CN104201228A - 宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,所述的陷光结构由截面积为椭圆形的半导体纳米线并行排列形成纵向阵列,而且相邻椭圆纳米线在截面上的长轴之间相互有一定的角度,该角度>0°,且≤90°。这种具有宽光谱宽角度高陷光效率的椭圆半导体纳米线阵列结构及其设计方法,相比以往的圆形半导体纳米线阵列结构,在太阳光谱长波段和短波段的吸收效率均有了显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及光伏领域,为一种高效光调控器件的微纳结构,具体涉及一种在太阳光谱范围内具有大的光吸收效率的微纳结构及其设计方法,在高效光伏探测器件、薄膜太阳能电池方面有应用前景。
背景技术
半导体纳米线阵列构成的薄膜太阳能电池具有低反射损耗,优良的光俘获性能。与常规半导体太阳能电池或薄膜太阳能电池相比可节省原料,降低成本,因此受到人们的广泛关注。半导体纳米线阵列可设计成轴向光吸收,径向电荷收集的形式。使轴向有大的光吸收长度,而径向有小的电荷收集距离,从而实现既具有高的光吸收效率,同时又具有高的载流子收集效率的电池结构。通过对纳米线阵列的周期、纳米线直径、长度、以及排列等方面进行优化,可有效地提高半导体纳米线阵列薄膜太阳能电池的光捕获效率。在纳米线阵列薄膜太阳能电池设计中,纳米线的直径是一个重要的参数,在其它几何参数固定不变的条件下,较小的纳米线直径有助于降低半导体纳米线阵列的等效折射率,从而提升电池结构在短波太阳光谱的吸收效率,而较大的纳米线直径,则会引入更多的共振模式,从而增加长波太阳光谱的吸收效率。
现有的纳米线阵列设计仅涉及纳米线截面为圆形的半导体纳米线阵列,或者半导体纳米线阵列虽为椭圆形截面,但所有纳米线的长轴均相互平行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,为一种可应用于太阳能电池的宽光谱宽角度高陷光效率纳米线阵列结构及其设计方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是:一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,所述的陷光结构由截面积为椭圆形的半导体纳米线(以一定间隔)并行排列形成纵向阵列,而且相邻(最近邻)椭圆纳米线的长轴之间相互有一定的角度,该角度>0°,且≤90°。
椭圆纳米线的长轴指的是纳米线的截面方向上的椭圆形的长轴。
这种结构中,相邻椭圆纳米线的长轴之间有一定角度,有助于增强纳米线中共振吸收模式之间的耦合。
所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度优选为50°~ 90°。
所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度进一步优选为60°~ 90°。
所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度最佳为65°~ 75°。
所述的纳米线阵列的周期为400~800nm,椭圆纳米线的长轴和短轴的范围均为300~600nm。
如果将纳米线阵列在截面方向上以方格进行等分,每个方格内均有一根椭圆纳米线,方格的边长即可视作纳米线阵列的周期。
所述的椭圆纳米线的长轴与短轴长度比(长短轴比)为(1.05 ~ 2) : 1。
所述的长短轴比优选为(1.3 ~ 1.7) : 1。
所述的长短轴比最优选为(1.4 ~ 1.6) : 1。
椭圆截面纳米线具有适当的长短轴比,椭圆纳米线在短轴方向上的较小尺寸还更有利于电荷的收集。
椭圆纳米线的长轴与纳米线阵列周期x轴间的夹角为0~90°。该定义只是为了方便文中对椭圆纳米线自转的描述,椭圆纳米线长轴与周期x轴间的夹角即为纳米线的自转角度。
当相邻椭圆纳米线的长轴相互垂直时,椭圆纳米线的长轴与纳米线阵列周期x轴间的夹角优选为15°~ 30°,或60°~ 75°。
本发明所设计的宽光谱宽角度高效椭圆纳米线阵列,还可以通过调整半导体纳米线相对于其自身轴线的转动角度(即相对于周期x轴的转动角度),从而改变相邻纳米线表面之间的相对距离,进一步改善结构对入射光的吸收。
若相邻椭圆纳米线的长轴相互垂直,将相邻椭圆纳米线与阵列周期x轴间的夹角分别标记为θ及φ,则θ = 0~90°,φ= 90°-θ。
所述的椭圆纳米线的长度为0.3 ~ 5μm。
