CN102881728B - 基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法。该电池主要由衬底、金属平面电极层、有源层、纳米结构电极层、透明导电薄膜和透明保护层组成；其制备方法包括：依次在衬底上形成金属平面电极层和有源层，其后在有源层上形成导电材料薄膜，再加工形成纳米结构电极层，而后在纳米结构电极层上依次形成透明导电薄膜和透明保护层。本发明通过将金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成超颖材料结构，可获得有效电磁参数的调控，从而获得近100%完全陷光，尤其是通过将不同结构的纳米结构电极层结合不同材料的有源层在器件平面内和/或垂直于器件平面方向嵌套级联，可以进一步扩大光吸收增强的波段范围，并适合多结太阳能电池。

Description

基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光伏器件及其制备方法，尤其涉及一种利用超颖材料结构提升光吸收效率的薄膜太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
太阳能电池一直以来被视为下一代清洁能源，在全球范围内引发了学术界和产业界极大的持续关注。然而目前太阳能电池光转换效率和电池成本的性价比还远高于煤、石油等其他能源，限制了其大规模的应用。第一代的晶硅太阳能电池利用近200微米厚的单晶或多晶硅片保证足够的光吸收，使得材料成本占到了电池成本的近一半，不可避免的降低了性价比。第二代的薄膜太阳能电池只有几个微米厚，大大降低了成本，然而由于光吸收层太薄，无法完全吸收入射光，从而其获得的光转换效率非常低。因此，开发同时具有低成本和高光吸收效率的增效方法是当前太阳能电池产业发展的关键技术。
最近基于无序金属纳米颗粒或金属光栅的太阳能电池光吸收增强方法（参阅CN101692469A、CN101937939A、CN102157627A及CN202094161U和申请号为2011110373472.8的发明专利申请等）受到关注，此技术主要依赖于表面等离子体共振引起的近场放大效应和耦合表面波效应，因而光吸收增强的频谱带宽受到共振原理的限制，无法获得宽带吸收增强。此外，无序且形状不规则的金属纳米颗粒引起的光吸收增强具有较差的可控性和重复性，在太阳能电池大规模的产业应用中具有不利因素。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法，其通过优化设计金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成的超颖材料结构，实现对超颖材料结构有效电磁参数的调控，进而达成在太阳能电池光照表面的阻抗全匹配和背面的完全反射，获得宽带光谱范围内近100%的光吸收。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，包括从下至上依次形成在衬底上的金属平面电极、至少一有源层、至少一纳米结构电极层、透明导电薄膜和透明保护层，其中，所述纳米结构电极层包括二维导电材料纳米周期结构。
作为优选方案之一，它包括交替设置的复数有源层和纳米结构电极层。
作为优选方案之一，对于主要由所述金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成的超颖材料结构，其阻抗Z等于或接近376.7Ω，其中，                                                ，ε、μ分别为超颖材料结构的介电常数和磁导率。
进一步的，所述二维导电材料纳米周期结构的周期为200-400nm，厚度为50-200nm。
进一步的，所述金属平面电极包括至少一层连续金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为50-300nm。
进一步的，所述有源层厚度为50-200nm，并且所述有源层的厚度与纳米结构电极层的结构相关联, 而且，通过电磁场数值分析方法优化超颖材料结构的介电常数ε和磁导率μ，使得超颖材料结构的阻抗Z等于或接近于376.7Ω。
进一步的，所述二维导电材料纳米周期结构包括一种以上周期单元，所述周期单元为一种简单单元或在不同光谱范围内具有光吸收增强效应的两种以上简单单元的组合。
作为优选方案之一，所述二维导电材料纳米周期结构包括在器件平面内和/或垂直于器件平面方向嵌套设置的两种以上周期单元。
作为可实施的方案之一，所述二维导电材料纳米周期结构包括四方晶格或三角晶格。
如上所述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法，包括：依次在衬底上形成金属平面电极层和有源层，其后，在有源层上形成导电材料薄膜，再通过微纳加工方法制作形成纳米结构电极层，而后，在纳米结构电极层上依次形成透明导电薄膜和透明保护层。
进一步的，如上所述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法可以包括如下步骤：
（1）在衬底上通过金属薄膜沉积的方法制备金属平面电极层；
（2）在金属平面电极层上通过有源层制备方法制备有源层；
（3）在有源层上通过薄膜沉积和微纳加工方法制作纳米结构电极层；
（4）在纳米结构电极层上通过介质薄膜沉积方法制备透明导电薄膜和透明保护层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在薄膜太阳能电池中构建由金属平面电极、有源层和纳米结构电极层组成的超颖材料结构，获得对结构有效电磁参数的可控，从而通过优化设计可实现表面的阻抗完全匹配和透射的完全抑制，最终获得近100%的陷光方案。因此，它具有更高的光吸收效率、更高的可控性和更大的设计自由度，而且适用于各类薄膜太阳能电池。尤其是通过引入复合单元结构、多周期结构、叠层结构等设计，可以进一步扩大光吸收增强带宽，更有效的利用全太阳光谱的入射光。
