CN217280797U

CN217280797U - 太阳能电池

Info

Publication number: CN217280797U
Application number: CN202220050791.9U
Authority: CN
Inventors: 朱瑞; 朱健; 郝成龙; 谭凤泽
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2032-01-10

Abstract

本申请提供了一种太阳能电池，属于光学技术领域。该太阳能电池包括超表面、二维材料层、正极、负极和衬底；其中，所述超表面包括阵列排布的纳米结构，且所述纳米结构为P型半导体；所述二维材料层包括具有直接带隙的N型二维半导体材料；所述正极、所述超表面、所述二维材料层和所述负极依次连接并设置于所述衬底的同一侧；其中，所述超表面位于所述二维材料层的上方，且所述超表面和所述二维材料层至少部分重叠，形成PN结。该太阳能电池利用超表面和二维材料层的共同作用，增加了太阳能的光能利用率，提升了太阳能的吸光效率。

Description

太阳能电池

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种太阳能电池。

背景技术

近几十年来，科技现代化、产业自动化程度不断地进步和革新，同时人口不断增长，能源的需求量也越来越大。然而，数十年大量化石能源的消耗给环境带来了严重影响，并且传统的化石能源有不断消耗殆尽的趋势。能源危机将会制约着现代社会的发展，因此开发和利用可再生能源是人类解决能源问题进而可持续发展的重要举措之一，也成为了当前众多科学家研究的重点课题。太阳能是公认的可再生清洁能源，可以满足人类当前和未来的能源需求。

目前市场上，硅是太阳能电池的首选材料。然而，由于硅是间接带隙半导体，间接带隙半导体的吸光效率比直接带隙半导体至少低三个数量级，所以现有的太阳能电池的吸光效率存在局限性。

因此，亟需研发吸光效率更高的太阳能电池。

实用新型内容

为解决现有太阳能电池吸光率存在局限的技术问题，本申请实施例提供一种太阳能电池。

本申请实施例提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括超表面、二维材料层、正极、负极和衬底；

其中，所述超表面包括阵列排布的纳米结构，且所述纳米结构为P型半导体；

所述二维材料层包括具有直接带隙的N型二维半导体材料；

所述正极、所述超表面、所述二维材料层和所述负极依次连接并设置于所述衬底的同一侧；

其中，所述超表面位于所述二维材料层的上方，且所述超表面和所述二维材料层至少部分重叠，形成PN结。

可选地，所述二维材料层为单层二维材料。

可选地所述二维材料层包括N型二维半导体材料或掺杂的N型二维半导体材料。

可选地，所述超表面中所述纳米结构以超结构单元的形式阵列排布；

其中，所述超结构单元的顶点和/或中心位置设置有所述纳米结构。

可选地，所述超结构单元的形状包括中心对称图形或轴对称图形。

可选地，所述纳米结构的形状包括正三角形、矩形、圆形、环形或十字形中的一种或多种。

可选地，所述纳米结构的周期大于或等于100nm，且小于或等于500nm。

可选地，所述纳米结构的高度大于或等于5nm，且小于或等于30nm。

可选地，所述纳米结构为负结构。

可选地，所述太阳能电池的PN结覆盖率大于或等于20％；

所述PN结覆盖率为所述二维材料层和所述超表面的重叠面积占所述超表面面积的比例。

可选地，所述PN结覆盖率大于或等于80％。

本申请实施例提供的太阳能电池，至少取得了以下有益效果：

本申请实施例提供的太阳能电池，以二维材料层和超表面重叠形成PN结。一方面通过使电子在超表面的纳米结构内散射增加了光生电子的扩散距离，从而增强了该PN结的光伏效应；另一方面通过超表面的纳米结构使入射的光子发生散射，增加了二维材料层吸收光子的量，进一步增强了该PN结的光伏效应。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了本申请实施例所提供的太阳能电池的一种可选结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的超结构单元排布示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的再一种超结构单元排布示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的又超结构单元排布示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的又一种超结构单元排布示意图；

