CN203607459U - 高效薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高效薄膜太阳能电池，太阳能电池的主体结构是由超材料组成，超材料结构由三层结构组成，其中上层和下层是金属光栅结构，金属光栅的光栅之间为介质，中间层是介质结构，其中上层的金属和下层的金属相互对准，上层的介质和下层的介质相互对准，中间层为半导体异质结，金属光栅的所有金属条的末端通过金属条连接起来，半导体异质结的厚度H范围在50-70纳米之间，金属光栅的金属条宽度Wd范围在55至65纳米之间，光栅周期p范围在140至160纳米之间，金属光栅的金属条厚度L的范围在55至65纳米之间。本实用新型节省了一半的金属成分，并且很大的减轻了器件的重量，在实际应用和施工过程中带来了很大的轻便。

Description

高效薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏器件，尤其涉及薄膜(有机或者是无机)太阳能电池的改进。

背景技术

氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜电极和其他掺杂透明导电电极－仅有导电功能，并且制备工艺要求比较高。

在太阳能电极的基底上增加单层金属（大小几十纳米）颗粒－仅仅利用颗粒的散射，对光的吸收增加能力有限。

在太阳能电池的背反射层刻蚀上金属网膜－仅仅提高了反射，将太阳光的路径增加一倍，但是对太阳光的束缚能力不强。

由于太阳能发电具有火电、水、核电所不能比拟的清洁性、安全性、资源的广泛和充足性等，使其成为21世纪各个国家主力开发的最美妙、最长寿、最有潜力和最可靠的新一代能源技术。

薄膜太阳能电池顾名思义就是将一层半导体异质结薄膜加上上、下两层电极制备而成，其使用的功能层（有机半导体或者无机半导体）极少，因此更容易降低成本。它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。然而到目前为止薄膜太阳能电池由于功能层比较薄，对太阳光的利用率依然不高，在现有的薄膜太阳能电池设计中，只有少于15%的入射光能为半导体异质结吸收利用。为了优化薄膜太阳能电池的性能需要增加半导体异质结对光能的吸收并增加其光电转换效率。为了增加薄膜太阳能电池对光的吸收和转换利用，目前已经有各种各样的办法。包括在背电极上增加了金属颗粒（以增加散射太阳光，图1，其中黑色部分为金属）和金属周期型（以增加反射太阳光，图2，其中黑色部分为金属）结构。

其中，利用随机分布的金属纳米粒子用作亚波长散射元素把平面太阳光波耦合和限制在吸收层中，比如利用在太阳能电池的表面随机散布的金属纳米颗粒多次散射入射太阳光，延长太阳光在功能薄膜层中的路径。但是纳米颗粒束缚光的能力比较差，对太阳光吸收率提高的程度仍然远远小于实际应用的需要，比如目前为止通过金属颗粒激发局域等离子体波的办法仅仅能将吸光效率提高1.7倍左右。

而利用金属纳米粒子用作亚波长天线，通过近场效应把局域等离子体波耦合到功能层，从而增加功能层的吸收截面。但是这种方式对制备的技术要求非常高，而且有效耦合到功能层的太阳光仅增加一倍左右。

在薄膜太阳能电池的电极刻蚀上金属光栅或者各种波纹，从而把太阳光耦合成金属和功能层界面处的等离子体基元，等离子基元会沿着界面传播并被功能层转化为光生载流子，从而增加其被功能层吸收的几率。但是这种方式仅仅提高了对于逃逸太阳光的反射，将太阳光的路径增加一倍，但是对太阳光的束缚能力不强，效果并不佳。

实用新型内容

为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种高效薄膜太阳能电池，太阳能电池的主体结构是由超材料组成，超材料结构由三层结构组成，其中上层和下层是金属光栅结构，金属光栅的光栅之间为介质，中间层是介质结构，其中上层的金属和下层的金属相互对准，上层的介质和下层的介质相互对准，中间层为半导体异质结，金属光栅的所有金属条的末端通过金属条连接起来，半导体异质结的厚度H为50-70纳米，金属光栅的金属条宽度Wd为55至65纳米，金属光栅周期p为140至160纳米，金属光栅的金属条厚度L为55至65纳米。

作为本实用新型的进一步改进，所述半导体异质结为有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。

作为本实用新型的进一步改进，所述上层和下层是金属光栅为银光栅。

作为本实用新型的进一步改进，上层的介质和下层的介质为空气或者是聚合物。

作为本实用新型的进一步改进，金属光栅的金属条厚度L的范围在58至63纳米之间。

作为本实用新型的进一步改进，金属光栅的金属条厚度范围是Wd范围在58至63纳米之间。

作为本实用新型的进一步改进，光栅周期p范围在145至155纳米之间。

作为本实用新型的进一步改进，半导体异质结的厚度H必须范围在55-65纳米之间。

作为本实用新型的进一步改进，还包括基底，所述下层设置在基底上。

本实用新型的有益效果是：

高效：该结构能够保证至少50%以上的入射太阳能背薄膜太阳能电池的功能层吸收利用转化成电能。

节能：该结构避免了剩余的入射太阳光在器件内部或者外部转换成热能，造成实际器件的不稳定。

节省材料：相比在薄膜太阳能电池的电极刻蚀上金属光栅或者各种波纹，本结构节省了一半的金属成分，并且很大的减轻了器件的重量，在实际应用和施工过程中带来了很大的轻便。

附图说明

图1是现有的金属颗粒作为背面电池上的散射源结构示意图；

图2是现有的金属光栅结构作为下电极的散射源结构示意图；

图3a是本实用新型高效薄膜太阳能电池立体图；

图3b是本实用新型高效薄膜太阳能电池包括基底的立体图；

图4是本实用新型高效薄膜太阳能电池截面图；

图5是本实用新型透射光谱；

图6是本实用新型有光栅结构/无光栅结构下的吸收能量谱；

图7是本实用新型吸收能量的增强因子。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

针对现有薄膜太阳能电池的导电电极存在的不足，为了增加薄膜太阳能电池的半导体异质结对入射太阳光的吸收和光电转换效率，同时提高制备的准确性和方便度，特提出以下新型薄膜太阳能电池的前、背电极设计，通过以下方面加以改进，真正实现“高效，无污染，可再生,低成本太阳能电池”。

