CN202094161U - 用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元，具体结构由长程等离子体激元波导阵列、衍射光栅、透明导电薄膜、玻璃衬底、光伏材料构成，其特征在于利用波导阵列增效单元所产生的表面等离子体激元来局域化增强金属波导表面的光场强度，提高太阳能电池上对入射太阳光的吸收率。采用这种技术可以在不影响顶层光伏材料对迎光面入射光的正常吸收情况下，增加太阳能电池对入射光的吸收率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元

技术领域

本实用新型属于光伏太阳能电池技术领域，涉及一种用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元。

背景技术

能源问题是当今社会面临的重要问题之一，随着化石燃料能源的逐渐枯竭，寻找新型、可再生的能量来源成为目前科学研究领域的热门问题。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，最有潜力成为世界的主流能源，其开发和利用已得到人们广泛地关注。目前晶体硅太阳能电池技术已经较为成熟，总能量转换效率已达20%以上，是目前应用最为广泛的一种太阳能电池,然而其昂贵的价格和复杂的制作工艺限制了它的应用。因此，通过技术手段提高低成本薄膜太阳能电池的光电转换效率是扩大太阳能产业的一个重要手段。

等离子体激元波导是近年来纳米光子学研究领域中开发的新型光学器件，等离子体激元学同时也是近年来纳米光子学研究领域的新兴研究方向。等离子体激元波导外观呈条状薄膜，膜厚一般为数纳米到几十纳米，宽度一般为微米量级。制作材料可采用多种金属材料，然而考虑到材料损耗及器件的实际应用背景，一般选用损耗较小的金、银、铂等贵重金属。等离子体激元波导在入射光的电场作用下，金属与介质的边界处的电子将会产生连续起伏的纵向振荡，进而在金属与介质的表面激发起一种特殊的电磁波。根据等离子体理论，这种电磁波为一种光的横磁模，磁场分量垂直与传输方向。当等离子体激元波导被激发后，相对于传统非金属透明材料光波导，等离子体激元波导具有独特的光学局域化增强效应、亚波长光学传导特性以及光电转换特性等，这些性质促使等离子体激元波导在纳米集成光学器件技术和光电子传感等方面得到了广泛的应用。

目前，在太阳能电池技术领域，通过金属纳米颗粒为太阳能电池增效的技术手段已屡见不鲜，但是以采用等离子体激元波导阵列的方式来提高太阳能电池效率的技术还未见报道。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提高太阳能电池的光电转换效率，本实用新型提出了用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元，利用这种增效单元所产生的金属表面等离子体激元对照射到太阳能电池上的入射光产生局域化增强的作用，提高太阳能电池的光电转换效率。

技术方案： 本实用新型的用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元由长程等离子体激元波导阵列、衍射光栅、透明导电薄膜、玻璃衬底、光伏材料构成；在玻璃衬底上设置透明导电薄膜，在透明导电薄膜上处在同一平面内纵横排列分布有波导阵列，在纵向排列的两波导阵列之间设置衍射光栅，光栅具体个数不限，波导阵列与衍射光栅厚度为数纳米到几十纳米，波导阵列中任意波导都为矩形薄膜结构，长度和宽度不限；入射光经过光伏材料，被局域在波导阵列表面，并使波导阵列表面的光场强度大幅增强，显著提高光伏材料对入射太阳光的吸收效率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

制备金属波导阵列以及衍射光栅所用的金属材料为金、银、铜、镍、锌、铂等金属，或是以上材料各自的合金，或是不同金属复合材料。

该增效单元根据应用于不同太阳能电池时，光伏材料根据应用于不同的太阳能电池为不同的具体材料；应用于染料敏化太阳能电池，光伏材料为氧化还原电解质材料，如                                                

和乙腈、戊腈、 32甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯等或者其混合物,；应用于其他太阳能电池，光伏材料为半导体材料，如晶体硅、非晶硅、铜铟镓硒、铜铟硒、碲化镉、砷化镓、铝镓砷、镓铟磷锗等材料。

