CN108365029B - 一种含有六边柱GaAs光子晶体吸收层的多层太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种含有六边柱GaAs光子晶体吸收层的多层太阳能电池，前接触层、GaAs光子晶体吸收层、氧化锌层和背接触层自上而下依次排列，前接触层和背接触层分别与外接的前电极和背电极连接形成太阳能电池，氧化锌层在辅助GaAs光子晶体吸收层吸收入射光的同时，与前接触层共同起到收集载流子的作用，GaAs光子晶体吸收层上面排列光子晶体散射元，光子晶体散射元周边为散射元间隙，光子晶体散射元为圆柱、椭圆柱或等边六边形柱体结构，光子晶体散射元在GaAs光子晶体吸收层中呈六方排列，其填充材料为空气或二氧化硅，结构简单，节省材料，载流子扩散距离短、稳定性好、传输效率高。
Description
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种新型的光子晶体太阳能电池结构，特别是一种采用砷化镓(GaAs)作为吸收层材料，充分利用光照、光电转换效率高、材料节省、简单超薄的含有六边柱GaAs光子晶体吸收层的多层太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池的实质是光生伏打效应，将太阳能转化为电能。目前工业化、大规模生产太阳能电池材料的技术已经成熟，但太阳能电池的效率却一直受到限制,为了使太阳能电池得到更普遍的应用，目前太阳能电池研究有两个重点方向：一是提高光电转换效率；二是降低成本，在光伏太阳能电池的研究中，一方面在寻找高吸收率的半导体材料，另一方面在引进不同的结构，以求增加太阳能电池的吸收率和转换效率。
在材料方面，硅(Si)、硒、锗半导体，砷化镓、磷化镓、砷化锢等化合物，以及钙钛矿、有机材料等都可以应用于太阳能电池，但目前为止，太阳能电池广泛应用最广泛的还是硅基太阳能电池，这是因为硅材料具有光电转换效率相对较高，光电性能稳定性和可靠性高，加工工艺技术成熟，不含有毒元素，不对环境造成污染等特点。由于没有加工的硅基太阳能电池所能达到的最高效率仅为26％左右，所以不少研究开始尝试新的材料，在半导体产业的发展中，硅、锗称为第一代半导体材料；将砷化镓、磷化镓、砷化锢、砷化铝等等称为第二代半导体材料，相对于硅，GaAs有如下主要特点：一是GaAs的禁带宽度1.4ev(Si材料的禁带宽度为1.1eV)，而且其折射率在300-700nm的范围内变化较大，对太阳能的吸收效率较高；二是GaAs的电子迁移速率是8500cm2/V·s，远远大于Si材料电子迁移速率1350/V·s，在太阳能电池中极利于光电转换；三是GaAs的饱和速率是2.1×10-7cm/s，Si的饱和速率是1.0×10-7cm/s；GaAs的击穿电压是0.4Mv/cm，硅的击穿电压是0.3Mv/cm，这些参数数值越高，说明GaAs半导体性能越好；在结构方面，只有采用陷光结构才能保证电池的光电转换效率，除了电池进光面减反和前电极尽量少覆盖面积外，现有的陷光方式主要是在光线射入电池体内后，增加光在吸收层的路径，使吸收层的折射率大于其上下层织构材料，使没有吸收的光再次返回电池吸收层，进行二次或多次吸收，如在硅表面沉积一层折射率逐渐变化的减反膜，或将减反膜技术和表面制绒技术相结合等，但这些技术存在反射波段较窄，制备工艺较难控制等不足，多数研究处于试验阶段。由于光子晶体的禁带和慢光特性，近几年光子晶体结构被广泛引入到提高太阳能电池的效率中，在透射层、吸收层和背反射层中，都可以采用光子晶体结构，但是在已有的光子晶体吸收层设计中，一般采用6、7层，其吸收层材料多为硅，而且光子晶体结构未必在吸收层，光子晶体结构的散射元多为圆柱形或者是圆锥形，无法将吸收率提高到最大化。另外，太阳能电池的效率取决于光的吸收效率和光电转换效率两个因素，虽然吸收层越厚对光的吸收率越高，但是吸收层越厚会导致较多载流子的复合，从而降低光电转换效率。