图6示出了本申请实施例所提供的太阳能电池的光伏效应能带机理；

图7示出了本申请实施例所提供的太阳能电池的光电特性曲线；

图8示出了本申请实施例所提供的太阳能电池的又一种结构示意图。

图中附图标记分别表示：

100-超表面；101-纳米结构；102-超结构单元；

200-二维材料层；

301-正极；302-负极；

400-衬底。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。一种基于超表面陷光结构的薄膜硅太阳能电池，通过传统陷光结构的折射率周期渐变带来的陷光能力，同时通过超表面中心的非对称十字形谐振器能够激发可见光和近红外光谱上的Mie共振，即基于Mie散射理论的共振散射现象；并且根据光波导理论非对称模式下能够产生更多的波导模式共振，将光更有效耦合到吸收体内部。但这种结构的太阳能电池的吸光率依然受到硅薄膜的限制。

为了提高太阳能电池吸光率，有一种太阳能电池基于金属纳米颗粒-直接带隙半导体-金属结构，主要通过光电导效应原理提升热载流子的浓度，从而提高太阳能电池的吸光能力。但这种太阳能电池的结构复杂，且选用的半导体为二氧化钛，能带间隙宽(3.2eV)，仅能吸收紫外光。而紫外光仅占太阳能中的5％，故此种结构的太阳能电池的能量利用率低。

图1示出了本申请实施例所提供的太阳能电池的一种可选结构的示意图。如图1所示，该太阳能电池包括超表面100、二维材料层200、正极301、负极302和衬底400。

其中，超表面100包括阵列排布的纳米结构101，且纳米结构101为P型半导体。二维材料层200包括具有直接带隙的N型二维半导体材料。

正极301、超表面100、二维材料层200和负极302依次连接并设置于衬底400的同一侧。

其中，超表面100位于二维材料层200的一侧，且超表面100和二维材料层200至少部分重叠，形成PN结。超表面100和正极301电气连接。二维材料层200和负极302电气连接。该PN结的结区，即超表面100和二维材料层200的重叠部分，存在势垒。

本申请实施例提供的太阳能电池采用P型半导体材料的超表面与具有直接带隙的N型二维半导体形成PN结。当阳光照射该PN结时，由于光伏效应，从而产生外电流。该太阳能电池通过正极301和负极302与外部电路连接。由于，该PN结作为光敏元件，其中的二维半导体具有直接带隙，相比传统太阳能电池采用的间接带隙半导体，其具有更高的吸光效率。超表面100中阵列排布的纳米结构101具有散射效应，当被光照射时，光子会被散射，进而增加了二维材料层200吸收光子的路径，使该太阳能电池可以吸收更多的光，提高了太阳能的利用率。

优选地，超表面100的材料为P型硅。进一步地，超表面100的材料还可以为P型掺杂的硅，可选的掺杂元素包括硼、铝或铟等。优选地，二维材料层200的材料包括N型二维半导体材料或N型掺杂的二维半导体材料等。优选地，二维材料层200为单层二维材料。二维材料层200的制备方法可选择地包括化学气相沉积法(CVD，Chemical Vapor Deposition)、氧化还原插层剥离法、水热模板组装法或超声剥离法等。

具体而言，衡量太阳能电池性能的品质因数包括短路电流、开路电压、填充因子(FF，Filling Factor)和能量转化效率。

其中，短路电流指的是当太阳能电池两端的电压为0时电路内部的电流，如图7所示的光电特性曲线中的I_SC。开路电压是指光照条件下，PN结外电路开路时，P端对N端的点压，即如图7所示的光电特性曲线中的V_OC。填充因子指的是该太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流成绩的比值。填充因子满足：

公式(1)中，P_max指的是太阳能电池能达到的最大功率，V_mp和I_mp是功率最大时对应的电压和电流。

能量转化效率(PCE，Power Conversion Efficiency)指的是入射的光能转化为电能的比例。能量转化效率满足：

公式(2)中，P_max指的是太阳能电池能达到的最大功率，V_OC为开路电压，I_SC为短路电流，FF指的是填充因子。由公式(2)可知，短路电流和开路电压越大，能量转化效率越高。

