CN104900742A - 一种带有aao纳米光栅结构的新型太阳能电池背反射器 - Google Patents

Abstract

本发明提出将AAO模板作为纳米光栅引入到薄膜硅太阳能电池结构中，设计制备了一种新型带有AAO纳米光栅结构的太阳能电池背反射器。该反射器由银背反射层、AAO纳米光栅、ITO导电玻璃三层结构组成。根据光栅方程，设计分析了AAO最佳结构参数。该反射器可有效延长太阳能电池内部的光程，提高长波长光子的利用率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。该反射器制作工艺简单、成本低廉、有利于批量生产。

Description

一种带有AAO纳米光栅结构的新型太阳能电池背反射器

所属技术领域

本专利发明的太阳能电池背反射器由AAO(阳极氧化铝模板)纳米光栅与银背反射层组成，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

众所周知，薄膜硅太阳能电池因用料少、成本低而备受青睐，但同时也面临着效率较低的难题，原因之一在于随着入射光波长的增加，相应的吸收系数迅速下降，吸收长波长光子所需的吸收长度大大增加，而薄膜电池的厚度薄，使得光子在电池中通过的路径大大缩短。为了提高太阳能电池的光电转化效率，通常的做法是在薄膜硅太阳能电池底部通过光刻、电子束刻蚀等技术制备衍射光栅，但该方法需要清洁昂贵的设备，且制备工艺复杂，光栅制备条件苛刻、成本高、不适于批量生产。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背反射器。

发明内容

为解决薄膜硅太阳能电池用光栅制备条件苛刻、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背反射结构。具体发明内容如下：

(1)提出将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池结构中。

(2)利用FDTD、CST软件结合光栅方程设计了最佳的AAO纳米光栅结构。

(3)太阳能电池背反射器由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将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池结构中。利用AAO纳米光栅可得到大倾斜角的反射光，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背反射器结构及光路示意图

图3带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池结构示意图

图4带有AAO纳米光栅的背反射器制备工艺流程图

图5带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池吸收谱线增强模拟图

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

本发明专利设计的背反射器可用于薄膜硅、晶体硅等各类太阳能电池。AAO纳米光栅结构如图1所示。背反射器结构及光路示意图如图2所示，其中P为光栅周期，即AAO孔径中心点之间的距离，h为光栅孔径深度，即AAO孔径深度。

工作原理

背反射器的主要作用是通过光栅把没有被硅吸收的光衍射回工作物质中，从而提高光在硅中的传播路程。光栅对光的调制可用光栅方程来说明。

光栅结构参数选择

光栅常数P的选取：以光线垂直入射为例，进行光栅结构设计。根据光栅衍射方程

n_SiP(sinα+sinβ)=mλ_g   (1)

其中，m为衍射序，λ_g为为硅的带隙波长，P为光栅周期，n_Si为Si的折射率，文中n_Si=3.5，α和β分别为入射角和衍射角。为了使±1级的衍射角达到±90°，故，α=O，因此光栅周期P为：

P＝λ_g／n_Si＝314.28nm  (2)

光栅槽深h的选取：依然以光线垂直入射为例。光的零级衍射在Si内部光程最短，最不利于吸收，合适的槽高选取可抑制零级衍射，为使波长为λg的光在光栅槽和脊上反射的光干涉相消，有

${2n}_{\mathrm{Si}}h=(2K+1)\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{2}---\left(3\right)$

所以，得h＝λg／4nsi=78.57nm

光栅占空比ξ的选取：ξ=w／P。w为AAO孔径由于衍射效率与光栅周期的Fourier分量成比例，而这分量在光栅的高低折射率介质分量等量时，即ξ=0.5时最大，故取占空比ξ=0.5，即孔径为周期一半时效果最佳。

应用中可以通过调节AAO的孔径、占空比、槽深等参数来改变背反射器的效果。图5给出了最佳AAO纳米光栅结构参数下吸收谱线增强模拟图。由图5可知，背反射器的加入有效的提高了太阳能电池的光吸收效率。

工艺流程

带有AAO纳米光栅的太阳能电池背发射器制备工艺流程如图4所示。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1阳厚的铝膜，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 (6)

1.一种实用新型太阳能电池背反射器，在太阳能电池底部，由AAO纳米光栅、银背反射层、ITO导电玻璃三层结构组成。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池背反射器，其特征是将Ag镀在ITO上，Ag的厚度不得小于30nm。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池背反射器，AAO纳米光栅是通过两步阳极氧化得到，为实现超薄AAO的制备，Ag反射层上的铝膜厚度不超过1μm。

4.根据权利要求1所述的太阳能背反射器，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。

5.根据权利要求1-4所述的太阳能电池背反射器，其特征是可用于多晶硅、单晶硅、薄膜硅等多种太阳能电池。

6.根据1-4所述的太阳能电池背反射器，要根据不同工作材料的禁带波长，设计AAO纳米光栅结构参数，其数学表达式为：P＝λ_g／n_Si，h=λg/4n_Si，ξ=0.5。