在该设计中，利用具有特殊性能的超材料的局域场效应来提高薄膜太阳能电池的吸光效率。具有特殊光学性质特别是光学磁响应的超材料一般是由金属纳米结构构成，特殊设计的超材料能够很好地把光局域在纳米量级的空间上，一般在结构内部有着非常强的局域场，现有的设计和试验证实，在具有特殊性质的超材料的内部仅有几十个纳米的空间里，电场强度可以增强50倍以上，也就是说强局域场部分的光能量能被提高一千倍以上。在我们拟定的本实用新型中，将超材料的上、下金属纳米膜分别作为薄膜太阳能电池的前、背电极，由于特别设计的具有磁谐振的超材料会将80%以上的入射光局域在中间的介质层里，所以对于本实用新型设计的太阳能电池来说，入射的太阳光会被局域在两层电极的中间，而无法逃逸出去。如果在这些区域填充上半导体异质结等的话，将会极大地提高太阳光的吸收效率，另外超材料还能提高半导体异质结的光电转换效率。

具体实施方案如下：

一个基于有机半导体的薄膜太阳能电池器件，主体结构是由超材料组成，超材料结构由三层结构组成，其中上下两层1和3是金属光栅结构，中间的一层2是介质结构，其中上层1和下层3的结构必须金属和金属，介质和介质相互对准。在本实用新型中，把半导体异质结（有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物（P3HT:PCBM））作为中间介质材料，聚三已基噻酚:富勒烯衍生物（P3HT:PCBM）是现在非常通用的有机半导体，这类聚合物的吸收峰位在500纳米，吸收光谱比较宽。结构如图3a和图3b所示：

前、背电极是超材料的金属光栅结构，金属材料是银，中间用空气或者是聚合物填充，这个结构可用数种办法获得，包括采用光刻的办法，先用掩膜版刻蚀出光栅图案以后再用电子束真空蒸镀的办法在玻璃基底上镀上银。还有一种办法就是先镀上金属银平整膜后用刻蚀的办法，将金属膜选择性的从金属基底表面剥除。1与3是完全一样并且光栅是对准的，所有金属条的末端通过另外一个金属条连接起来，保证电流可以不受限制的被收集。有机半导体异质结可以利用热蒸镀的办法获得，厚度H必须控制（范围在50-70纳米之间），使得超材料谐振波长和太阳光主要光谱复合起来。整个器件最后落在基底4上面,基底4可选用硅或者是玻璃。

第一步设计在没有吸收的聚合物作为中间层的时候，采用的参数是金属光栅的金属条宽度Wd范围在55至65纳米之间,光栅周期p范围在140至160纳米之间，金属光栅的金属条厚度L的范围在55至65纳米之间。

上下金属电极组成的结构的透射光谱如图5：

该结构的磁谐振波长在500nm，这也同时对应了P3HT:PCBM功能层的吸收峰和太阳能量最强的波长。进一步的计算出把60纳米P3HT:PCBM层植入到金属光栅组成的上下电极中间，对比其吸收光能力的变化，结果如图6所示，从图可见，加入金属光栅作为电极以后，60纳米的P3HT:PCBM薄膜吸收的能量增加了6-7倍以上。

图7，吸收能量的增强因子，该结构有的优势如下：

通过设计薄膜太阳能电池功能层的厚度，使得入射的太阳光没法透过下层金属网格，全部被束缚在薄膜太阳能电池的功能层。上下两层的金属网格结构能够激发谐振，光基本集中在薄膜太阳能电池的功能层中，不断地被吸收利用转化成为电子。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种高效薄膜太阳能电池，其特征在于：太阳能电池的主体结构是由超材料组成，超材料结构由三层结构组成，其中上层（1）和下层（3）是金属光栅结构，金属光栅的光栅之间为介质，中间层（2）是介质结构，其中上层（1）的金属和下层（3）的金属相互对准，上层（1）的介质和下层（3）的介质相互对准，中间层（2）为半导体异质结，金属光栅的所有金属条的末端通过金属条连接起来，半导体异质结的厚度H为50-70纳米，金属光栅的金属条宽度Wd为55至65纳米，金属光栅周期p为140至160纳米，金属光栅的金属条厚度L为55至65纳米。

2.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：所述半导体异质结为有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。

3.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：所述上层（1）和下层（3）是金属光栅为银光栅。

4.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：上层（1）的介质和下层（3）的介质为空气或者是聚合物。

5.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：金属光栅的金属条厚度L的范围在58至63纳米之间。

6.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：金属光栅的金属条厚度Wd范围在58至63纳米之间。

7.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：光栅周期p范围在145至155纳米之间。

8.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：半导体异质结的厚度H范围在55-65纳米之间。

9.根据权利要求1所述的高效薄膜太阳能电池，其特征在于：还包括基底（4），所述下层（3）设置在基底（4）上。

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