CN104064607A - 一种带有aao纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构 - Google Patents

Abstract

提出将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池结构中，设计制备了一种表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构。该陷光结构的表面减反结构由AAO和ITO构成，背反射结构由AAO、ITO、Ag构成。利用FDTD solution软件对AAO结构参数进行了优化。该陷光结构可有效地减少太阳能电池表面反射损耗，提高长波长光子在吸收层中的光程，从而增加薄膜硅太阳能电池在280-1100nm范围内的光吸收，吸收相对增强可以达到74.44％。由于AAO制作简便，成本低廉，适于批量生产，可以预计在不久的将来，AAO在薄膜硅太阳能电池应用上必将发挥更大的作用。

Description

一种带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构

所属技术领域

本专利发明的太阳能电池双重陷光结构由AAO(阳极氧化铝模板)纳米光栅组成，可直接应用于各类薄膜硅太阳能电池，进而提高太阳能电池光电转换效率。

背景技术

薄膜硅太阳能电池以其用料少、成本低的特点而备受人们青睐。但是与晶体硅电池相比，薄膜硅太阳能电池面临着光电转化效率较低的难题。一方面由于表面反射的存在，如果没有减反结构，30％以上的光将损失掉。另一方面随着Si吸收层厚度的减少，Si材料对光的吸收也会减少。例如当厚度从1mm减少到10um时，c-Si对光吸收的极限波长将从1108nm减少到800nm，这使得大量的光在没有被吸收之前就溢出了。为此，人们提出了各种不同的方法来提高薄膜硅太阳能电池的光电转换效率。其中表面制绒、纳米线、刻录表面光栅、利用表面等离子体效应、制造多层耦合结构等是常见的表面陷光方法。而由布拉格反射器(distributedbragg reflector，DBR)或金属背反射层和光栅构成的叠层光栅结构是常见的背部陷光方法。然而表面制绒等表面减反结构制备工艺复杂，条件苛刻、成本高，而叠层光栅等底部陷光结构的制备一般要涉及到刻蚀或平版印刷等工艺，这使得常见陷光结构不能得到广泛的应用。为此本专利提出一种简单经济、制备方便、适合批量生产的太阳能电池双重陷光结构。

发明内容

为解决金属光栅、表面制备复杂纳米结构等薄膜硅太阳能电池表面减反结构和DBR、叠层光栅背反射等背面陷光结构制备条件苛刻、成本高、不适合批量生产的难题，本专利设计提出了一种新型的太阳能电池双重陷光结构。具体发明内容如下：

(1)提出将AAO做为纳米光栅同时引入到薄膜硅太阳能电池表面和底部构成组合陷光结构。

(2)利用光的衍射干涉理论和FDTD solution软件理论分析并设计了最佳的AAO纳米光栅结构。

(3)太阳能电池表面减反结构由AAO纳米光栅、ITO导电玻璃两层结构组成，背反射器由AAO纳米光栅、银背反射层、ITO导电玻璃三层结构组成。

本发明专利的创新之处在于提出同时将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池表面减反结构和背反射器中。在表面减反结构中，利用AAO纳米光栅可得到大倾斜角的入射光，通过减少表面反射和提高光在硅中的传播路程来提高太阳能电池光电转换效率，仿真结果表明，在400-600nm的可见光范围内，AAO加入后可有效提高硅的光吸收率。在背反射器结构中，通过有效抑制零级衍射，可使光在太阳能电池内部上表面发生全反射，有效延长了光的传播路径实现捕光。银背反射层具有很高的反射率，可以将到达银背反射层的90％以上的光反射。

附图说明

图1AAO纳米光栅扫描电镜结构图

图2表面和底部都带有AAO纳米光栅的太阳能电池结构

图3FDTD仿真模型示意图

图4不同陷光结构下的吸收谱线模拟图

图5带有AAO纳米光栅的双重陷光结构制备工艺流程图(a)表面结构，(b)背反射器结构

具体实施方式

下面结合实例和图示对本发明专利做进一步的说明

实施例

本发明专利设计的双重陷光结构可应用于薄膜硅、晶体硅等各类太阳能电池。AAO纳米光栅结构如图1所示。AAO纳米光栅双重陷光太阳能电池结构如图2所示。

工作原理

AAO纳米光栅双重陷光结构主要是通过表面减反结构和背反射器结构实现的。其中，表面AAO主要相当于减反层，起到较少反射损耗的作用。此外，由于AAO的周期性多孔结构，可以被看成光栅，通过光栅对光的衍射作用，表面AAO在减少反射的同时还可以改变光在硅吸收层的传播方向，以提高光在硅中的传播距离。背反射器结构相当于衍射光栅，其作用主要是通过衍射作用将光衍射到吸收层，从而提高光在硅中的传播路程。值得注意的是，光栅对光路的调节可用光栅方程来说明，但由于零级衍射光在这里具有最小的光程，所以要通过控制光栅高度将零级衍射光消掉。

理论设计

2hn＝(2k+1)λ/2 (1)

nP(sinα+sinβ)＝mλ (2)

对于衍射和干涉，可以用减反层设计公式(1)和光栅方程(2)解释。上式中，h是光栅高度，λ是涉及到的中心波长，n是涉及到的折射率，这里取Si，AAO的折射率为3.5和1.76，m是衍射级数，k是干涉级数，α和β是入射角和衍射角。

