CN102637752A

CN102637752A - 一种薄膜太阳能电池

Info

Publication number: CN102637752A
Application number: CN2012100569225A
Authority: CN
Inventors: 许宜申; 顾济华; 陶智; 吴迪
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN102637752B

Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池，其包括基底、金属薄膜层或布拉格反射层、硅薄片、微纳米结构或多层膜抗反射层以及薄膜微透镜阵列层，所述基底表面带有微纳米结构，所述微纳米结构的底部或脊区设有所述金属薄膜层或者布拉格反射层，所述硅薄片的表面设有微纳米结构层和/或多层膜抗反射层。本发明实施例的薄膜太阳能电池通过结合薄膜微透镜阵列层、硅薄片、微纳米结构或者多层膜抗反射层，在较大的入射角范围内使得薄膜太阳能电池具有更低的表面反射率，增加其对入射光的吸收，减少了光能的损耗。

Description

一种薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种光电转换器件，尤其涉及一种可作为绿色能源且节能减排的薄膜太阳能电池。

背景技术

随着能源在世界范围内的紧张和短缺，人们对开发新能源的重视程度日益提高，尤其对太阳能开发利用日趋重视。太阳能以其无污染、无地域限制和全天候利用等独特的优势而受到广泛关注和青睐，市场对大面积、轻薄且生产成本低的新型太阳能电池的需求日益增加。在新型太阳能电池中，薄膜太阳能电池的开发已受到世界范围的广泛关注，成为太阳能电池发展的新趋势和新热点。

薄膜太阳能电池可以选择采用价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜，一般厚度仅需数微米，从而在同一受光面积之下，薄膜太阳能电池较硅晶圆太阳能电池能够大幅减少原料的使用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90％以上)。

目前，薄膜太阳能电池的实验室转换效率最高已达20％以上，规模化量产稳定效率最高约13％。薄膜太阳能电池除了平面特征之外，还具有可挠性的特征，此可挠性的特征使得薄膜太阳能电池可以被制作成非平面结构，使得薄膜太阳能电池可以与建筑物结合，甚至是变成建筑体的一部份，扩大了薄膜太阳能电池的应用范围。

薄膜太阳能电池的制造工艺是在柔性衬底上作微米或厘米尺度下的结构，然后将所设计的同尺寸薄型太阳能电池嵌进微结构里，柔性衬底上图形化的比例或者嵌入薄型太阳能电池的比例越高，薄膜太阳能电池柔性程度越低，透明度越低，光能转换率越大，光能的利用率越高。实际应用中，可根据实际需要自由设计符合使用要求的薄膜太阳能电池。

针对现有技术中已经存在的技术，本发明旨在降低薄膜太阳能电池在较大的入射角范围内的表面反射率，，减少光能的损耗，并进一步提高太阳能电池对入射光的吸收，从而提高光能转换效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种表面反射率更低且能够减少光能损耗的薄膜太阳能电池。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜太阳能电池，其包括基底、金属薄膜层或布拉格反射层、硅薄片、微纳米结构或多层膜抗反射层以及薄膜微透镜阵列层，所述基底表面带有微纳米结构，所述微纳米结构的底部或脊区设有所述金属薄膜层或者布拉格反射层，所述硅薄片的表面设有微纳米结构层和/或多层膜抗反射层。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述基底表面的微纳米结构深度大于500nm。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述基底为柔性透明材料。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述硅薄片的长宽尺寸与金属薄膜层或布拉格反射层相同。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述硅薄片表面的微纳米结构为一维、二维或三维周期性结构。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述薄膜微透镜阵列层为一维或二维周期性结构。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述薄膜微透镜阵列层为柔性透明材料。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述薄膜微透镜为光学透镜，所述薄膜微透镜的入射光角度落在±60度入射角范围内。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，在400nm-1100nm的入射波长下，薄膜太阳能电池的表面反射率低于10％。

优选的，在上述薄膜太阳能电池中，在400nm-800nm的入射波长下，薄膜太阳能电池对光能的吸收率高于45％。

与现有技术相比，本发明实施例的薄膜太阳能电池的有益效果包括：

(1)相较于传统的太阳能电池，本发明的薄膜太阳能电池具有柔性透明、设计灵活且易于集成的优点；

(2)通过结合薄膜微透镜阵列层、硅薄片、微纳米结构或者多层膜抗反射层，在较大的入射角范围内使得薄膜太阳能电池具有更低的表面反射率，减少了光能的损耗；

(3)通过在基底上的微纳米结构的底部或脊区填充金属薄膜层或布拉格反射层，能提高薄膜太阳能电池对太阳光谱的吸收率，从而提高光电转换率；

(4)基底采用柔性材料制作，成本低，且易于大面积加工制作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中薄膜太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明实施例一中第二部分结构侧视图；