附图说明
为了更好的说明本发明的目的，以下结合附图详细说明如后，其中：
图１为本发明基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的纵向剖面图；
图2为本发明一可选实施方案中基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的俯视图；
图3为本发明另一可选实施方案中基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的俯视图；
图4为本发明再一可选实施方案中基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的俯视图；
图5为本发明又一可选实施方案中基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的俯视图。
具体实施方式
本发明的一个方面在于提供一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，其从下至上依次包括衬底、金属平面电极、有源层、纳米结构电极层、透明导电薄膜和透明保护层。
其中，金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成亚波长超颖材料结构，通过电磁场数值分析方法优化超颖材料结构的介电常数ε和磁导率μ，使得超颖材料结构的阻抗等于或接近于376.7Ω，从而获得表面的阻抗匹配，抑制反射损耗，获得近100%完全陷光。
前述纳米结构电极层是二维的纳米周期结构，既作为超颖材料的表面电磁阻抗匹配层，又作为电极层。
前述纳米结构电极层的材料可选自金属和高掺杂的过渡金属氮化物等。
前述不同结构的纳米结构电极层结合不同材料有源层可以在器件平面内和/或垂直于器件平面方向嵌套级联，从而扩大光吸收增强的波段范围，并适合多结太阳能电池。
前述衬底包括玻璃、不锈钢等，用于支撑太阳能电池结构。
前述金属平面电极是一层连续的金属薄膜，厚度50-300nm，它既作为电极，又作为光反射层。
前述有源层可以是非晶硅/微晶硅、有机聚合物、量子点、化合物半导体和染料敏化电池等各类现有太阳能电池已应用的光吸收和载流子产生层材料，厚度为50-200nm。
前述纳米结构电极层是由导电材料形成的二维纳米周期结构，周期为200-400nm，厚度为50-200nm，例如，该周期结构可以是四方晶格、三角晶格等各类二维周期结构。
前述纳米结构电极层既作为超颖材料的表面电磁阻抗匹配层，又作为电极层。
前述纳米结构电极层中的纳米结构的每一个周期单元可以是简单单元也可以是复合单元，复合单元是几个在不同光谱范围具有光吸收增强效应的简单单元结构的叠加，且不同单元的周期一致，进一步扩大超颖材料完美吸收的带宽。
前述纳米结构电极层中的纳米结构可以是多周期结构，不同周期的单元嵌套起来，进一步扩大超颖材料完美吸收的带宽。
前述纳米结构电极层可以在垂直于层的方向依次的多次叠加，构成一个垂直于器件平面方向级联的超颖材料结构；通过将具有不同太阳光谱吸收带的材料在垂直于层的方向叠加形成多结电池结构，用以提高全太阳光谱光吸收效率并增加输出电压；同时不同层的纳米结构电极层包含针对其下有源层光吸收带对应优化设计的纳米周期结构，使得级联的超颖材料结构具有宽带光吸收特性。
前述透明导电薄膜可以是ITO等材料，用以提高载流子捕获效率，其厚度可以为50-100nm。对于垂直于器件平面方向级联的超颖材料结构，透明导电薄膜仅出现在最靠近光照表面的纳米结构电极层之上。
前述透明保护层是对太阳光谱透明的介质材料，例如宽禁带的金属氧化物TiO2，SiO2等，厚度可以为3-10nm。
前述金属平面电极层和纳米结构电极层中所涉及的金属材料可以选自金、银、铝、铜等。
作为本发明的另一个方面，前述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法可以包括如下步骤：
（1）在衬底上通过金属薄膜沉积的方法制备金属平面电极层；
（2）在金属平面电极层上通过有源层制备方法制备有源层；
（3）在有源层上通过薄膜沉积和微纳加工方法制作纳米结构电极层；
（4）在纳米结构电极层上通过介质薄膜沉积方法制备透明导电薄膜和透明保护层。
进一步的，前述步骤（1）中的金属薄膜沉积方法为热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等物理沉积方法。
进一步，前述步骤（2）中的有源层可以是非晶硅/微晶硅、有机聚合物、量子点、化合物半导体或染料敏化多孔材料等；不同材料体系的有源层中包括同质或异质的pn结，以实现光生载流子的分离。
进一步，前述步骤（2）中的有源层制备方法针对不同有源层材料有所不同，包括化学气相沉积（硅材料）、旋涂（有机聚合物、量子点、染料敏化多孔材料）或外延/键合（化合物半导体）等方法。
进一步，前述步骤（3）中的微纳加工方法，包括光刻/剥离、光刻/刻蚀或纳米压印等方法。
进一步，前述步骤（4）中的介质薄膜沉积方法为磁控溅射、化学气相沉积等方法。
进一步，前述步骤（3）中的薄膜沉积方法为上述提到的金属薄膜沉积方法和介质薄膜沉积方法。
不同于以前基于无序金属纳米颗粒或金属光栅的光吸收增强方法，本发明中利用的超颖材料结构不依赖于表面等离激元光学效应，而是通过在亚波长尺度下构建优化的多层金属/介质结构获得电磁参数的调控，实现表面的阻抗完全匹配和透射的完全抑制，从而获得近100%的陷光方案。
