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一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，由两种结构不同的光子晶体叠加构成，其结构为[A/B]mAE[C/D]nC，其中A、B、C、D、E的厚度分别为d1=50nm，d2=100nm，d3=70nm，d4=140nm，d5=120nm，m、n为两种光子晶体的周期数，m取3，n取4。其制备方法是：RF-PECVD法在普通载玻片上交替沉积a-Si:H和a-C薄膜。本发明的碳基光子晶体背反射器，具有一维光子晶体全角反射，可实现600—1300nm光波段平均75%的反射率，增加光波在太阳能电池吸收层中的传播光程，提高光子利用效率，增加光电流密度和光电转换效率。制备工艺简单。

Description

一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器及其制备方法
  
技术领域
本发明涉及一种碳基光子晶体背反射器，特别是一种用于太阳能电池的碳基光子晶体背反射器及其制备方法，属于光伏器件制造技术领域。 
背景技术
在太阳能电池中，尤其是硅基薄膜太阳能电池，都采用背反射器来增强太阳能电池的光陷作用，使更多的光子充分地被电池的吸收层吸收，从而提高太阳能电池的转换效率。目前最常用的是金属反射器和介质反射器，然而金属反射器因吸收较大而无法获得高反射率，介质反射器则因使用波长范围窄及对光线入射方向较为敏感而难以实现全角度反射。由于光子晶体可以通过设计不同结构，来控制光子禁带，从而实现对不同波长电磁波的反射，光子晶体所用材料多为低吸收系数的介电材料，因此反射率较高，可达99%以上。而一维光子晶体较二维和三维光子晶体结构简单、更易于制备。2009年J. Krc, M. Zeman, S. L. Luxembourg, and M. Topic1在Applied Physics Letters上发表的文章Modulated photonic-crystal structures as broadband back reflectors in thin-film solar cells中提出调制光子晶体背反射器，该反射器使用n-a-Si:H和ZnO:Al复合结构的一维光子晶体[n-a-Si:H/ZnO:Al]3[ n-a-Si:H/ZnO:Al]4，但其工作范围为600~1000nm，还不能覆盖能够穿透硅基薄膜太阳能电池的波长范围。A.Mouldi 等（Design of an omnidirectional mirror using one dimensional photonic crystal with graded geometric layers thicknesses，Optik.2012,Vol:123，125-131）提到使用材料厚度渐变的方法获得较宽禁带，但是这种方法所需晶体周期数较多，结构较为复杂。20120139917.0专利申请公开了一种基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器，但其工作范围仅覆盖全可见光波段，高反射带范围窄，不能用来作为薄膜太阳能电池背反射器。201210184423.4专利申请公开了一种基于光子晶体的近紫外至近红外光波段全角度反射器，其工作范围为375nm~893nm，波长范围也不能符合薄膜太阳能电池背反射器的工作要求。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，可实现600nm~1300nm光波段的高反射，解决了现有Al背反射器吸收大和介质反射器高反射带窄，导致太阳电池效率低的问题。 
本发明的目的还在于提供一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器的制备方法。 
本发明的原理是这样的：通过调整光子晶体的结构和周期数对光子晶体结构进行优化，将会发现在较大范围内出现完全光子禁带，而在此基础上叠加另一种光子晶体，将会发现最终的禁带将是两种光子晶体禁带的叠加。本发明采用的是频域叠加原理，即由具有不同频段禁带范围的光子晶体相叠加，以展宽禁带范围，实现超宽高反射带的用于太阳能电池的碳基光子晶体背反射器。 
具体的，本发明的一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，由结构为[A/B]m A和[C/D]n C的两种光子晶体叠加构成，两种光子晶体之间有一缓冲层E，反射器的结构为[A/B]m A E[C/D]n C，其中： 
第一光子晶体[A/B]m A中，材料A的折射率为3.83，材料B的折射率为1.8，光子晶体的晶格常数d=150nm，单个周期内A的厚度d1=50nm，B的厚度d2=100nm，周期数m取3；
第二光子晶体[C/D]n C中，材料C的折射率为3.83，材料D的折射率为1.8，光子晶体的晶格常数d=210nm，单个周期内C的厚度d3=70nm， D的厚度d4=140nm，周期数n取4；
缓冲层E的折射率为1.8，厚度为d5=120nm。
本发明发现，当选择周期数m=3，n=4时，并且在第一光子晶体与第二光子晶体之间加进一层缓冲层E，材料E的折射率为1.8，厚度为d5=120nm时，该碳基光子晶体背反射器可在600nm~1300nm光波段实现较好的反射特性，反射率平均为75%。 
本发明所说的用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，构造所述碳基光子晶体背反射器的介电材料A和C是a-Si:H，B、D和E是a-C。 
本发明的一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器的制备方法包括以下步骤： 
（1）制备第二光子晶体（P2）：利用射频等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备P2，在普通载玻片上沉积一层设计厚度的介电材料C，按以上方法再交替沉积n个周期的[C/D]；
（2）制备缓冲层E：在步骤（1）所制备P2的基础上沉积一层设计厚度的介电材料E；
（3）制备第一光子晶体（P1）：在以上基础上沉积一层设计厚度的介电材料A，然后再交替沉积m个周期的[A/B]。
本发明取得的有益效果是：本发明提供的一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器结构简单，可实现600~1300nm光波段的反射，且反射率可以达到75%，在薄膜太阳能电池中应用，可以提高太阳能电池的光电转换效率。本发明涉及的原料低廉，制备方法简单，成分均匀，生产工艺成熟。 
附图说明
图1为本发明用于太阳能电池的碳基光子晶体背反射器的结构示意图。 
图1中：第一光子晶体P1的结构为[A/B]m A，表示A、B两种不同的介电材料依次m个周期排列后再排列一层介电材料A，其中d1为介电材料A的厚度，d2为介电材料B的厚度，d1+d2=d为第一光子晶体的晶格常数；第二光子晶体P2的结构为[C/D]n C，表示C、D两种不同的介电材料依次n个周期排列后再排列一层介电材料C，其中d3为介电材料C的厚度，d4为介电材料D的厚度，d3+d4=d为第二光子晶体的晶格常数；P1与P2之间的E层为缓冲层，其中d5为介电材料E的厚度。 
图2为第一光子晶体P1的结构示意图。 
图3为当光线5度角入射时，结构为[A/B]3A的第一光子晶体P1的反射谱，其反射率近乎100%的禁带范围为600nm~900nm。 
图4为第二光子晶体的结构示意图。 
图5为当光线5度入射时，结构为[C/D]4C的第二光子晶体的反射谱，其反射率大于90%的禁带范围为900nm~1300nm。 
图6为当光线5度入射时，晶体结构为[A/B]m A E[C/D]n C的背反射器的反射谱，反射率平均为75%的禁带范围为600nm~1300nm。 
具体实施方式
    以下实施例用于说明本发明。 
本实施例用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器的结构模型为两种光子晶体的级联。其第一光子晶体结构为[A/B]m A，有3个周期结构，第二光子晶体结构为[C/D]n C，有4个周期结构。E为第一光子晶体与第二光子晶体之间的缓冲层。介电材料A与C相同，折射率为3.83，B、D和E相同，折射率为1.8。不同的是介电材料的厚度，第一光子晶体中介电材料的厚度分别为d1=50nm，d2=100nm；第二光子晶体中介电材料的厚度分别为d3=70nm，d4=140nm；缓冲层E的厚度为d5=120nm。 
本实施例选用常用的非晶氢化硅（折射率为3.83）和非晶碳（折射率为1.8）为介电材料，按照[a-Si:H/a-C]3 a-Si:H a-C [a-Si:H/a-C]4 a-Si:H的结构，选择普通载玻片作为光学基片，PECVD—400型的真空镀膜机采用射频电源类型，在光学基片上依次交替沉积17层：第1、3、5、7、9层是厚度为70nm的a-Si:H层，第2、4、6、8层是厚度为140nm的a-C层，第10层是厚度为120nm的a-C层，第11、13、15、17层是厚度为50nm的a-Si:H层，第12、14、16层是厚度为100nm的a-C层。这样在光学基片上按照表1从下至上依次生长所需厚度的a-Si:H、a-C共17层薄膜，从而制备出反射率光频率范围为600nm~1300nm的反射器。 
表1   一维碳基光子晶体背反射器各层介电材料及镀膜厚度 
Figure 201310014013X100002DEST_PATH_IMAGE001

