CN103915520A - 一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池，包括：硅基薄膜以及具有周期性空气孔的金属薄膜；所述具有周期性空气孔的金属薄膜位于硅基薄膜表面；而且，所述周期性空气孔穿透所述金属薄膜。通过设计金属网格的结构参数，即可以实现对太阳光光谱中特定波长的光放大、增加特定波长的光入射到硅基薄膜内部的能量，光程增加，光吸收增大，从而可以提高太阳能电池的光电转换效率。本发明所设计的太阳能电池结构具有结构紧凑、光电转换效率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池应用技术领域，更具体地说，本发明涉及一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池。
背景技术
随着纳米技术和纳米电子技术的快速发展,表面等离子体激元（SurfacePlasmonpolaritons,SPPs）在近年来成为一个新兴的研究方向。SPPs是当电磁波入射到金属与介质表面，在交界面处产生的表面电磁波振荡，其电场强度在金属表面最大，随着垂直于交界面的距离的增大而呈指数衰减。因此，SPPs是一种表面波，它的电磁场被约束在金属与介质交界面附近的范围内。SPPs具有增强透射效应，通过设计金属亚波长阵列的结构参数，即可以实现对特定频率点放大、对其它频率段滤波。此外，它还可以突破衍射极限，把电磁波约束在亚波长尺寸范围内传播。金属材质、亚波长结构及金属表面介质都会对SPPs产生影响，SPPs还具有二维空间（表面）传播的特性，这些都易于对其进行操控。目前，SPPs效应已经应用在滤波、波导传输、谐振腔、激光放大、传感和成像等多个领域。
太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特效应将太阳能转化为直流电能的光电器件，它通常也被称为光伏电池，太阳能电池单元是大面积光伏应用设施的基础。据国际能源组织估计，2012年世界光伏生产总量已经超过40千兆瓦（GW）,预计到2050年，光伏电池的发电量将会占到全球发电量的11%从而使得二氧化碳的全球排放量每年降低2.3亿吨（Gt）。目前，用来发电的半导体材料主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、多元化合物、有机半导体、氧化钛纳米晶、敏化染料等等。
由太阳能电池的工作原理可知，任何一种衬底材料的极限光电转换效率是考虑了自身本征特性（能带间隙）之后的理想效果，为了趋近其极限转换效率，应该做到以下两个方面：一方面是减少电学损失，即选择合适的衬底材料，采用高质量的制造技术（如低缺陷、低光生载流子的复合）和精细的器件结构设计（有利于光生载流子的产生、分离与收集）；另一方面是充分吸收太阳光谱中的能量，即充分利用每一个光子的能量，要求电池表面无反射损失及采用理想的陷光技术以达到最大光吸收。虽然砷化镓（GaAs）材料的吸收谱与太阳光谱（300nm～900nm）最匹配的，基于GaAs的单接面太阳能电池的极限光电转换效率最高，但考虑到它的毒性及加工技术的复杂性，一般将单晶硅、非晶硅等硅基材料作为研究的重点。为了实现电池表面低的反射损失，拓宽可吸收的太阳光谱，延长光在电池中传输的光程（多次反射），需要精细地设计电池表面抗反射微结构。
太阳能电池的成本、材料毒性、转换效率及应用波段等制约了其大规模推广。近年来提出的硅基薄膜太阳能电池是只有几百纳米厚度的半导体材料，它可以降低成本、减少原料消耗，便于大规模推广。但由硅材料的本征吸收特性可知，单晶硅在600nm～1100nm波段的吸收率较低（文献1，HarryA.AtwaterandAlbertPolman，表面等离子体激元增强光伏电池，自然材料，9（205），2010），其光电转换效率只有约10%。近几年，新西兰和澳洲的科学家提出在电池表面放置金属纳米颗粒阵列来有效地增强光的吸收。来有效的增加太阳光的入射能量，使得光在电池内部被多次反射，能量充分吸收，从而提高太阳能电池的转换效率。
本申请的发明人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，在太阳能电池中引入金属网格结构。将金属与介质交界面处激励的表面等离子体激元效应与太阳能电池的光电效应相结合，在硅基薄膜太阳能电池结构表面镀上一定厚度的金属薄膜，并在该金属薄膜上加工周期性空气孔从而形成金属网格结构。当太阳光入射至该结构表面时，在金属网格和硅基薄膜的交界面处激发出金属表面等离子体（SPPs）。SPPs具有增强透射效应，通过设计金属网格的结构参数，即可以实现对太阳光光谱中特定波长的光放大、增加特定波长的光入射到硅基薄膜内部的能量，光程增加，光吸收增大，从而可以提高太阳能电池的光电转换效率。本发明所设计的太阳能电池结构具有结构紧凑、加工简单、光电转换效率较高的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在传统的太阳能电池光电转换效率较低不足的缺陷，提供一种结构紧凑、加工简单、光电转换效率较高的硅基薄膜太阳能电池。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池，其包括：硅基薄膜以及具有周期性空气孔的金属薄膜；所述具有周期性空气孔的金属薄膜位于硅基薄膜表面；而且，所述周期性空气孔穿透所述金属薄膜。
