CN110854217A - 一种增强入射光有效光程的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强入射光有效光程的太阳能电池，包括基底层，所述基底层的上方设置有第一氮化镓层，所述第一氮化钙层分为左部氮化镓层、右部氮化镓层，所述右部氮化镓层的上方设置有第一电极；所述左部氮化镓层的上方设置有铟氮化镓层，所述铟氮化镓层的上方设置有第二氮化镓层，所述第二氮化镓层的上方设置有金属光栅、第二电极，所述左部氮化镓层与基底层之间还设置有第一微纳金属颗粒层；所述金属光栅与第二氮化镓层之间设置有第二微纳金属颗粒层；该增强入射光有效光程的太阳能电池，通过增加光在电池中传播的光程，从而增强光与反应层的作用时间，从而有效的提高了太阳光的吸收率，从而使得太阳能电池能够转换更多的电能。

Description

一种增强入射光有效光程的太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种增强入射光有效光程的太阳能电池。
背景技术
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，缩写为PV)，简称光伏。
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波，如红外线、紫外线、可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0％，多晶硅电池效率为20.4％，CIGS薄膜电池效率达19.6％，CdTe薄膜电池效率达16.7％，非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1％
太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。
目前研究者研究太阳能电池时，一方面希望太阳能电池能够更轻薄，另一方面则希望太能电池有更高对太阳光的输出效率。目前的广泛研究及商业使用的薄膜太阳能电池可以做的很薄，通常只有1-2微米厚，但是带来的问题就是无法给入射光提供足够长的有效的光程使得光反应层与太阳光的相互作用更充分，因此需要提高薄膜太阳能电池有效的光程距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强入射光有效光程的太阳能电池，包括基底层，所述基底层的上方设置有第一氮化镓层，所述第一氮化钙层分为左部氮化镓层、右部氮化镓层，所述右部氮化镓层的上方设置有第一电极；所述左部氮化镓层的上方设置有铟氮化镓层，所述铟氮化镓层的上方设置有第二氮化镓层，所述第二氮化镓层的上方设置有金属光栅、第二电极，所述左部氮化镓层与基底层之间还设置有第一微纳金属颗粒层；所述金属光栅与第二氮化镓层之间设置有第二微纳金属颗粒层。
所述金属光栅的金属条的排列周期为400nm～600nm。
所述基底层为蓝宝石制成。
所述第一氮化镓层为n型掺杂。
所述第二氮化镓层为p型掺杂。
所述第二微纳金属颗粒层的金属颗粒分布于金属光栅的金属条下方。
所述第一微纳金属颗粒层、第二微纳金属颗粒层的金属颗粒均是由大小不等的金属颗粒组成。
所述第一微纳金属颗粒层、第二微纳金属颗粒层均是由金制成。
所述左部氮化镓层的高度高于右部氮化镓层的高度。
一种增强入射光有效光程的太阳能电池，包括基底层，所述基底层的上方设置有第一氮化镓层，所述第一氮化钙层分为左部氮化镓层、右部氮化镓层，所述右部氮化镓层的上方设置有第一电极；所述左部氮化镓层的上方设置有铟氮化镓层，所述铟氮化镓层的上方设置有第二氮化镓层，所述第二氮化镓层的上方设置有倾斜的金属棒阵列。
本发明的有益效果：本发明提供的这种增强入射光有效光程的太阳能电池，通过增加光在电池中传播的光程，从而增强光与反应层的作用时间，从而有效的提高了太阳光的吸收率，从而使得太阳能电池能够转换更多的电能；另外，第一微纳金属颗粒层会使得基底层表面变得粗糙，这反而会使生长在其上的第一氮化镓层有更好的质量。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是增强入射光有效光程的太阳能电池的结构示意图一。