Claims (4)

1.一种用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，其特征在于由结构为[A/B]m A和[C/D]n C的两种光子晶体叠加构成，两种光子晶体之间有一缓冲层E，反射器的结构为[A/B]m A E[C/D]n C，其中：
第一光子晶体[A/B]m A中，材料A的折射率为3.83，材料B的折射率为1.8，光子晶体的晶格常数d=150nm，单个周期内A的厚度d1=50nm，B的厚度d2=100nm，周期数m取3；
第二光子晶体[C/D]n C中，材料C的折射率为3.83，材料D的折射率为1.8，光子晶体的晶格常数d=210nm，单个周期内C的厚度d3=70nm， D的厚度d4=140nm，周期数n取4；
缓冲层E的折射率为1.8，厚度为d5=120nm。
2.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，其特征是构造所述碳基光子晶体背反射器的介电材料A和C是a-Si:H，B、D和E是a-C。
3.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器，其特征是所述碳基光子晶体背反射器的工作波长范围为600nm~1300nm。
4.一种制备如权利要求1所述用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制备P2：利用射频等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备P2，在普通载玻片上沉积一层设计厚度的介电材料C，按以上方法再交替沉积n个周期的[C/D]；
（2）制备缓冲层E：在步骤（1）所制备P2的基础上沉积一层设计厚度的介电材料E；
（3）制备P1：在以上基础上沉积一层设计厚度的介电材料A，然后再交替沉积m个周期的[A/B]。
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