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，根据太阳能电池结构的发展，设计一种采用新材料、新结构，陷光好、转换效率高、结构稳定、材料节省、简单超薄、便于加工和规模生产的，以GaAs为光子晶体吸收层的多层太阳能电池薄膜结构。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括前接触层、GaAs光子晶体吸收层、氧化锌层和背接触层，前接触层、GaAs光子晶体吸收层、氧化锌层和背接触层自上而下依次排列，前接触层和背接触层分别与外接的前电极和背电极连接形成太阳能电池，前接触层为50nm厚的透明导电氧化物TCO材料，用于增加透射和收集载流子；GaAs光子晶体吸收层厚度为200nm；氧化锌层厚度为50nm；背接触层为50nm厚的镀银层，GaAs光子晶体吸收层的下面是氧化锌层，由于ZnO的禁带宽度比GaAs小，氧化锌层在辅助GaAs光子晶体吸收层吸收入射光的同时，与前接触层共同起到收集载流子的作用，并将载流子传送到背接触层，使光能在介质中进一步被吸收；GaAs光子晶体吸收层上面排列光子晶体散射元，光子晶体散射元周边为散射元间隙，光子晶体散射元为圆柱、椭圆柱或等边六边形柱体结构，光子晶体散射元在GaAs光子晶体吸收层中呈六方排列，其填充材料为空气或二氧化硅，光子晶体散射元为等边六边形柱体结构时，等边六边形柱体的上表面与下表面平行，且呈中心轴对称，等边六边形柱体的上表面与下表面的边长相等或不相等均可，GaAs光子晶体吸收层的厚度与光子晶体散射元的高度相同。
本发明所述GaAs光子晶体吸收层的吸收效率与同厚度的无光子晶体结构GaAs层相比，其吸收率增加50％以上；而且当光线垂直入射时，吸收率最高可接近80％，在入射角到50°时，光子晶体吸收层的吸收效率，吸收率依然保持在70％之上。
本发明所述前接触层、氧化锌层和背接触层的共同效应使太阳能电池的吸收效率提高20％左右，从而使光的总吸收效率超过90％。
本发明采用GaAs光子晶体吸收层结构在很大程度上克服现有技术的不足，其主要优势如下：一是采用GaAs作为太阳能电池的吸收层，其吸收波峰处于550nm附近，恰好是太阳光能量最强的地方，由于光子晶体的慢光和禁带效应，会大幅度的提高吸收层对于光的吸收率，从而提高整体太阳能电池的效率；并充分利用GaAs禁带宽度宽、迁移速率大，以及有较高的吸收效率等优点，提高太阳能电池的光吸收和光电转换效率；二是GaAs光子晶体吸收层只有200nm厚，而硅基吸收层一般大于500nm厚，其成本也不会增加；三是GaAs光子晶体吸收层结构不仅限制光的传播路径和传播方式，而且与前接触层、ZnO层和背接触层相结合，进一步增加光吸收和光电转换效率；四是为了便于加工和规模生产，通过模拟计算，设计的太阳能电池结构层数少(多数结构为6、7层，本发明的结构只有4层)，结构总厚度也因此大大减少，简洁有效，在不增加材料成本的前提下，从整体上优化和提高电池效率。
本发明与现有技术相比，含有GaAs光子晶体吸收层的多层太阳能电池薄膜结构，不仅采用新材料，增加了光的吸收，也有利于载流子的传输；将光子禁带和慢光原理应用于太阳能光电转换，光线入射角在很大的范围内时，仅吸收层的效率就保持在70％之上，加上前接触层、氧化锌层和背接触层的共同效应，光的总吸收效率超过90％；多层太阳能电池薄膜结构，层数少，结构简单，节省材料，载流子扩散距离短、稳定性好、传输效率高；多层太阳能电池薄膜结构充分考虑加工因素，不仅结构规整，而且可以灵活多变，相应的微加工和填充技术成熟，会成为新一代最有潜力、低成本、高效太阳能电池器件。
附图说明：
图1为常见半导体材料对300～700nm光的吸收率。
图2为本发明的主体结构原理示意图。
图3为本发明涉及实施例1中GaAs光子晶体吸收层2光子晶体吸收层的结构示意图，其中(1)为光子晶体在吸收层中的排列；(2)为单一散射元的示意图。
图4为本发明实施例1中光线垂直入射时，有GaAs光子晶体吸收层与无GaAs光子晶体吸收层的效率随波长的变化规律。
图5为本发明实施例1中有GaAs光子晶体吸收层与无GaAs光子晶体吸收层的吸收率随入射角变化规律。
图6为本发明涉及实施例2中GaAs光子晶体吸收层2光子晶体吸收层的结构示意图，其中(1)为光子晶体在吸收层中的排列；(2)为单一散射元的示意图。
