CN103595344B - 一种共振背反射薄膜太阳能电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，包括依光路设置的分光聚焦部分和太阳能共振背反射结构，所述分光聚焦部分由三棱镜和正透镜组成，其特征是所述太阳能共振背反射结构的最上层作为太阳能电池工作介质的半导体薄膜，中间为低折射率透明电极或低折射率介质组成的间隔层，底层为由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜，半导体薄膜和间隔层的厚度采用曲边梯形设计或普通梯形设计。本发明能有效的降低薄膜太阳能电池中半导体薄膜层的厚度，从而降低薄膜太阳能电池的制作成本，并且增强半导体薄膜对太阳光的光吸收，提高太阳能电池的效率。

Description

一种共振背反射薄膜太阳能电池结构

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池结构，尤其涉及一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

光伏发电在过去十几年间得到了快速的发展，各种各样的太阳能电池不断涌现，其中薄膜太阳电池由于成本低，制作方便而引起了人们的广泛关注。薄膜太阳能电池中的半导体薄膜厚度薄，相比于硅晶圆太阳能电池可以大幅减少原料的用量，从而可以极大地降低太阳能电池的制作成本。同时，减小太阳能电池的厚度有利于减小太阳能电池的内阻，增加单位体积内的光生载流子数目，降低载流子复合所产生的损耗，从而可以大大提高太阳能电池的效率。此外，更薄的半导体薄膜制作更为简单，且有利于降低薄膜缺陷，增加半导体薄膜中的载流子迁移率。

然而在传统薄膜太阳能电池中若半导体薄膜厚度过薄，这时半导体薄膜厚度不足以将太阳光完全吸收，这将降低太阳能电池的转换效率。光吸收率与薄膜厚度成反比关系。这时可以采用在薄膜背面制作背反射镜，将透过的太阳光反射回半导体薄膜，从而增加薄膜的光吸收。但通常背反射镜对薄膜的光学吸收增强有限，所以为了保证光吸收率，不能大幅降低薄膜厚度，通常只能降低一半的薄膜厚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，本发明可在增强太阳能电池对太阳光的吸收的同时进一步降低太阳能薄膜中的半导体层厚度，实现有效地降低薄膜太阳能电池的成本，提高薄膜太阳能电池的效率。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，包括依光路设置的分光聚焦部分和太阳能共振背反射结构，其特征是所述分光聚焦部分由三棱镜和正透镜组成，所述太阳能共振背反射结构的最上层作为太阳能电池工作介质的半导体薄膜，中间为低折射率的间隔层，底层为背反射镜。

所述的间隔层为低折射率透明电极或低折射率介质。

所述背反射镜由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成。多层介质布拉格反射镜由两种介质交替构成，其折射率分别为和，介质层厚度采用普通梯形设计，最厚处两种介质的厚度分别为和，其中为半导体吸收波长长波极限，由半导体材料带隙决定，，是约化普朗克常数，c为真空光速；最薄处两种介质的厚度分别为和，其中为太阳能电池工作的短波极限。

作为本发明的进一步优选，所述半导体薄膜和间隔层的厚度采用曲边梯形设计。半导体薄膜的中心厚度，间隔层的中心厚度为；离中心x处的半导体薄膜厚度为，间隔层的厚度为，其中为相应波长下半导体薄膜的折射率，而 。

作为本发明的另一个优选方案，半导体薄膜和间隔层采用普通梯形设计。半导体薄膜的中心厚度，间隔层的中心厚度为；取较小的三棱镜顶角，利用小角度近似并忽略半导体薄膜色散时，离中心x处的半导体薄膜厚度，间隔层厚度；半导体薄膜和间隔层的截面梯度分别为。

本发明中通过三棱镜后波长为的单色光出射角度为，当较小时，其中A为三棱镜顶角，为三棱镜折射率。此单色光通过焦距为f的无色散的正透镜聚焦，单色光将汇聚于正透镜的焦平面处，且光斑的x坐标满足，当较小时，。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明基于目前极为成熟的多层膜技术，并采用简单有效的分光、聚焦系统，制作简单。且能有效的降低薄膜太阳能电池中半导体薄膜层的厚度，从而降低薄膜太阳能电池的制作成本。