透明导电薄膜材料为氧化铟锡（ITO）或掺氟氧化锡（FTO）透明导电薄膜材料，厚度为数纳米到几十纳米。

本实用新型从原理上看，实现如下：入射光穿过光伏材料入射到背电极上的衍射光栅上时，根据表面等离子体理论，金属衍射光栅将产生附加波矢量，当附加波矢量与自由空间波矢量之和等于相应的表面等离子体波矢量时，即可激发金属与介质表面长程传输的等离子体激元。这种作用可以把垂直照射的入射光转换成沿金属波导传输的电磁波，在金属波导周围产生强烈的局域化增强的光场。在光场分布上来看，金属表面可产生光场强度很强的光斑，范围可达数微米到几十微米。当染料太阳能电池的光阳极或其他太阳能电池的光伏材料处于这个光场范围之内时，太阳能电池吸收入射光的效率显然得到了加强。这种作用即意味着在不影响迎光面光伏材料对入射光的正常吸收的情况下，还尽可能多地利用透射后的太阳光，进一步增加太阳光的利用效率，对太阳能电池的光电转换效率有相当明显地改善。

有益效果：本实用新型与现有的太阳能电池相比具有以下的优点：1、这种技术，可以在不影响太阳能电池迎光面的光伏材料对入射光正常吸收的情况下增大入射光的利用率，提高太阳能电池整体的光电转换效率。

2、这种技术可显著增加传统太阳能电池吸收效率很低的长波段的可见光和近红外波段光线的吸收效率。

3、这种技术可以增加光吸收的同时，减小太阳能电池光伏材料的厚度，进一步降低太阳能电池发电成本。

4、这种增效单元具有制备方法多样化，成本低，增效效果明显等优点，而且适用于各种太阳能电池，可获得较好的经济效益。

附图说明

图1长程等离子体激元波导阵列增效单元结构示意图。

图2金属波导阵列激励等离子体激元示意图。

图3软件模拟金属等离子体波导阵列周围光场分布示意图

图4增效单元应用于染料敏化太阳能电池时的横截面结构示意图。

本实用新型所提出的用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元主要是改进了太阳能背电极的结构，在背电极上制作出一系列的长程等离子体激元波导阵列，这种阵列使其金属表面产生等离子体激元，增强波导阵列周围的光场强度，增大太阳能电池对入射光的吸收。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步描述。

本实用新型所提出的一种长程等离子体激元波导阵列增效单元如图1所示。构成长程等离子体激元波导阵列增效单元由如下部分构成：长程等离子体激元波导阵列1、衍射光栅2、透明导电薄膜3、玻璃衬底4、光伏材料5构成。长程等离子体激元波导阵列1和衍射光栅2为金属或金属合金材料，透明导电薄膜3为氧化铟锡（ITO）或者掺氟氧化锡（FTO）等导电氧化物薄膜材料，厚度为1微米以下。对于染料敏化太阳能电池，光伏材料5为氧化还原电解质，对于其他太阳能电池，光伏材料5根据不同的太阳能电池为相应的半导体材料，如晶体硅、非晶硅、铜铟镓硒、铜铟硒、碲化镉、砷化镓、铝镓砷、镓铟磷锗等材料。

本实用新型所涉及到的主要创新点在于:在太阳能电池增效单元中设计了能产生长程传输等离子体激元的波导阵列1。为了能激励起金属表面等离子体激元，在增效单元中还设计了衍射光栅2，这种结构对入射光能产生局域化增强的作用，具体实现方式如下：根据等离子体理论，太阳光先通过衍射光栅的作用产生各种级别的衍射光（如图2），而这些衍射光可为激励长程传输的表面等离子体激元提供附加波矢量，当自由空间波矢量与附加的波矢量之和等于相应表面等离子体激元波矢量时，金属表面等离子体激元即可被激发，在波导阵列表面产生把光场能量转化为等离子体激元模式，即在金属波导阵列上产生一个光强分布（如图2）。利用软件模拟，可形成如图3所示的光场分布（场强线分布越密集的位置场强越大）,其周围光场强度可达入射光的