图2是增强入射光有效光程的太阳能电池的结构俯视图。
图3是增强入射光有效光程的太阳能电池的结构示意图二。
图中：1、基底层；2、第一氮化镓层；3、左部氮化镓层；4、右部氮化镓层；5、第二氮化镓层；6、第一电极；7、金属光栅；8、第二电极；9、第二微纳金属颗粒层；10、金属棒阵列；11、铟氮化镓层；12、第一微纳金属颗粒层。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本实施例提供了一种如图1、图2所示的增强入射光有效光程的太阳能电池，包括基底层1，所述基底层1的上方设置有第一氮化镓层2，所述第一氮化钙层2分为左部氮化镓层3、右部氮化镓层4，并且，所述左部氮化镓层3的高度高于右部氮化镓层4的高度；所述右部氮化镓层4的上方设置有第一电极6；所述左部氮化镓层3的上方设置有铟氮化镓层11，所述铟氮化镓层11的上方设置有第二氮化镓层5，所述第二氮化镓层5的上方设置有金属光栅7、第二电极8，所述左部氮化镓层3与基底层1之间还设置有第一微纳金属颗粒层12，；所述金属光栅7与第二氮化镓层5之间设置有第二微纳金属颗粒层9；第一电极6、第二电极8与外接电信号输出端电连接，用于输出所转换的电能；所述金属光栅7并不具有一般光栅的作用，而是，具有与入射的太阳光产生表面等离激元共振，并且金属光栅7能够大幅度的增强入射的太阳光的散热路径，从而减小太阳光在空气中的损耗；另外，所述第二微纳金属颗粒层9的金属颗粒分布于金属光栅7的金属条下方，这样可以减小第二微纳金属颗粒层9对太阳光入射的阻挡，而不会影响其对太阳光的反射作用；实际应用的时候，太阳光能够入射到金属光栅7、第二氮化镓层5，然后向下传播到铟氮化镓层11、第一氮化钙层2，经过第一微纳金属颗粒层12反射又向上传播到第一氮化钙层2、铟氮化镓层11、第二氮化镓层5，经过第二微纳金属颗粒层9反射，又可再次向下传播，这样就增加了太阳光在半导体内的光程，使得入射的太阳光，能够反复在半导体光电反应层中充分作用，从而提高光电转换的效率。
所述金属光栅7的金属条的排列周期为400nm～600nm，优先金属光栅7的金属条的排列周期为400nm、450nm、500nm、550nm等，金属条的宽度为200nm，这样，金属光栅7就不会遮蔽入射的太阳光，影响到太阳光入射到下方的第二氮化镓层5。
进一步的，所述基底层1为蓝宝石制成，也可以是由硅或者碳化硅等材料制成。
进一步的，所述第一氮化镓层2为n型掺杂。
进一步的，所述第二氮化镓层5为p型掺杂。
所述第一微纳金属颗粒层12、第二微纳金属颗粒层9的金属颗粒均是由大小不等的金属颗粒组成，第一微纳金属颗粒层12、第二微纳金属颗粒层9的金属金属颗粒大小范围在10nm～100nm之间，优先的可以选择：10nm，20nm，30nm，40nm，50nm，60nm，70nm，80nm，90nm等；这样，可以避免太阳光在第一微纳金属颗粒层12、第二微纳金属颗粒层9改变入射方向沿着水平方向传播的现象，也就是说，第一微纳金属颗粒层12、第二微纳金属颗粒层9的金属颗粒均是由大小不等的金属颗粒组成有利于提高太阳光的反射效率，从而使得太阳光在半导体内的光程，使得入射的太阳光，能够反复在半导体光电反应层中充分作用，从而提高光电转换的效率。
进一步的，所述第一微纳金属颗粒层12、第二微纳金属颗粒层9均是由金制成。
另外，第一微纳金属颗粒层12会使得基底层1表面变得粗糙，这反而会使生长在其上的第一氮化镓层2有更好的质量，因为对于具有粗糙结构的基底层1，其上生长第一氮化镓层2时，晶格失配的方向会是竖直的，沿着第一微纳金属颗粒层12的侧表面，当生长厚度高于第一微纳金属颗粒层12后，晶格失配的方向会弯折，这种弯折可以减小或者消除水平方向上第一微纳金属颗粒层12与基底层1之间的错位密度，提高第一微纳金属颗粒层12的生长质量。