图3是本发明实施例一中第二部分结构俯视图；

图4是本发明实施例一中不同入射角下TE光的反射效率与入射波长的关系图；

图5是本发明实施例一中不同入射角下TM光的反射效率与入射波长的关系图；

图6为本发明实施例一中入射光的吸收效率与入射波长的关系图；

图7为本发明实施例二中第二部分结构侧视图；

图8为本发明实施例二中第二部分结构俯视图；

图9为本发明实施例二中不同入射角下TE光的反射效率与入射波长的关系图；

图10为本发明实施例二中不同入射角下TM光的反射效率与入射波长的关系图；

图11为本发明实施例二中入射光吸收效率与入射波长的关系图；

图12为本发明实施例三中多层膜结构侧视图；

图13为本发明实施例三中纳米周期结构俯视图；

图14为本发明实施例三中入射光吸收效率与入射波长的关系图。

具体实施方式

本发明公开了一种表面反射率更低且能够减少光能损耗的薄膜太阳能电池，该薄膜太阳能电池包括基底、金属薄膜层或布拉格反射层、硅薄片、微纳米结构或多层膜抗反射层以及薄膜微透镜阵列层。其中，基底表面带有微纳米结构，微纳米结构的底部或脊区设有所述金属薄膜层或者布拉格反射层，硅薄片的表面设有微纳米结构层和/或多层膜抗反射层。通过结合薄膜微透镜阵列层、硅薄片、微纳米结构或者多层膜抗反射层，在较大的入射角范围内使得薄膜太阳能电池具有更低的表面反射率，减少了光能的损耗。

进一步的，基底为柔性透明材料，基底表面的微纳米结构深度大于500nm。

具体讲，柔性透明材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等。

进一步的，金属膜层的材质为铝、银等反射率较高的金属。

进一步的，硅薄片的长宽尺寸与金属薄膜层或布拉格反射层相同。硅薄片表面的微纳米结构为一维、二维或三维周期性结构。

进一步的，薄膜微透镜阵列层为一维或二维周期性结构。薄膜微透镜阵列层为柔性透明材料。薄膜微透镜为凸透镜、凹透镜、柱透镜等可能的光学透镜，通过其结构特征的设计，将入射光角度压缩在±60度入射角范围内。透镜可以为圆锥形、圆柱形等可能的几何形状。

进一步的，在400nm-1100nm的入射波长下，薄膜太阳能电池的表面反射率低于10％。在400nm-1100nm入射波长下，薄膜太阳能电池的吸收率较高，特别是，在400nm-800nm入射波长下，薄膜太阳能电池对光能的吸收率高于45％。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明设计的薄膜太阳能电池的结构示意图。薄膜太阳能电池包括基底10、金属薄膜层或布拉格反射层12、硅薄片13、微纳米结构或多层膜抗反射层14、夹层15以及薄膜微透镜阵列层16。基底10表面带有微纳米结构，微纳米结构的底部或脊区设有金属薄膜层或者布拉格反射层14，硅薄片13的表面设有微纳米结构层和/或多层膜抗反射层14。本发明设计的薄膜太阳能电池通过结合薄膜微透镜阵列层16、硅薄片13、微纳米结构或者多层膜抗反射层14，在较大的入射角范围内使得薄膜太阳能电池具有更低的表面反射率，减少了光能的损耗。

所述基底10表面的微纳米结构深度大于500nm。基底上设有所做图案的脊区11。基底10与脊区11为相同的柔性透明材料。柔性透明材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等。

在基底10上的微纳米结构的底部或脊区填充的物质面积占基底总面积的百分比不同，所呈现出的薄膜太阳能电池的透明度不同。金属薄膜层或布拉格反射层12的表面可以存在微结构或涂布其他介质。特别是，金属薄膜层的材质为铝、银等反射率较高的金属。

硅薄片13的长宽尺寸与金属薄膜层或布拉格反射层12相同。硅薄片13表面的微纳米结构为一维、二维或三维周期性结构。

薄膜微透镜阵列层16为一维或二维周期性结构。薄膜微透镜为凸透镜、凹透镜、柱透镜等可能的光学透镜，通过其结构特征的设计，将入射光角度压缩在±60度入射角范围内。透镜可以为圆锥形、圆柱形等可能的几何形状。夹层15和薄膜微透镜阵列层16的顺序可调换。夹层15和薄膜微透镜阵列层16为相同的柔性透明材料。柔性透明材料可以是聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等。通过采用薄膜微透镜阵列层16，入射光经薄膜微透镜阵列层16折射后，角度不超过60度。