所述的椭圆纳米线的长度优选为1 ~ 5μm。
本发明涉及的半导体纳米线材料可以是硅,还可以是磷化铟,砷化镓等。在具体实施方式中以硅为例予以说明。
用极限效率η来评价不同纳米线阵列结构的陷光性能,其定义为:
,
其中,I(λ)是太阳能AM1.5D光谱密度,A(λ)是吸收系数,λ g 是与晶体硅的禁带宽度相对应的波长。
本发明的有益效果是:
本发明的具有宽光谱宽角度高陷光效率的椭圆半导体纳米线阵列结构及其设计方法,相比以往的圆形半导体纳米线阵列结构,在太阳光谱长波段和短波段的吸收效率均有了显著提高,可应用于太阳能光伏领域。
附图说明
图1是宽光谱宽角度椭圆截面纳米线阵列示意图,其中,图(a)是立体图,图(b)是垂直于纳米线的截面图。
图2 是宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列的极限吸收与椭圆纳米线阵列的长轴和短轴长度间的关系。图中虚线标示了硅纳米线横截面与阵列周期平方之比(即填充系数f)为常数的位置。
图3是相应于图2中A、B、和C三个位置的硅纳米线阵列结构的吸收光谱。
图4是圆形和椭圆纳米线阵列结构的极限吸收与阵列周期之间的关系。
图5是圆形和椭圆纳米线阵列结构的极限吸收与纳米线长度之间的关系。
图6是相邻椭圆纳米线的长轴相互垂直时,宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列的极限吸收与椭圆纳米线长轴绕x轴自转角度的关系。
图7是相应于图6中椭圆纳米线长轴绕x轴自转(a)0°,(b)25°,和(c)45°时纳米线阵列的示意图。
图8是宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列的极限吸收与相邻纳米线长轴之间夹角的关系。
图9是相应于图8中相邻纳米线长轴之间夹角为(a) 90°,(b) 45°,和(c) 0°时纳米线阵列的示意图。
图10是圆形和椭圆纳米线阵列结构的极限吸收与太阳光入射角度之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构进行具体说明,半导体材料以硅为例,也可为其他材料。
实施例1
如图1所示,椭圆纳米线阵列的周期标记为a,椭圆纳米线在截面上的长轴和短轴分别标记为d ma和d mi,相邻椭圆纳米线的长轴相对于阵列周期x轴的旋转角度分别标记为θ和φ。当θ + φ=90°时(图1(b)所示),该相邻纳米线长轴之间相互垂直;而当θ–φ=0°时,该相邻纳米线长轴之间相互平行。
以周期a= 600nm进行设计,椭圆纳米线的长短轴比选取不同的数值,计算相应的纳米线阵列的极限吸收,如图2所示。位置A处为长轴和短轴分别为550nm和375nm的椭圆纳米线(长短轴比1.47 : 1),位置B和位置C处分别为直径454nm和550nm的圆形纳米线(参比纳米线阵列)。图 2中不同的颜色深浅表示不同的极限吸收,颜色趋浅表示吸收效率增大,趋深则表示吸收效率减小,虚线位置表示具有相同的填充系数。比较椭圆纳米线阵列的吸收效率(偏离斜边的位置)与圆形纳米线阵列的吸收效率(斜边上的位置)。在偏离斜边的区域寻找到极限吸收最大的位置(A点,28.22%),斜边上和该位置具有相同的填充系数的位置(B点,25.05%),以及斜边上极限吸收最大的位置(C点,25.43%)。结果是:在纳米线长短轴分别是550nm和375nm时,椭圆纳米线阵列的极限吸收达到最大,和相同填充系数的圆形纳米线阵列结构相比增大了16%。
椭圆纳米线阵列宽光谱吸收的验证。具体计算图2中相应于A、B、和C点处在太阳光谱范围(300 ~ 1100nm)的吸收光谱,如图3所示。得到在此光谱范围内,椭圆纳米线阵列(A点)的吸收系数高于具有相同的填充系数的圆形纳米线(B点)的吸收系数,也高于具有最大极限吸收的圆形纳米线(C点)。
实施例2
椭圆与圆形纳米线阵列在其他阵列周期时的极限吸收的比较。对周期为400 ~ 800nm的阵列进行与实施例1相同的设计,如图4所示。图中阵列结构的填充系数均为0.45,椭圆纳米线阵列中纳米线长短轴比是550/375。结果是:椭圆纳米线阵列比圆形纳米线阵列的极限吸收高出10 ~ 30%。
图4中,自转0°表明相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 0°及φ= 90°。自转25°表明相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 25°及φ= 65°。