2.本发明可以增强半导体薄膜对太阳光的光吸收，降低半导体薄膜层的厚度从而减小太阳能电池的内阻以及载流子复合等所造成的损耗。此外，太阳光将在半导体薄膜层内多次反射形成聚焦效应，这将增大半导体薄膜中的光密度，从而增加光生载流子密度。这些特点都将有利于提高太阳能电池的效率。

3.本发明可以应用于GaAs、CdTe、CuInSe2、非晶硅等各种薄膜太阳能电池，对太阳能电池的生产和推广使用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为实施例1所述太阳能电池的光谱吸收。

图3为实施例2所述太阳能电池的光谱吸收。

图4为实施例3所述太阳能电池的光谱吸收。

在图中1、三棱镜2、正透镜3、半导体薄膜4、间隔层5、背反射镜。

具体实施方式

如图1所示，一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，在光传播线路上依次设置三棱镜（1）、正透镜（2）、半导体薄膜（3）、间隔层（4）、背反射镜（5）。为便于理解，下面结合具体实施例进一步说明本发明的优选实施方式。

实施例1

分光、聚焦系统部分设计如下：三棱镜（1）采用重火石玻璃ZF₁材料，相应的折射率为，其中，，，波长单位为纳米。三棱镜（1）顶角30度，正透镜（2）是凸透镜，其焦距为20cm。通过此分光聚焦系统，400nm和870nm的聚焦光斑在焦平面上的间距为2.9cm。

太阳能共振背反射结构如下：半导体薄膜（3）由GaAs薄膜制成，宽度为3cm，间隔层（4）是ZnS薄膜，半导体薄膜（3）和间隔层（4）厚度为曲边梯形，离中心x处的半导体薄膜（3）厚度和间隔层（4）厚度分别为，而满足如下条件在本实施例中，此时半导体薄膜（3）最厚处为236nm，最薄处为73nm；间隔层（4）最厚处为167.3nm，最薄处为76.9nm。背反射镜（5）由多层交替介质布拉格反射镜构成，其折射率分别为1.46（SiO₂）和2.6（ZnS）。介质层厚度采用普通梯形设计，最厚处两种介质的厚度分别为149nm和77.7nm，最薄处两种介质的厚度分别为68.5nm和35.7nm。

通过计算模拟可得此GaAs薄膜对太阳光的吸收情况。具体结果参照图2中的201线。在本发明中，最厚处为236nm的GaAs薄膜对太阳光的吸收在400nm-870nm内对太阳光的吸收近似完全吸收，远好于1微米厚的无背光反射镜的GaAs薄膜（图2中202线），和1微米厚的普通背光反射镜的GaAs薄膜相当（图2中203线）。

实施例2

其中分光、聚焦系统部分设计如下：三棱镜（1）采用重火石玻璃ZF₁材料，相应的折射率为，其中，，，波长单位为纳米。顶角25度，正透镜（2）是凸透镜，其焦距20cm。通过此分光聚焦系统，350nm和750nm的聚焦光斑在焦平面上的间距为1.7cm。

太阳能共振背反射结构如下：半导体薄膜（3）由薄膜制成，宽度为1.7cm，间隔层（4）是ZnS薄膜，半导体薄膜（3）和间隔层（4）厚度为曲边梯形，离中心x处的半导体薄膜（3）厚度和间隔层（4）厚度分别为和，而满足如下条件:

在本实施例中，此时半导体薄膜（3）最厚处为102nm，最薄处为28.5nm；间隔层（4）最厚处为144nm，最薄处为67.3nm。背反射镜（5）由多层交替介质布拉格反射镜构成，其折射率分别为1.46（SiO₂）和2.6（ZnS）。介质层厚度采用普通梯形设计，最厚处两种介质的厚度分别为128nm和72.1nm，最薄处两种介质的厚度分别为59.9nm和33.7nm。通过计算模拟可得此薄膜对太阳光的吸收情况，具体结果参照图3。薄膜的吸收系数大于GaAs，最厚为102nm的薄膜层即可实现在350nm-700nm范围内太阳光的几乎完全吸收。