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倍，有效范围为几十微米。当太阳能电池光伏材料在这个有效范围之内时，即可吸收金属表面激发的光场能量，从而达到不影响电池迎光面光伏材料对入射光正常吸收的情况下增加太阳能电池光电转换效率的目的。

下面结合染料太阳能电池（如图4），对本实用新型方案做一详细描述，但本实用新型的保护范围无限于下述的实施例。实施例1：制备具长程等离子体激元波导阵列增效单元

首先对玻璃衬底的表面进行清洁抛光，使其表面平整度至少小于1nm，然后采用磁控溅射沉积、真空蒸发沉积、溶胶 - 凝胶法、静电喷雾辅助气相沉积法和强流脉冲离子束方法中的一种在玻璃衬底上制备出氧化铟锡（ITO）薄层，要求平整度不低于2nm。对ITO玻璃进行再次清洗吹干，然后在其表面旋涂一层正性光刻胶ZPU450，采用与金属波导阵列和衍射光栅结构相配套的掩模板进行掩模曝光。然后利用显影液进行显影，显影后ITO表面即可出现一个与金属波导阵列和衍射光栅结构正好相反的光刻胶图形。采用热蒸镀法在ITO表面镀一层金薄膜，厚度为20-40nm。然后利用剥离有机溶液把光刻胶以及光刻胶上层的金属薄膜去掉。这样即可完成金属波导阵列和衍射光栅结构的制作，最后，在做好的金属波导阵列和衍射光栅结构上涂覆一层含有氧化还原对的电解质即可完成长程等离子体激元波导阵列增效单元的制备。

实施例2：制备染料敏化太阳能电池光阳极利用常规制备工艺溶胶凝胶法、水热合成法、电泳沉积法、磁控溅射法等制备出本实用新型所要求的光阳极（如图4）。首先在玻璃衬底6上制备透明导电薄膜7，要求透明导电薄膜的导电材料为氧化铟锡（ITO），厚度为30-90nm。

半导体膜为多孔纳米膜8，材料为ZnO，孔的直径为20-90nm。然后在半岛体膜表面涂覆一层染料敏化剂9。染料敏化剂为联吡啶金属络合物系列、 酞菁系列、 卟啉系列、 纯有机染料系列中的一种，优先采用联吡啶金属络合物N719。

实施例3：制备太阳能电池 把上述的长程等离子体激元波导阵列增效单元与染料敏化太阳能电池光阳极结合，要求光阳极具有染料敏化剂的一面与增效单元具有电解质的一面相结合，封装牢固，即可完成染料太阳能电池的制备。

Claims (2)

1.一种用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元，其特征在于，该增效单元由长程等离子体激元波导阵列（1）、衍射光栅（2）、透明导电薄膜（3）、玻璃衬底（4）、光伏材料（5）构成；在玻璃衬底（4）上设置透明导电薄膜（3），在透明导电薄膜（3）上处在同一平面内纵横排列分布有波导阵列（1），在纵向排列的两波导阵列（1）之间设置衍射光栅（2），光栅具体个数不限，波导阵列（1）与衍射光栅（2）厚度为数纳米到几十纳米，波导阵列（1）中任意波导都为矩形薄膜结构，长度和宽度不限；入射光经过光伏材料（5），被局域在波导阵列（1）表面，并使波导阵列表面的光场强度大幅增强，显著提高光伏材料对入射太阳光的吸收效率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

2.如权利要求1所述的用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元，其特征在于，该增效单元根据应用于不同太阳能电池时，光伏材料（5）根据应用于不同的太阳能电池为不同的具体材料；应用于染料敏化太阳能电池，光伏材料（5）为氧化还原电解质材料；应用于其他太阳能电池，光伏材料（5）为半导体材料。

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