(a)表面AAO厚度确定：取中心波长为532nm，为了得到最佳的减反效果，由(1)式可以得到，表面最佳的AAO厚度为h＝λ/4n＝75.5nm。对表面AAO周期和占空比的优化需要仿真得到。

(b)背部AAO周期确定：取中心波长为1100nm，由(2)式可以得到，为了使±1级的衍射角达到±90°实现全反射，故α＝0，因此，光栅周期P为P＝1100/3.5＝314.28nm。对背面AAO厚度和占空比的优化需要仿真得到。

FDTD仿真

为了优化表面和底部AAO结构参数，FDTD软件被用来计算带有AAO陷光结构的1um厚硅材料的吸收短路电流密度(J_sc)。采用的仿真软件是Lumerical公司开发的FDTD Solutions软件。仿真模型如图3所示，定义相邻两个AAO的孔中心之间的距离为AAO的周期P，AAO的厚度为h，在一个周期中AAO的孔径所占的比例为占空比f。选用的光源是波长范围为280-1100nm的平面波，入射方向为垂直入射。反射谱监视器放在光源上方，研究表面带有AAO时透射谱监视器放在Si吸收层下表面处，研究底部带有AAO结构和组合结构时透射谱监视器放在AAO下表面和Ag背反射层的交界面处。在x轴和y轴方向选用的是周期性边界条件，x-y平面的仿真区域选取一个矩形，其中心同AAO孔中心重合，边长等于一个AAO的周期。在z轴方向选用的是完全匹配层(perfectly matched layers，PML)条件。z轴的仿真区域覆盖整个监视器、光源、吸收层、陷光结构所构成的范围。研究表面AAO参数对光吸收的影响时选用图3(a)，研究底部AAO参数对光吸收的影响时选用图3(b)，研究组合结构时选用图3(c)。通过仿真可以得到带有AAO陷光结构的1000nm厚的c-Si的透射谱T(λ)和反射谱R(λ)。通对数据的积分处理可以得到不同AAO参数下的短路电流密度，其计算公式是

$J_{\mathrm{sc}}=\mathrm{e\η}{\∫}_{280}^{1100}A\left(\mathrm{\λ}\right)I_{\mathrm{AM}15}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

上式中e是电子电量，η是载流子收集效率(在这里取极限条件η＝1)，A(λ)＝1-R(λ)-T(λ)是仿真得到的吸收系数，I_AM1.5是太阳能电池的能量密度谱线。以J_sc作为参数就可以优化AAO结构。仿真结果表明AAO纳米光栅作为太阳能电池表面减反结构，其最佳尺寸为光栅周期P为440nm，光栅高度h为75nm，占空比f为0.5。仿真结果表明AAO纳米光栅作为太阳能背反射器结构，其最佳尺寸为光栅常数P为380nm，光栅厚度h为90nm，占空比f为0.75。图4显示了不同陷光结构下的吸收谱线模拟图，从图4中可以看出，与无陷光结构的薄膜硅太阳能电池相比，无论是表面还是底部AAO都能加强太阳能电池的光吸收。上表面AAO可以加强280-600nm范围内的吸收，而底部AAO和Ag背反射结构可以加强500-1100nm范围内的光吸收，在组合结构下，280-1100nm范围内的光吸收都会被加强。对图4做积分处理，可得到不同组合结构下的吸收率，结果如表1所示。从表1中可以看出，不同陷光结构对光吸收的影响不同，组合结构下光吸收率可达到64.37％，与裸硅相比，相对增强为74.44％。

表1不同陷光结构下的吸收率

	吸收率	相对增强
			裸硅	36.90％
表面AAO	54.54％	47.80％
			底部AAO	45.33％	22.85％
组合陷光结构	64.37％	74.44％

工艺流程

带有AAO纳米光栅的太阳能电池双重陷光结构制备工艺流程如图5(a)、(b)所示。

表面结构：首先在透明导电ITO上采用真空镀膜或磁控溅射的方法镀钛保护膜，然后在钛上镀一层厚度小于1μm厚的铝膜，而后采用二次阳极氧化技术，通过控制氧化时间、电压和扩孔等工艺，制备所需的AAO纳米光栅结构。

背反射器结构：首先在透明导电ITO上采用真空镀膜或磁控溅射的方法镀银背反射层，然后在银上镀一层厚度小于1μm厚的铝膜，而后采用二次阳极氧化技术，通过控制电解质种类、氧化时间和电压，制备所需的AAO纳米光栅。

Claims (8)

1.一种带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，由表面AAO减反结构和背面AAO、Ag背反射结构组成。

2.根据权利要求1所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中表面AAO减反结构由AAO纳米光栅、ITO导电玻璃两层结构组成。

3.根据权利要求2所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中表面AAO减反结构的特征是AAO的制备过程中将Ti镀在ITO和AAO之间，Ti的厚度不得大于20nm。

4.根据权利要求1所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中背面AAO、Ag背反射结构由AAO纳米光栅、银背反射层、ITO导电玻璃三层结构组成。

5.根据权利要求4所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中背面AAO、Ag背反射结构的特征是将Ag镀在ITO上，Ag的厚度不得小于30nm。

6.根据权利要求1所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中AAO纳米光栅都是通过两步阳极氧化得到。

7.根据权利要求1所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其特点是AAO尺寸可调节，在制备过程中要求按照说明书中的尺寸制备AAO纳米光栅。

8.根据权利要求1-7所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其特征是可用于多晶硅、单晶硅、薄膜硅等多种太阳能电池。