是亚微米量级透明导电薄膜。
所述光电活性薄膜（4）是微米量级光电活性薄膜。
所述下层金属薄膜（5）是厚度300nm的金属薄膜。
所述上层金属薄膜（1）是厚度35nm的金属薄膜，所述厚玻璃（2）是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃，所述光电活性薄膜（4）是亚微米量级透明导电薄膜，所述光电活性薄膜（4）是微米量级光电活性薄膜，所述下层金属薄膜（5）是厚度300nm的金属薄膜。
所述上层金属薄膜或下层金属薄膜由银、铜或铝制成。
 如图1所示，由厚度约为35nm的金属薄膜（1）、约为0.5mm-2.0mm厚的玻璃（2）、亚微米量级的透明导电薄膜（3）、微米量级的光电活性薄膜（4）和300nm左右的金属薄膜（5）组成。光电活性薄膜（4）、透明导电薄膜（3）和玻璃（2）构成波导的导波层，上层金属薄膜（1）是波导的覆盖层，而下层金属薄膜（5）是波导的衬底，并与透明导电薄膜（3）构成电池的电极。金属材料可用银，也可用铜或铝。
 
表1是把本发明的波导结构太阳能电池与传统的太阳能电池的比较
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池（14），自上而下设置了上层金属薄膜（1）、厚玻璃（2）、透明导电薄膜（3）、光电活性薄膜（4）和下层金属薄膜（5），其中上层金属薄膜（1）和下层金属薄膜（5）形成波导的包覆层，厚玻璃（2）、透明导电薄膜（3）和光电活性薄膜（4）形成导波层，下层金属薄膜（5）与透明导电薄膜（3）构成电池的电极。
2.根据权利要求1所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述光电活性薄膜（4）光响应度大的波段确定上层金属薄膜（1）的厚度。
3.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述光电活性薄膜（4）是在透明导电薄膜上制备的多晶硅、非晶硅或CIGS光电活性薄膜。
4.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述上层金属薄膜（1）是厚度35nm的金属薄膜。
5.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述厚玻璃（2）是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃。
6.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述光电活性薄膜（4）是亚微米量级透明导电薄膜。
7.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述光电活性薄膜（4）是微米量级光电活性薄膜。
8.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述下层金属薄膜（5）是厚度300nm的金属薄膜。
9.根据权利要求1或2所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述上层金属薄膜（1）是厚度35nm的金属薄膜，所述厚玻璃（2）是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃，所述光电活性薄膜（4）是亚微米量级透明导电薄膜，所述光电活性薄膜（4）是微米量级光电活性薄膜，所述下层金属薄膜（5）是厚度300nm的金属薄膜。
10.根据权利要求9所述一种薄膜太阳能电池，其特征是：所述上层金属薄膜或下层金属薄膜由银、铜或铝制成。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102694038A (zh) * 2012-01-16 2012-09-26 上海理工大学 基于双面金属包覆波导结构非晶硅太阳能电池及制造工艺
CN102967593A (zh) * 2012-11-28 2013-03-13 南通大学 光波导增强机制的方法及拉曼光谱仪

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1140825A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Fuji Electric Co Ltd アモルファスシリコン太陽電池
US6333458B1 (en) * 1999-11-26 2001-12-25 The Trustees Of Princeton University Highly efficient multiple reflection photosensitive optoelectronic device with optical concentrator
CN1697201A (zh) * 2005-06-20 2005-11-16 南开大学 硅薄膜太阳电池用p型窗口层及其制备方法
CN101459201A (zh) * 2007-12-10 2009-06-17 台达电子工业股份有限公司 太阳能电池及其制作方法
CN101740648A (zh) * 2009-12-17 2010-06-16 南开大学 窗口层为p型微晶硅锗的硅锗薄膜太阳电池及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1140825A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Fuji Electric Co Ltd アモルファスシリコン太陽電池
US6333458B1 (en) * 1999-11-26 2001-12-25 The Trustees Of Princeton University Highly efficient multiple reflection photosensitive optoelectronic device with optical concentrator
CN1697201A (zh) * 2005-06-20 2005-11-16 南开大学 硅薄膜太阳电池用p型窗口层及其制备方法
CN101459201A (zh) * 2007-12-10 2009-06-17 台达电子工业股份有限公司 太阳能电池及其制作方法
CN101740648A (zh) * 2009-12-17 2010-06-16 南开大学 窗口层为p型微晶硅锗的硅锗薄膜太阳电池及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
曹庄琪, 陆海峰, 李红根等: "《亚毫米尺寸双面金属波导的超高阶模及其滤波特性研究》", 《光学学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102694038A (zh) * 2012-01-16 2012-09-26 上海理工大学 基于双面金属包覆波导结构非晶硅太阳能电池及制造工艺
CN102694038B (zh) * 2012-01-16 2014-12-24 上海理工大学 基于双面金属包覆波导结构非晶硅太阳能电池及制造工艺
CN102967593A (zh) * 2012-11-28 2013-03-13 南通大学 光波导增强机制的方法及拉曼光谱仪

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