如图7中虚线所示，在暗态条件下，该PN结的光电特性曲线呈现整流特性，并且经过原点，即V_DS＝0时，I_D＝0；如图7中实线所示，在光照条件下，由于光伏效应产生了开路电压和短路电流，PN结的光电特性曲线仍呈现整流特性，但不经过原点。

当足够量的光照射到该太阳能电池中超表面100和二维材料层200形成PN结时，产生光生电子空穴对，位于空间电荷区的光生电子空穴对在内建场的作用下自发分离，分离后的电子流向二维材料层200，空穴流向超表面100，在开路的状态下形成开路电压V_OC，在闭路的状态下形成短路电流I_SC，该现象称为光伏效应。该太阳能电池的光伏效应能带机理如图6所示。图6中，超表面100为价带，二维材料层200为导带。当光子的能量(hv)大于禁带宽度时，价带中的少子电子从价带运动到导带。

该PN结中，超表面100产生的光生空穴，二维材料层200产生的光生电子属于多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有超表面100的光生电子、二维材料层200的光生空穴和结区的电子空穴对(即少子)能在内建电场的作用下漂移过结。也就是说，超表面100的光生电子被拉向二维材料层200，二维材料层200的光生空穴被拉向超表面100，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在二维材料层200的边界附近有光生电子积累，在超表面100的边界附近有光生空穴积累。积累的光生空穴与光生空穴产生一个与热平衡PN结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由超表面100指向二维材料层200。此电场使势垒降低，势垒的减少量即光生电势差。在一些情况下，二维材料层200的边界可以是指二维材料层200的上下表面。

此时，超表面100为正，二维材料层200为负，此时费米能级分离，因而产生压降。通过光照在该PN结的结区中产生的电子空穴对越多，电流越大。设二维材料层200中空穴在寿命τ_p的时间内扩散距离为L_p，超表面100中电子在寿命τ_n的时间内扩散距离为L_n。若L_n与L_p相加的和L远大于该PN结的宽度，则可认为在该PN结附近平均扩散距离L内产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离该PN结超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对该PN结光伏效应无贡献。

此外，由于该PN结的P区为超表面100，电子在超表面100中阵列排布的纳米结构101内会发生多次散射，从而使电子的扩散距离L_n变长。由上述内容可知，PN结中光生电子的扩散距离的增加，使PN结附近更大范围内的光生载流子对光电流有贡献，增加了该太阳能电池的短路电流。此外，光生电子扩散距离的增加也使超表面100中更大范围内的空穴对电压有贡献，使该太阳能电池的开路电压更大。因此，超表面100对电子扩散距离的作用增大了太阳能电池的能量转化效率(PCE)。

另一方面，由于超表面100中阵列排布的纳米结构101具有散射效应，当被光照射时，光子被纳米结构101散射，使二维材料层200吸收光子的路径增加。因此，二维材料层200可以吸收更多的光，从而使该太阳能电池的吸光效率增加。

将二维材料层200和超表面100的重叠面积占超表面100面积的比例称为PN结覆盖率。在一种可选的实施例中，该太阳能电池的PN结覆盖率大于或等于20％、大于或等于30％、大于或等于40％、大于或等于50％，或者大于或等于60％。优选地，该太阳能电池的PN结覆盖率大于或等于80％。更优选地，该太阳能电池的PN结覆盖率大于或等于95％。理论上，PN结覆盖率越大越好，但不能等于100％，以避免二维材料层200和超表面100同时接触电极，无法形成PN结。

在本申请一些优选的实施例中，如图2至图5所示，该太阳能电池的超表面100中，纳米结构101以超结构单元102的形式阵列排布。其中，超结构单元102的顶点和/或中心位置设置有纳米结构101。通过超结构单元102可以直接调制入射光的相位、幅度和偏振等特性。可选地，如图2至图5所示，纳米结构101的形状包括中心对称图形或轴对称图形。示例性地，纳米结构101包括矩形、圆形、环形或十字形中的一种或多种。在本申请一些优选的实施方式中，纳米结构101的周期大于或等于100nm，且小于或等于500nm。纳米结构周期指的是相邻两个纳米结构的中心的距离。