图7为本发明实施例2中光线垂直入射时，有GaAs光子晶体吸收层的效率随波长的变化规律。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
本实施例的主体结构包括前接触层1、GaAs光子晶体吸收层2、氧化锌层3和背接触层4，前接触层1、GaAs光子晶体吸收层2、氧化锌层3和背接触层4自上而下依次排列，前接触层1和背接触层4分别与外接的前电极和背电极连接形成太阳能电池，前接触层1为50nm厚的透明导电氧化物TCO材料，用于增加透射和收集载流子；GaAs光子晶体吸收层2厚度为200nm；氧化锌层3厚度为50nm；背接触层4为50nm厚的镀银层，GaAs光子晶体吸收层2的下面是氧化锌层3，由于ZnO的禁带宽度比GaAs小，氧化锌层3在辅助GaAs光子晶体吸收层2吸收入射光的同时，与前接触层1共同起到收集载流子的作用，并将载流子传送到背接触层4，使光能在介质中进一步被吸收；GaAs光子晶体吸收层2上面排列光子晶体散射元5，光子晶体散射元5周边则是散射元间隙6，光子晶体散射元5为圆柱、椭圆柱或等边六边形柱体结构，光子晶体散射元5在GaAs光子晶体吸收层2中呈六方排列，其填充材料为空气或二氧化硅，光子晶体散射元5为等边六边形柱体结构时，等边六边形柱体的上表面与下表面平行，且呈中心轴对称，等边六边形柱体的上表面与下表面的边长相等或不相等均可，GaAs光子晶体吸收层2的厚度与光子晶体散射元5的高度相同。
本实施例所述GaAs光子晶体吸收层2的吸收效率与同厚度的无光子晶体结构GaAs层相比，其吸收率增加50％以上；而且当光线垂直入射时，吸收率最高可接近80％，在入射角到50°时，光子晶体吸收层的吸收效率，吸收率依然保持在70％之上。
本发明所述前接触层1、氧化锌层3和背接触层4的共同效应使太阳能电池的吸收效率提高20％左右，从而使光的总吸收效率超过90％。
本实施例将GaAs的光吸收效率波峰处于550nm附近，这是太阳光强度最大时的波长，也是在太阳光的中心波长附近。由于光子晶体的慢光和禁带效应，会大幅度的提高吸收层对于光的吸收率，跟无结构的吸收层相比，有结构的吸收层会提高太阳能电池效率50％以上。
本实施例的工作原理是：入射光通过前接触层1照射在GaAs光子晶体吸收层2上，GaAs光子晶体吸收层2有很好的禁带和慢光效应，能很好的陷光，不仅能有效进行光电转换，激发出载流子，而且宽带慢光效应结构能很好保证载流子流动的方向性和稳定性；氧化锌层3作为辅助层不仅能进一步增加光子的吸收，也为载流子构成电路做准备，背接触层4能够进一步对入射光增反。由于总体结构较薄，太阳能电池结构还能有效减少载流子复合，从而有效地提高了电池效率。
实施例1：上下表面边长相同的空气孔型GaAs光子晶体吸收层
本实施例采用上下表面边长相同的空气孔型GaAs光子晶体吸收层2，这一结构的微加工制作最为简单，通过模拟优化，吸收层的效率可以很高，其结构示意图如图3(1)所示，GaAs光子晶体吸收层2的厚度为200nm，上面排列光子晶体散射元5，光子晶体散射元5周边则是散射元间隙6，单一散射元的示意图如图3所示，本实施例GaAs光子晶体吸收层2为上下一样的等边六边形的柱体，将GaAs的光吸收效率波峰处于550nm附近，这是太阳光强度最大时的波长，也是在太阳光的中心波长附近，其中，等边六边形的上表面和下表面的边长均为r＝50nm，二者平行，且呈中心轴对称；GaAs光子晶体吸收层2的厚度与光子晶体散射元5的高度H相同，为200nm；光子晶体散射元5在GaAs光子晶体吸收层2中呈六方排列的，晶格常数为a＝460nm，柱体的填充材料为空气(没有人为填充)，光子晶体散射元5的最小个数不少于9*9个，由于光子晶体的慢光和禁带效应，会大幅度的提高吸收层对于光的吸收率，光线垂直入射(与法线0°角)时，有GaAs光子晶体吸收层2与无GaAs光子晶体吸收层2的效率随波长的变化规律如图4所示，由图中可以看出，GaAs光子晶体吸收层2的吸收率在300-700nm范围内，各波段的吸收率都比无GaAs光子晶体吸收层2的效率高很多，采用现有技术对其积分可求得有效吸收率为79.51％，而无GaAs光子晶体吸收层2的单纯砷化镓板的吸收率为49.12％，前者比后者的吸收率增加了61.86％；即使光线不是垂直入射，有GaAs光子晶体吸收层2的吸收率也很高，使结构具有很好的实用性，图5为本实施例中有GaAs光子晶体吸收层2与无GaAs光子晶体吸收层2的吸收率随入射角变化规律，由图5可见，当光线垂直入射时，本实施例有效吸收率最高，为79.51％；在入射角到50°时，吸收率依然保持在70％之上；入射角在50°到70°的时候，吸收率保持在60％之上。