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种如图3所示的增强入射光有效光程的太阳能电池，包括基底层1，所述基底层1的上方设置有第一氮化镓层2，所述第一氮化钙层2分为左部氮化镓层3、右部氮化镓层4，所述右部氮化镓层4的上方设置有第一电极6；所述左部氮化镓层3的上方设置有铟氮化镓层11，所述铟氮化镓层11的上方设置有第二氮化镓层5，所述第二氮化镓层5的上方设置有倾斜的金属棒阵列10；该增强入射光有效光程的太阳能电池只能对入射的太阳光进行一次反射，但却可以选择最佳的太阳光入射光方向，只有太阳光的入射方向与金属棒阵列10排列倾斜的方向一致的时候才会形成最佳的输出效果，这样就可以对入射的太阳光的方向进行判定，可以用于记录太阳光的入射角度，筛选特定入射方向的光的作用。
综上所述，该增强入射光有效光程的太阳能电池，通过增加光在电池中传播的光程，从而增强光与反应层的作用时间，从而有效的提高了太阳光的吸收率，从而使得太阳能电池能够转换更多的电能，具体的说是在半导体光电反应层的上下两端分别设置第一微纳金属颗粒层12、第二微纳金属颗粒层9，在不影响太阳光入射的前提下，对入射的太阳光进行有效反射，使得入射的太阳光，能够反复在半导体光电反应层中充分作用，从而提高光电转换的效率，另一方面，通过在半导体光电反应层的上方设置倾斜金属棒阵列10，入射的太阳光只有与倾斜金属棒阵列10排列倾斜的方向一致的时候才会形成最佳的输出效果，这样就可以对入射的太阳光的方向进行判定，可以用于记录太阳光的入射角度，筛选特定入射方向的光的作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：包括基底层（1），所述基底层（1）的上方设置有第一氮化镓层（2），所述第一氮化钙层（2）分为左部氮化镓层（3）、右部氮化镓层（4），所述右部氮化镓层（4）的上方设置有第一电极（6）；所述左部氮化镓层（3）的上方设置有铟氮化镓层（11），所述铟氮化镓层（11）的上方设置有第二氮化镓层（5），所述第二氮化镓层（5）的上方设置有金属光栅（7）、第二电极（8），所述左部氮化镓层（3）与基底层（1）之间还设置有第一微纳金属颗粒层（12）；所述金属光栅（7）与第二氮化镓层（5）之间设置有第二微纳金属颗粒层（9）；并且，所述第二微纳金属颗粒层（9）的金属颗粒分布于金属光栅（7）的金属条下方。
2.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：所述金属光栅（7）的金属条的排列周期为400nm～600nm。
3.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：所述基底层（1）为蓝宝石制成。
4.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：所述第一氮化镓层（2）为n型掺杂。
5.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：所述第二氮化镓层（5）为p型掺杂。
6.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：所述第一微纳金属颗粒层（12）、第二微纳金属颗粒层（9）的金属颗粒均是由大小不等的金属颗粒组成。
7.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：所述第一微纳金属颗粒层（12）、第二微纳金属颗粒层（9）均是由金制成。
8.如权利要求1所述的一种增强入射光有效光程的太阳能电池，其特征在于：包括基底层（1），所述基底层（1）的上方设置有第一氮化镓层（2），所述第一氮化钙层（2）分为左部氮化镓层（3）、右部氮化镓层（4），所述右部氮化镓层（4）的上方设置有第一电极（6）；所述左部氮化镓层（3）的上方设置有铟氮化镓层（11），所述铟氮化镓层（11）的上方设置有第二氮化镓层（5），所述第二氮化镓层（5）的上方设置有倾斜的金属棒阵列（10）。
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