优选地，纳米结构101为超表面100上的凹陷结构。在本申请一些可选的实施例中，纳米结构101的高度或深度大于或等于5nm，小于或等于30nm。在本申请实施例中，超结构单元102的形状相比纳米结构101的形状对超表面100光学性能的影响较小。因此，主要通过调控纳米结构101的形状调控超透表面100的性能。

在一种可选的实施方式中，纳米结构101为负结构，即纳米结构101为超表面100表面的凹陷结构。

示例性地，本申请实施例提供了一种太阳能电池，如图8所示，该太阳能电池包括铝掺杂的硅超表面100、二维的N型半导体二硫化钼(MoS₂，Molybdenum Disulfide)200、正极301、负极302和衬底400。

其中，铝掺杂的硅超表面100设置在衬底400的一侧，二维的N型半导体二硫化钼200覆盖在铝掺杂的硅超表面上。铝掺杂的硅超表面100和二维的N型半导体二硫化钼200至少部分重叠，形成PN结。铝掺杂的硅超表面100和正极301电气连接，二维的N型半导体二硫化钼200与负极302电气连接。

铝掺杂的硅超表面100的纳米结构101以超结构阵列102的形式阵列排布，超结构单元102的形状为正三角形。可选地，纳米结构101位于超结构单元102的顶点位置。可选地，纳米结构101位于超结构单元102的顶点和中心位置。超结构单元102的周期为150nm。纳米结构101的高度为10nm。

通过测量该太阳能电池在太阳光照射下的光电特性，得到该太阳能电池的短路电流可以达到15mA/cm²，开路电压可以达到0.8V，能量转化效率可以达到7％。而传统的硅太阳能电池的短路电流在4mA/cm²～6.5mA/cm²之间，开路电压在0.35V～0.48V之间，能量转化效率在1％～3％之间。因此，本申请实施例提供的太阳能电池相较于传统太阳能电池性能有明显提高。

综上所述，本申请实施例提供的太阳能电池，以二维材料层和超表面重叠形成PN结。一方面通过使电子在超表面的纳米结构内散射增加了光生电子的扩散距离，从而增强了该PN结的光伏效应；另一方面通过超表面的纳米结构使入射的光子发生散射，增加了二维材料层吸收光子的量，进一步增强了该PN结的光伏效应。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括超表面(100)、二维材料层(200)、正极(301)、负极(302)和衬底(400)；

其中，所述超表面(100)包括阵列排布的纳米结构(101)，且所述纳米结构(101)为P型半导体；

所述二维材料层(200)包括具有直接带隙的N型二维半导体材料；

所述正极(301)、所述超表面(100)、所述二维材料层(200)和所述负极(302)依次连接并设置于所述衬底(400)的同一侧；

其中，所述超表面(100)位于所述二维材料层(200)的一侧，且所述超表面(100)和所述二维材料层(200)至少部分重叠，形成PN结。

2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述二维材料层(200)为单层二维材料。

3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述二维材料层(200)包括N型二维半导体材料或掺杂的N型二维半导体材料。

4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述超表面(100)中所述纳米结构(101)以超结构单元(102)的形式阵列排布；

其中，所述超结构单元(102)的顶点和/或中心位置设置有所述纳米结构(101)。

5.如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米结构(101)的形状包括中心对称图形或轴对称图形。

6.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米结构(101)的形状包括正三角形、矩形、圆形、环形或十字形中的一种或多种。

7.如权利要求1或4-6中任一所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米结构(101)的周期大于或等于100nm，且小于或等于500nm。

8.如权利要求1或4-6中任一所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米结构(101)的高度或深度大于或等于5nm，且小于或等于30nm。

9.如权利要求1或4-6中任一所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米结构(101)为负结构。

10.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池的PN结覆盖率大于或等于20％；

所述PN结覆盖率为所述二维材料层(200)和所述超表面(100)的重叠面积占所述超表面(100)面积的比例。