CN106784335B - 一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池。本发明采用有机导电材料与硅衬底构成的异质结作为可见光波段的子电池，并在电池的制备过程中引入等离激元陷光结构，实现电池对可见光波段光的高效吸收；采用传导型表面等离极化激元(SPP)随机金属波导与硅衬底构成的异质结作为红外波段的子电池，通过设计随机金属波导的尺寸和形貌，利用等离激元“纳米天线”激励起SPP模式波，通过分离与收集该模式波通过能量转化得到的电子空穴对，实现对特定波段的红外光的响应或红外波段宽光谱的响应。该电池设计可综合解决传统多结电池中的晶格匹配及成本高问题，显著降低电池的光损失及热损耗，提升电池的宽光谱响应及光电转换效率。

Description

一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体是一种传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池。

背景技术

太阳电池已成为当今重要的能源供给方式，二十一世纪以来，太阳电池产量在全球范围内得到了大幅的增长，经过急速增长期之后，虽然该领域取得了长足的发展与进步，然而占据市场最大份额的晶体硅等电池的光电转换效率仅为18％-20％左右，这是由于电池中的光子转换成载流子的效率原理上为Shockley-Queisser极限所限。太阳光谱覆盖350nm到2000nm宽谱波段，单带隙的硅材料难以高效地将所有入射光子转换成载流子：能量低于硅半导体带隙的光子不能被半导体吸收，而能量高于带隙的光子将通过热化过程快速损失掉额外的能量。理论上，多结太阳能电池可有效解决这一效率限制，可通过不同带隙的半导体吸收不同波段的光，覆盖整个太阳光谱，并尽可能地减少电池中的热损失。目前，砷化镓基多结太阳能电池目前效率已达35％以上，然而多结电池生长过程需考虑晶格匹配，工艺要求高，且衬底昂贵。高转换效率、低成本的太阳电池是光伏技术领域研究人员一直在不懈追求的目标。

相对于传统的太阳电池，光生载流子分离和收集的效率严重影响着电池的光电转化效率，从本质上讲，由于光生载流子的扩散长度的限制，电池中大多数光生载流子在没有分离前就已经复合，以热损耗的形式释放，大大限制了电池的效率。于是人们在电池中引入异质结来提高光生载流子分离的效率。电子从受激分子的LUMO能级注入到电子受体的LUMO能级，从本质上实现光生载流子的高效分离。相关研究表明，有机聚合物和半导体材料也可形成异质结，用于光电转换。相比于半导体晶体材料，有机聚合物材料可采用液相旋涂、卷对卷等低成本工艺大面积制备，并可方便地在聚合物功能层中增加各种纳米功能结构，为电池中的光学运筹和电子设计提供了全新的手段，极具发展前景。然而，有机导电聚合物与硅构成的异质结电池均在紫外波段、可见光波段的响应较差，红外光(1100nm-2000nm)不能吸收利用，需要提出全新原理和新结构的器件，实现从紫外、可见到红外光的宽光谱响应及光电转换效率的提升。

近年来，研究表明，具有表面等离激元局域或亚波长传导的纳米结构有望用于提高太阳能电池的效率。通过合理的设计金属薄膜与介质的尺寸与形貌，可在二者的界面处激励起传导型的表面等离激元波，该表面等离激元波能够有效限制和引导太阳光进入亚波长尺度厚的光吸收层，通过加入纳米尺度的等离激元陷光结构进一步提高太阳电池的光电转化效率。限于工艺和器件结构，目前绝大多数无机材料构成的传统太阳电池(如晶体硅、砷化镓太阳能电池)，都未实现传导型SPP结构的设计，也就无法利用这种表面等离激元效应实现增效。对于特定结构的串联电池，如何设计等离激元陷光结构，降低工艺要求并有效地提高电池效率，仍然是该技术中面临的巨大挑战。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决已有太阳能电池光电转换效率低、宽光谱响应差、成本高等技术问题，提出一种传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池，同时实现了电池的较低成本，开路电压、短路电流的提升，具有宽谱光电响应及较高的光电转换效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池，该太阳电池由透明导电薄膜层、纳米天线结构、随机金属波导结构、有机导电材料层、等离激元陷光结构、硅衬底、背电极构成；其位置关系由上至下依次为透明导电薄膜层、有机导电材料层、硅衬底和背电极，其中随机金属波导结构与硅衬底紧密接触，纳米天线结构在随机金属波导结构上，并与透明导电薄膜层紧密接触；有机导电材料层包覆在随机金属波导结构表面，其高度低于随机金属波导结构高度，等离激元陷光结构分散在有机导电材料层中或者分散在有机导电材料层与硅衬底界面处。

