CN103094375A - 一种新型铝纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池 - Google Patents

一种新型铝纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型铝纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池，属于光伏技术领域。其特征是利用磁控溅射设备在真空腔体内沉积铝膜，然后进行原位退火或氮气保护退火形成铝纳米颗粒阵列，以此激发表面等离激元，无需光刻技术。通过调节铝纳米颗粒尺寸及密度调控表面等离激元的共振频率，进而与薄膜太阳电池有源层的禁带宽度(1.2-1.7ev)进行优化匹配，利用其近场增强效应和散射效应提高光吸收，从而提高太阳电池的效率。克服了传统薄膜太阳电池陷光技术中由于采用织构而导致的载流子表面复合、有源层缺陷态密度增大的问题，且不需要湿法刻蚀、光刻等复杂工艺，因此大大降低太阳电池的成本。

Description

一种新型铝纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池
技术领域
本发明涉及一种基于铝纳米颗粒表面等离激元增强效应的太阳能电池，属于光伏技术领域。 
背景技术
现有薄膜太阳电池的陷光技术主要集中在以下两方面：用绒面结构的前电极增强光的散射以减小反射损失；电池背面采用织构背反射器。尽管这些陷光结构在一定程度上可以把入射光子，最终限制在电池内部，由多次吸收产生更多的光生载流子，从而提高电池的短路电流。但这种技术也存在着极大的问题：(1)这种织构或绒面结构的薄膜上生长的有源层的缺陷态密度较大，从而导致电池的开路电压和填充因子降低；(2)由于织构而导致的表面积的增大会增加载流子的表面复合；(3)不能与有源层的禁带宽度进行匹配。 
发明内容
为解决现有薄膜太阳电池陷光技术的不足，本发明提供一种基于新型铝纳米颗粒表面等离激元陷光技术的太阳电池，克服了由于织构而导致的载流子表面复合、有源层缺陷态密度增大以及不能与有源层禁带宽度进行匹配的问题，可有效地提高太阳电池的光吸收，从而提高其光电转换效率。 
本发明涉及一种新型铝纳米颗粒表面等离激元陷光技术的太阳电池，其特征是在不锈钢衬底上，沉积一层透明导电薄膜，透明导电膜上是铝纳米颗粒，颗粒的形态可以为球形，棱柱形，以此在该区域激发表面等离激元；铝颗粒上是常规NIP结，其材料可以是硅薄膜或硅锗合金薄膜；结上面是一层极薄的高阻氧化锌薄膜；氧化锌薄膜上面仍为铝纳米颗粒，颗粒的形态可以为球形，椭球形，棱柱形，用以在该区域激发表面等离激元；铝纳米颗粒表面等离激元上面是透明电极。 
本发明所采用的技术方案是：第一，在不锈钢衬底上，利用磁控溅射设备沉积铟锡氧(ITO)或掺铝氧化锌(AZO)透明导电薄膜；第二，利用磁控溅射设备在透明导电薄膜上沉积铝膜；铝膜的厚度及微结构可通过溅射过程中的气体压强、功率密度、衬底温度及沉积时间进行调控；第三，通过真空退火或氮气气氛保护退火形成铝纳米颗粒，铝纳米颗粒的形状、密度、尺寸可由铝膜厚度、退火温度及退火时间来控制，无需光刻工艺；铝纳米颗粒阵列可有效的激发表面等离激元，起到近场增强效应和增大散射作用；第四，在铝纳米颗粒阵列上用化学气相沉积法制备常规NIP结，其材料可以是硅薄膜或硅锗合金薄膜；第五，在结上用磁控溅射法沉积一层极薄的氧化锌薄膜；第六，在氧化锌薄膜上沉积铝纳米颗粒，以此激发表面等离激元，制备方法与二同；第七，在铝纳米颗粒阵列上沉积透明电极，制备方法与一同。 
本发明的有益效果是(1)克服了传统薄膜太阳电池中由于织构而导致的载流子表面复合、有源层缺陷态密度增大的问题；(2)以铝纳米颗粒激发表面等离激元，同时起到了近场增强效应和增大散射作用，因此可大大提高光吸收，进而提高太阳电池的效率；(3)可通过调控表面等离激元的共振频率，灵活的将表面等离激元与有源层禁带宽度进行优化匹配；(4)无需采用光刻工艺，因此成本低。 
附图说明
下面，结合附图和实施例对本发明做进一步说明 
附图是新型铝纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池的结构示意图 
1.不锈钢衬底； 
2.透明导电薄膜，可以是AZO或ITO薄膜，作为太阳电池的一个电极； 
3.铝纳米颗粒阵列，其形态可以为球形，椭球形，棱柱形； 
4.NIP结，可以是硅或硅锗合金薄膜； 
5.极薄的高阻氧化锌薄膜； 
6.铝纳米颗粒阵列，其形态可以为球形，椭球形，棱柱形； 
7.透明电极，可以是AZO或ITO薄膜，作为太阳电池的另一个电极。 
具体实施方式
如图1，在不锈钢衬底(1)上，利用磁控溅射设备在真空腔体内沉积ITO或AZO透明导电薄膜(2)，本底真空度达到6*10-4Pa，薄膜厚度在50-100nm之间；在同一溅射真空腔内沉积铝膜，沉积气压为0.8-3Pa，衬底温度为120℃-200℃，薄膜厚度在15nm-60nm之间；将铝膜进行原位退火或在氮气保护下退火，退火温度维持在300℃-400℃，退火时间为1.5-3小时，形成铝纳米颗粒阵列(3)，其尺寸在20-60nm之间，可通过延长退火时间降低其密度，无需采用光刻技术；在铝纳米颗粒阵列上采用化学气相沉积法制备常规NIP结(4)，其材料可以是硅薄膜或者硅锗合金薄膜；在NIP结上用磁控溅射设备沉积5-15nm的高阻ZnO薄膜(5)，沉积气压为1-2Pa，衬底温度为200℃左右；在高阻ZnO薄膜上制备铝纳米颗粒阵列(6)，制备方法与(3)同，但颗粒尺寸应在15nm-30nm左右；铝纳米阵列(3)与(6)可激发表面等离激元，表面等离激元的共振频率可通过调节颗粒尺寸及密度进行调控，进而可与有源层的禁带宽度(1.2-1.7ev)进行优化匹配；最后制备透明电极(7)，制备方法与(2)相同。 