下面结合一较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明： 
参阅图1所示系本实施例基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池纵向剖面图，其包括衬底11、金属平面电极层22、有源层33、纳米结构电极层44、透明导电薄膜55和透明保护层66，图中箭头A所示系入射光。
该基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备工艺包括：首先在衬底11上通过金属薄膜沉积法制备金属平面电极层22，其中金属平面电极层22可以是金、银、铝和铜，优选银，因为其损耗最小。金属平面电极层22厚度要保证对透射光有足够的抑制作用，同时保证良好的电极特性，厚度为50-300nm。然后在金属平面电极层22上制备有源层33，此层包括pn结，是光吸收层，也是光生载流子产生层。根据材料体系不同，有源层33可以是非晶硅/微晶硅、有机聚合物、量子点、化合物半导体或染料敏化多孔材料等。对于硅材料，采用化学气相沉积法；对于有机聚合物、量子点和染料敏化多孔材料，采用化学合作方法制作出固体材料，随后分散到溶液，并采用旋涂的方法制备到金属平面电极层22上。利用数值计算方法优化有源层33厚度和纳米结构电极层44结构参数，获得最小的太阳光谱光反射和光透射损耗，这里的结构包括复合单元结构、多周期结构、级联结构等。最后在器件表面沉积透明导电薄膜55和透明保护层66。
参阅图2所示（略去透明保护层和透明导电薄膜，下同），作为一种可选的实施方案，前述纳米结构电极层44是二维的周期结构（两个垂直方向周期分别为p1和p2），可以是四方晶格、三角晶格等，单元结构可以是圆孔、圆盘、方形孔、直条、网格等。
参阅图3所示，作为另一种较佳的实施方案，前述纳米结构电极层44可以是复合单元的二维周期结构。每个单元由不同简单单元组成，也可以看作是相同周期的简单单元二维周期结构嵌套形成。
参阅图4所示，作为再一种较佳的实施方案，前述纳米结构电极层44可以是多周期的二维结构，由不同周期的二维周期结构嵌套形成（两个垂直方向周期分别为p1和p2，p3和p4）。
参阅图5所示，作为又一种较佳的实施方案，该基于超颖材料的多结薄膜太阳能电池的有源层33和纳米结构电极层44可以在垂直于器件平面方向依次重复叠加形成多层超颖材料结构，进而构成多结太阳能电池。每一有源层33材料可以具有不同的太阳光谱吸收带，例如有源层33-1为窄带隙的微晶硅，有源层33-2为宽带隙的非晶硅，有源层33-3可为更宽带隙材料；每一层纳米结构电极层44可以具有不同结构，针对性的优化设计使得相应波段的太阳光主要局域在下面紧临的有源层中，例如纳米结构电极层44-1将最低能量的入射光局域在有源层33-1内，纳米结构电极层44-2将中等能量的入射光局域在有源层33-2内，纳米结构电极层44-3将最高能量的入射光局域在有源层33-3内。
本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (7)

1.一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，其特征在于，它包括从下至上依次形成在衬底上的金属平面电极、复数有源层、复数纳米结构电极层、透明导电薄膜和透明保护层，该复数有源层和复数纳米结构电极层交替设置，所述金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成超颖材料结构，所述纳米结构电极层包括二维导电材料纳米周期结构；所述二维导电材料纳米周期结构包括在器件平面内和/或垂直于器件平面方向嵌套设置的两种以上周期单元，所述周期单元为在不同光谱范围内具有光吸收增强效应的两种以上简单单元的组合。
2.根据权利要求1所述的基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，其特征在于所述超颖材料结构的阻抗Z等于或接近376.7Ω，其中，ε、μ分别为超颖材料结构的介电常数和磁导率。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述二维导电材料纳米周期结构的周期为200-400nm，厚度为50-200nm。
4.根据权利要求3所述的基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述纳米结构电极层的材料至少选自金属和高掺杂的过渡金属氮化物中的任意一种。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述有源层厚度为50-200nm。
6.如权利要求1-5中任一项所述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：依次在衬底上形成金属平面电极层和有源层，其后，在有源层上形成导电材料薄膜，再通过微纳加工方法制作形成纳米结构电极层，而后，在纳米结构电极层上依次形成透明导电薄膜和透明保护层。
7.如权利要求6所述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)在衬底上通过金属薄膜沉积的方法制备金属平面电极层；
(2)在金属平面电极层上通过有源层制备方法制备有源层；
(3)在有源层上通过薄膜沉积和微纳加工方法制作纳米结构电极层；
(4)在纳米结构电极层上通过介质薄膜沉积方法制备透明导电薄膜和透明保护层。
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