所述的透明导电薄膜层，供选材料为氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO或掺氟氧化锡FTO，厚度为10纳米到100纳米。

所述的纳米天线结构，采用的形状为圆锥形、棱锥形或星型，供选材料为金、银或钯材料，其等离激元谐振峰调谐范围为紫外到红外波段，尺寸为10纳米到100纳米。

所述的随机金属波导结构，采用的形状为矩形波导、圆柱型波导或阶梯型波导，供选材料与纳米天线结构材料一致，为金、银或钯材料，直径为10纳米到100纳米，厚度为10纳米到100纳米。

所述的有机导电材料层，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、聚3-已基噻吩P3HT、聚3-辛基噻吩P3OT、PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为10纳米到100纳米。

所述的等离激元陷光结构，供选材料为金、银或钯材料，采用的形状包括圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，尺寸为10纳米到50纳米。

所述的硅衬底，厚度为1微米到100微米。

所述的背电极，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米到100纳米。

本发明从原理上看，实现如下：该电池以SPP金属波导与硅构成的异质结作为红外波段的子电池，以有机导电材料与硅构成的异质结作为可见波段子电池。当太阳光入射到电池表面时，通过设计特定尺寸、结构的等离激元纳米天线结构，使得该结构对红外波段的光可高效地响应。以纳米天线结构作为激励端，提高光波的波矢，有效激励起SPP波，实现纳米天线结构与SPP金属波导之间光-等离激元模式的耦合，该种高度局域于界面传导的SPP波被金属吸收，并且在衰减过程中产生电子空穴对，在电子空穴对以声子的形式散射出去之前被分离，最终被电池的前后电极所收集，转化为电能。同时，利用有机导电材料吸收可见波段光的特性及等离激元陷光结构易于引入有机导电材料的工艺特点，通过等离激元陷光结构光局域增强特性、强散射特性及良好的导电性增加可见波段的光在有机-硅异质结电池中的有效光程，降低入射光的直接反射损失，进一步增强该电池对可见波段太阳光的吸收，利用较低的材料成本提高了电池在可见波段的光电转化效率。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、提出一种传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池，该电池以SPP金属波导与硅衬底构成异质结构，针对传统多结电池在红外波段较低的吸收系数从而难以吸收红外波段的光以及电池热损耗高等问题，通过改变SPP金属波导的尺寸与形貌，使得不同波长的红外光能量分布于不同尺寸、形貌的SPP金属波导中，可实现对红外特定波长光的响应，或可实现对红外波段光宽光谱响应，降低热损耗，提高电池在红外宽光谱波段的光电转化效率。

2、提出一种传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池，该电池以有机导电材料与硅衬底构成异质结构，针对传统多结电池对可见波段的光的吸收效率不高，所选用三五族半导体材料价格昂贵及与硅衬底晶格匹配等问题。利用有机导电材料成本低、工艺简单及可大批量制备的优势，同时结合等离激元陷光结构易于引入有机导电材料的工艺特点，利用等离激元陷光结构光局域增强特性、强散射特性及良好的导电性进一步增强该电池对可见波段太阳光的吸收，利用较低的材料成本提高了电池在可见波段的光电转化效率。

3、提出一种传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池，针对传统多结电池存在电子空穴对传输路径长、体复合严重等问题，该电池基于一种SPP金属波导，在入射光激励下，利用纳米天线结构与金属波导实现光-等离激元耦合实现波矢匹配，在金属和硅界面激励起束缚于界面向前传播的SPP波，该种波在衰减过程中能量不断转化成电子空穴对，可直接在半导体表面实现电子-空穴对的分离，使得该电子-空穴对的有效传输路径变短、体复合受到抑制，从而得到更高的开路电压与短路电流，实现电池更高的光电转化效率。

附图说明

图1是该传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池的结构图。

图2是该传导的表面等离极化激元异质集成太阳电池中不同形貌的纳米天线结构和随机金属波导结构图。图2a是三棱锥型纳米天线结构和矩形波导阵列，图2b是星型纳米天线结构和圆柱型波导阵列。

图中有透明导电薄膜层1、纳米天线结构2、三棱锥结构21、星型结构22、随机金属波导结构3、弯曲型矩形波导31、十字型矩形波导32、丁字型矩形波导33、一字型圆柱型波导34、V型圆柱型波导35、X型圆柱型波导36、有机导电材料层4、等离激元陷光结构5、硅衬底6和背电极7。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，该太阳电池由透明导电薄膜层1、纳米天线结构2、随机金属波导结构3、有机导电材料层4、等离激元陷光结构5、硅衬底6、背电极7构成；其位置关系由上至下依次为透明导电薄膜层1、有机导电材料层4、硅衬底6和背电极7，其中随机金属波导结构3与硅衬底6紧密接触，纳米天线结构2在随机金属波导结构3上，并与透明导电薄膜层1紧密接触；有机导电材料层4包覆在随机金属波导结构3表面，其高度低于随机金属波导结构3高度，等离激元陷光结构5分散在有机导电材料层4中或者分散在有机导电材料层4与硅衬底6界面处。