由此可以看出，本实施例为纳米结构薄膜太阳电池提供了很好的光捕获机制。
实施例2：上下表面边长不相同的SiO2填充型GaAs光子晶体吸收层
本实施例采用上下表面边长不相同的SiO2填充型GaAs光子晶体吸收层2，
GaAs光子晶体吸收层2为上下边长不一样的等边六边形的柱体，其结构示意图如图6(1)所示：GaAs光子晶体吸收层2的厚度为200nm，上面排列光子晶体散射元5，光子晶体散射元5周边则是散射元间隙6，单一散射元的示意图如图6(2)所示，GaAs光子晶体吸收层2的结构设计将GaAs的光吸收效率波峰处于550nm附近，这是太阳光强度最大时的波长，也是在太阳光的中心波长附近，其中，上表面边长r＝50nm、下表面的边长为R＝100nm，上下等边六边形平行，且呈中心轴对称；，GaAs光子晶体吸收层2的厚度与光子晶体散射元5的高度H相同，为200nm；光子晶体散射元5在GaAs光子晶体吸收层2中呈六方排列，晶格常数为a＝460nm，柱体的填充材料为SiO2，光子晶体吸收层中光子晶体散射元5的最小个数不少于9*9个，由于光子晶体的慢光和禁带效应，会大幅度的提高吸收层对于光的吸收率；光线垂直入射(与法线0°角)时，有GaAs光子晶体吸收层2的吸收率在300-700nm范围内，各波段的吸收率都比无GaAs光子晶体吸收层2吸收层的效率高很多，采用现有技术，对其积分可求得有效吸收率为79.38％，而无光子晶体排列的单纯砷化镓板的吸收率为49.12％，前者比后者的吸收率增加了61.60％；即使光线不是垂直入射，本实施例中的有GaAs光子晶体吸收层2的吸收率也很高，使结构具有很好的实用性，本实施例中有GaAs光子晶体吸收层2与无GaAs光子晶体吸收层2的吸收率随入射角变化规律，与实施例1类似，由此可以看出，本实施例为纳米结构薄膜太阳电池提供了很好的光捕获机制。
Claims (1)
1.一种含有六边柱GaAs光子晶体吸收层的多层太阳能电池，其特征在于主体结构包括前接触层、GaAs光子晶体吸收层、氧化锌层和背接触层，前接触层、GaAs光子晶体吸收层、氧化锌层和背接触层自上而下依次排列，前接触层和背接触层分别与外接的前电极和背电极连接形成太阳能电池，前接触层为50nm厚的透明导电氧化物TCO材料，用于增加透射和收集载流子；GaAs光子晶体吸收层厚度为200nm；氧化锌层厚度为50nm；背接触层为50nm厚的镀银层，GaAs光子晶体吸收层的下面是氧化锌层，由于ZnO的禁带宽度比GaAs小，氧化锌层在辅助GaAs光子晶体吸收层吸收入射光的同时，与前接触层共同起到收集载流子的作用，并将载流子传送到背接触层，使光能在介质中进一步被吸收；GaAs光子晶体吸收层具有光子晶体散射元，光子晶体散射元周边为散射元间隙，光子晶体散射元为等边六边形柱体结构，光子晶体散射元在GaAs光子晶体吸收层中呈六方排列，其填充材料为空气或二氧化硅，等边六边形柱体的上表面与下表面平行，且呈中心轴对称，等边六边形柱体的上表面与下表面的边长相等或不相等均可，GaAs光子晶体吸收层的厚度与光子晶体散射元的高度相同；所述GaAs光子晶体吸收层的吸收效率与同厚度的无光子晶体结构GaAs层相比，其吸收率增加50％以上；而且当光线垂直入射时，吸收率最高-接近80％，在入射角到50°时，光子晶体吸收层的吸收效率保持在70％之上；所述前接触层、氧化锌层和背接触层的共同效应使太阳能电池的吸收效率提高20％，从而使光的总吸收效率超过90％。
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