金属薄膜层或布拉格反射层12、硅薄片13、微纳米结构或多层膜抗反射层14构成薄膜太阳能电池的第二部分。夹层15和薄膜微透镜阵列层16构成薄膜太阳能电池的第三部分。

在400nm-1100nm的入射波长下，薄膜太阳能电池的表面反射率低于10％。在400nm-800nm的入射波长下，薄膜太阳能电池对光能的吸收率高于48％。

下面再以几个具体实施方式对本发明做详细说明。

实施例一：

第二部分中的金属薄膜层或布拉格反射层12为100nm厚金属Ag，硅薄片13为2μm厚硅薄片，14为多层膜与微纳结构相结合的抗反陷光结构。

如图2及图3所示，图2及图3为微纳米结构或多层膜抗反射层14的具体结构。图2中21为50nm厚ZnS，22为150nm厚MgF2，23为200nm厚，400nm周期T的二维光栅结构。图3中231为MgF2，232为空气。

如图4所示，图4为第二部分结构下，TE偏振光在不同入射角度下的反射光谱，在60度角入射范围内，入射光平均反射率小于8％。

如图5所示，图5为TM偏振光在不同入射角度下的反射光谱，在60度角入射范围内，入射光平均反射率小于6％。

如图6所示，图6为入射光在垂直入射下的第二部分结构的光谱吸收率，在400～800nm光谱范围内，光谱吸收率大于48％。

实施例二：

第二部分中的金属薄膜层或布拉格反射层12为100nm厚金属Al，硅薄片13材料为硅，14的材料也为硅。硅薄片13为2μm厚硅薄片，14为微纳米抗反陷光结构。硅薄片13与14的具体结构如图7与图8所示，14为纳米圆锥结构，其中T为167nm，h为550nm，33宽度为33nm，34宽度为167nm。

如图9所示，图9为第二部分结构下，TE偏振光在不同入射角度下的反射光谱，在60度角入射范围内，入射光平均反射率小于3％。

如图10所示，图10为TM偏振光在不同入射角度下的反射光谱，在60度角入射范围内，入射光平均反射率小于5％。

如图11所示，图11为入射光在垂直入射下的第二部分结构的光谱吸收率，在400～800nm光谱范围内，光谱吸收率大于56％。

实施例三：

第二部分中的金属薄膜层或布拉格反射层12为100nm厚金属铝膜或银膜120、硅或氧化钛等高折射率介质层121、氧化硅或弗化镁等地折射率介质层122、纳米周期结构123等组成的多层结构，如图12、13所示，其中纳米周期结构周期小于200nm，光栅槽深约120纳米，1231为氧化硅，1232与硅薄片13同为硅，高折射率介质层121厚度为65nm，低折射率氧化硅122厚度为15nm。

13与14的材料均为硅，13为2μm厚硅薄片，14为微纳米抗反陷光结构。该实施方式中13与14的具体结构与实施例二所述一致，在此不再赘述。

如图14所示，图14为入射光在垂直入射下的第二部分结构的光谱吸收率，在400～800nm光谱范围内，光谱吸收率大于51.2％，可见光区域的吸收得到了一定幅度的提高。并且，在周期结构123处的反射衍射光角度大于全反射角，其在硅片内的多次反射，可进一步提高其光能吸收率。

本发明几个实施例公开的薄膜太阳能电池结构在400～1100nm入射波长下，具有低反射效率(小于10％)和高吸收效率，在400～800nm入射波长下，吸收率大于45％。

本发明公开的薄膜太阳能电池可以通过调整全反射层在基底图案中的填充率调节薄膜太阳能电池的透明程度。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于：包括基底、金属薄膜层或布拉格反射层、硅薄片、微纳米结构或多层膜抗反射层以及薄膜微透镜阵列层，所述基底表面带有微纳米结构，所述微纳米结构的底部或脊区设有所述金属薄膜层或者布拉格反射层，所述硅薄片的表面设有微纳米结构层和/或多层膜抗反射层。

2.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基底表面的微纳米结构深度大于500nm。

3.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基底为柔性透明材料。

4.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅薄片的长宽尺寸与金属薄膜层或布拉格反射层相同。

5.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硅薄片表面的微纳米结构为一维、二维或三维周期性结构。

6.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述薄膜微透镜阵列层为一维或二维周期性结构。

7.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述薄膜微透镜阵列层为柔性透明材料。

8.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：所述薄膜微透镜为光学透镜，所述薄膜微透镜的入射光角度落在±60度入射角范围内。

9.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：在400nm～1100nm的入射波长下，薄膜太阳能电池的表面反射率低于10％。

10.根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于：在400nm～800nm的入射波长下，薄膜太阳能电池对光能的吸收率高于45％。