Claims (6)

1.本发明涉及一种新型铝纳米颗粒表面等离激元增强太阳电池，其特征是在不锈钢衬底上，沉积一层透明导电薄膜，透明导电膜上是铝纳米颗粒，颗粒的形态可以为球形，椭球形，棱柱形，以此在该区域激发表面等离激元；铝颗粒上是常规NIP结，其材料可以是硅薄膜或硅锗合金薄膜；结上面是一层极薄的高阻氧化锌薄膜；氧化锌薄膜上面仍为铝纳米颗粒，颗粒的形态可以为球形，椭球形，棱柱形，用以在该区域激发表面等离激元；铝纳米颗粒表面等离激元上面是透明电极。
2.根据权利要求1中所述的太阳电池，其特征是以铝纳米颗粒阵列激发表面等离激元，颗粒形态可以为球形，椭球形，棱柱形，表面等离激元分别位于太阳电池的两个透明电极。
3.根据权利要求1中所述的太阳电池，其特征是利用磁控溅射法在真空腔体内沉积铝膜，然后进行原位退火或氮气保护退火形成铝纳米颗粒阵列，无需光刻技术。
4.根据权利要求1中所述的太阳电池，其特征是通过调节铝纳米颗粒尺寸及密度调控表面等离激元的共振频率，进而与有源层的禁带宽度(1.2-1.7ev)进行优化匹配。
5.根据权利要求1中所述的太阳电池，其特征是传统NIP结上面是一层厚度为5-15nm的高阻氧化锌薄膜。
6.根据权利要求1中所述的太阳电池，其结构特征是：不锈钢衬底/透明导电薄膜/铝纳米颗粒阵列(激发表面等离激元)/NIP结/高阻氧化锌膜/铝纳米颗粒阵列(激发表面等离激元)/透明电极。 
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