实施例3
椭圆与圆形纳米线阵列在其他纳米线长度时的极限吸收。对纳米线长度为300 ~ 5000nm的阵列进行与实施例1相同的设计,如图5所示。图中阵列结构的填充系数均为0.45,椭圆纳米线阵列中纳米线长短轴之比是550/375。结果是:得到椭圆纳米线阵列比圆形纳米线阵列其极限吸收高出9 ~ 22%。
图5中,自转0°表明相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 0°及φ= 90°。
实施例4
自转不同角度的椭圆纳米线阵列的设计。使纳米线阵列中的椭圆纳米线绕其轴自转不同的角度,并计算相应的极限吸收,结果如图6所示。在旋转角为25°时(即相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 25°及φ= 65°。),得到最大极限吸收为29.2%。图7是相应于图6中椭圆纳米线长轴绕x轴自转(a)0°,(b)25°,和(c)45°时纳米线阵列的示意图。
实施例5
相邻纳米线长轴之间的夹角在90° ~ 0°之间的椭圆纳米线阵列的设计。使纳米线阵列中相邻椭圆纳米线长轴之间的夹角变化不同的角度,并计算相应的极限吸收,结果如图8所示。结果是:当相邻椭圆纳米线长轴间的夹角为50°~ 90°时,极限吸收均较高,在夹角为70°时,得到最大极限吸收为28.4%。
图9是相应于图8中相邻纳米线长轴之间夹角为(a) 90°,(b) 45°,和(c) 0°时纳米线阵列的示意图。图中,(a)表明相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 0°及φ= 90°;(b)表明相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 0°及φ= 45°;(c)表明相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 0°及φ= 0°;
实施例6
椭圆纳米线阵列宽角度吸收的验证。具体计算具有相同填充系数的圆纳米线阵列,及旋转角度为0°(相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 0°及φ= 90°)和25°(相邻椭圆纳米线的长轴与周期x轴的夹角分别为θ= 25°及φ= 65°)的椭圆纳米线阵列的极限吸收随太阳光入射角度的变化,如图10所示。图中阵列结构的填充系数均为0.45,阵列周期均为600nm,椭圆纳米线阵列中纳米线长短轴比为550/375。结果是:在0 ~ 80°的太阳光入射角度范围,旋转角度为0°和25°的椭圆纳米线阵列相比之正圆纳米线阵列,其平均极限吸收约增大8%。
Claims (7)
1.一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的陷光结构由截面积为椭圆形的半导体纳米线并行排列形成纵向阵列,而且相邻椭圆纳米线在截面上的长轴之间相互有一定的角度,该角度>0°,且≤90°。
2.根据权利要求1所述的宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度为50°~ 90°。
3.根据权利要求1或2所述的宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的纳米线阵列的周期为400~800nm,椭圆纳米线的长轴和短轴范围均为300~600nm。
4.根据权利要求3所述的宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的椭圆纳米线的长轴与短轴长度比为(1.05 ~ 2) : 1。
5.根据权利要求3所述的宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的椭圆纳米线的长轴与纳米线阵列周期x轴间的夹角为0~90o。
6.根据权利要求1或2所述的宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的椭圆纳米线的长度为0.3~5μm。
7.根据权利要求1或2所述的宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构,其特征在于:所述的半导体纳米线为硅、磷化铟、或砷化镓材料。
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