透明导电薄膜层1，供选材料为氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)或掺氟氧化锡(FTO)，厚度为10纳米到100纳米。纳米天线结构2，为三棱锥结构21(如图2a所示)或星型结构22(如图2b所示)，供选材料为金、银或钯材料，其等离激元谐振峰调谐范围为紫外到红外波段，尺寸为10纳米到100纳米。随机金属波导结构3，为随机矩形波导，为弯曲型矩形波导31、十字型矩形波导32或丁字型矩形波导33(如图2a所示)。或为随机圆柱型波导，为一字型圆柱型波导34、V型圆柱型波导35或X型圆柱型波导36(如图2b所示)。供选材料与纳米天线结构2材料一致，为金、银或钯材料，直径为10纳米到100纳米，厚度为10纳米到100纳米。有机导电材料层4，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，聚3-已基噻吩(P3HT)，聚3-辛基噻吩(P3OT)，PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD等，厚度为10纳米到100纳米。等离激元陷光结构5，供选材料为金、银或钯材料，可采用的形状为圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，尺寸为10纳米到100纳米。硅衬底6，厚度为1微米到100微米。背电极7，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米到100纳米。

实施例1：

设计如图1的电池结构，纳米天线结构和随机金属波导结构如图2a所示。透明导电薄膜层1，材料为氧化铟锡(ITO)厚度为50纳米。纳米天线结构为三棱锥结构，材料为金，尺寸为20纳米。随机金属波导结构，采用矩形波导阵列，材料为金，直径为15纳米，厚度为20纳米。有机导电材料层，材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，厚度为15纳米。等离激元陷光结构，材料为银，形状为纳米圆片，尺寸为10纳米。硅衬底，为平整光滑的表面，厚度为20微米。背电极，材料为铟，厚度为40纳米。

实施例2：

设计如图1的电池结构，纳米天线结构和随机金属波导结构如图2b所示。透明导电薄膜层1，材料为氧化铟锡(ITO)厚度为80纳米。纳米天线结构为星型结构，材料为银，尺寸为35纳米。随机金属波导结构，采用圆柱型波导阵列，材料为银，直径为20纳米，厚度为40纳米。有机导电材料层，材料为聚3-已基噻吩(P3HT)，厚度为35纳米。等离激元陷光结构，材料为钯，形状为六边形片，尺寸为15纳米。硅衬底，为平整光滑的表面，厚度为80微米。背电极，材料为铝，厚度为50米。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于：该太阳电池由透明导电薄膜层(1)、纳米天线结构(2)、随机金属波导结构(3)、有机导电材料层(4)、等离激元陷光结构(5)、硅衬底(6)、背电极(7)构成；其位置关系由上至下依次为透明导电薄膜层(1)、有机导电材料层(4)、硅衬底(6)和背电极(7)，其中随机金属波导结构(3)与硅衬底(6)紧密接触，纳米天线结构(2)在随机金属波导结构(3)上，并与透明导电薄膜层(1)紧密接触；有机导电材料层(4)包覆在随机金属波导结构(3)表面，其高度低于随机金属波导结构(3)高度，等离激元陷光结构(5)分散在有机导电材料层(4)中或者分散在有机导电材料层(4)与硅衬底(6)界面处。

2.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于，所述的透明导电薄膜层(1)，供选材料为氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO或掺氟氧化锡FTO，厚度为10纳米到100纳米。

3.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于，所述的纳米天线结构(2)，采用的形状为圆锥形、棱锥形或星型，供选材料为金、银或钯材料，其等离激元谐振峰调谐范围为紫外到红外波段，尺寸为10纳米到100纳米。

4.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于，所述的随机金属波导结构(3)，采用的形状为矩形波导、圆柱型波导或阶梯型波导，供选材料与纳米天线结构(2)材料一致，为金、银或钯材料，直径为10纳米到100纳米，厚度为10纳米到100纳米。

5.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于所述的有机导电材料层(4)，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、聚3-已基噻吩P3HT、聚3-辛基噻吩P3OT、PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为10纳米到100纳米。

6.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于所述的等离激元陷光结构(5)，供选材料为金、银或钯材料，采用的形状包括圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，尺寸为10纳米到50纳米。

7.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于所述的硅衬底(6)，厚度为1微米到100微米。

8.根据权利要求1所述的一种传导的表面等离极化激元型异质集成太阳电池，其特征在于所述的背电极(7)，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米到100纳米。