实施例3

其中分光、聚焦系统和背反射镜（5）与实施例1相同，半导体薄膜（3）由GaAs薄膜制成，宽度为3cm，间隔层（4）是ZnS薄膜，半导体薄膜（3）和间隔层（4）厚度为普通梯形，此时半导体薄膜（3）最厚处为237nm，最薄处为102nm；间隔层（4）最厚处为167.3nm，最薄处为76.9nm。通过计算模拟可得此半导体薄膜对太阳光的吸收情况。具体结果参照图4。在本实施例中GaAs薄膜对太阳光的吸收在585nm-815nm波长范围内对太阳光的吸收率大于80%。

实施例4

其中分光、聚焦系统与实施例1相同，背反射镜（5）使用铜箔；半导体薄膜（3）由GaAs薄膜制成，宽度为3cm，间隔层（4）是ZnS薄膜，半导体薄膜（3）和间隔层（4）厚度为普通梯形，此时半导体薄膜（3）最厚处为237nm，最薄处为102nm；间隔层（4）最厚处为167.3nm，最薄处为76.9nm。

Claims (2)

1.一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，包括依光路设置的分光聚焦部分和太阳能共振背反射结构，所述分光聚焦部分由三棱镜和正透镜组成，其特征是所述太阳能共振背反射结构的最上层作为太阳能电池工作介质的半导体薄膜，中间为低折射率的间隔层，半导体薄膜和间隔层的截面为曲边梯形或普通梯形，底层为的背反射镜；

半导体薄膜和间隔层的厚度采用曲边梯形或普通梯形设计，曲边梯形设计中半导体薄膜的中心厚度D＝kλ₀/2n_s(λ₀)，k为奇数，λ₀是由分光系统分光后入射到半导体薄膜中心处的波长，n_s(λ₀)为波长为λ₀时半导体层所对应的折射率，间隔层的中心厚度为d＝λ₀/2n_i(λ₀)，n_i(λ₀)为波长为λ₀间隔层所对应的折射率；距离中心x处的半导体薄膜厚度为kλ'/2n_s(λ')，λ'为是由分光系统分光后入射到距离半导体薄膜中心x处的波长，间隔层的厚度为λ'/2n_i(λ')，其中n_s(λ')为相应波长下半导体薄膜的折射率，而λ'满足

普通梯形设计中半导体薄膜的中心厚度D＝kλ₀/2n_s，k为奇数，λ₀是由分光系统分光后入射到半导体薄膜中心处的波长，n_s为波长为半导体层所的折射率，间隔层的中心厚度为d＝λ₀/2n_i，n_i为间隔层所对应的折射率；取较小的三棱镜顶角，利用小角度近似并忽略半导体薄膜色散时，离中心距离为x处的半导体薄膜厚度间隔层厚度 $d\left(x\right)\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2n_i}(1-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{fbA}x);$ 半导体薄膜和间隔层的截面梯度分别为 $\frac{{\mathrm{k\λ}}_0^3}{4n_{s}fbA}$ 和 $\frac{{\mathrm{\λ}}_0^3}{4n_{i}fbA},$ 其中f为透镜焦距，A为三棱镜顶角，b为三棱镜的色散系数。

2.根据权利要求1所述的一种共振背反射薄膜太阳能电池结构，其特征是背反射镜由两种介质交替构成，其折射率分别为n₁和n₂，介质层厚度采用普通梯形设计，最厚处两种介质的厚度分别为λ₁/4n₁和λ₁/4n₂，其中λ₁为半导体吸收波长长波极限，由半导体材料带隙E_g决定， 是约化普朗克常数，c为真空光速；最薄处两种介质的厚度分别为λ₂/4n₁和λ₂/4n₂，其中λ₂为太阳能电池工作的短波极限。