优选地，所述硅基薄膜材料为单晶Si。
优选地，所述硅基薄膜厚度在纳米级别，一般为100nm～500nm。
优选地，所述金属薄膜材料为Cu、Ag或Au。
优选地，所述金属薄膜厚度在纳米级别,一般为20nm～100nm。
优选地，所述周期性空气孔的周期形状为正方形晶格。
优选地，所述的周期性空气孔的周期长度为200nm～400nm。
优选地，所述的周期性空气孔的空气孔形状为正方形。
优选地，所述的周期性空气孔的空气孔边长为160nm～240nm。
优选地，所述金属薄膜的沉积方法为磁控溅射沉积方式。优选地，所述周期性空气孔是通过飞秒激光三维微细加工技术制备的。
本发明的有益效果包括：在硅基薄膜太阳能电池结构表面镀上一定厚度的金属薄膜，并在该金属薄膜上加工周期性空气孔从而形成金属网格结构。当太阳光入射至该结构表面时，在金属网格和硅基薄膜的交界面处激发出金属表面等离子体（SPPs）。SPPs具有增强透射效应，通过设计金属网格的结构参数，即可以实现对太阳光光谱中特定波长的光放大、增加特定波长的光入射到硅基薄膜内部的能量，光程增加，光吸收增大，从而可以提高太阳能电池的光电转换效率。本发明所设计的太阳能电池结构具有结构紧凑、光电转换效率高的特点。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形晶格周期内的立体图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形晶格周期内的附视图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形晶格周期内的剖视图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池的等效光谱功率图和表面无金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池的等效光谱功率图。
图中：11、硅基薄膜，12、金属薄膜，121、周期性空气孔
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
请参阅图1-3，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形晶格周期内的立体图。如图1所示，根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池1包括：硅基薄膜11以及具有周期性空气孔121的金属薄膜12，而且所述金属薄膜12布置在所述硅基薄膜11上，具体地说，所述具有周期性空气孔121的金属薄膜12位于硅基薄膜11表面。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形晶格周期内的附视图。图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的本发明一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形晶格周期内的剖视图。
如图2和3所示，所述周期性空气孔121被布置在所属金属薄膜12中，而且，所述周期性空气孔121穿透所述金属薄膜12。优选地，所述的硅基薄膜11材料为单晶Si，厚度在纳米级别，一般为100nm-500nm。优选地，所述的金属薄膜12材料为Cu、Ag或Au，厚度在纳米级别,一般为20nm-100nm。优选地，所述的周期性空气孔121的周期形状为正方形晶格，周期长度为200nm-400nm。优选地，所述的周期性空气孔121的空气孔形状为正方形，边长为160nm-240nm。
下面将描述本发明的具体示例：
选用厚度为100nm的单晶硅（Si）作为硅基薄膜材料，厚度为40nm的金属银（Ag）作为金属薄膜材料，周期性空气孔的正方形晶格周期为300nm,周期性空气孔的正方形空气孔边长为260nm。基于上述材料及结构参数的一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池的等效光谱功率由图4给出。在图4中同时给出了表面无金属网格结构，厚度为100nm的单晶硅（Si）的硅基薄膜太阳能电池的等效光谱功率。两条等效光谱功率曲线已经与AM1.5的太阳辐射照度作了归一化处理。计算得到本发明的光汇聚因子为1.1，即光吸收率提高了10%。。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1.一种表面具有金属网格结构的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于包括：硅基薄膜以及具有周期性空气孔的金属薄膜；所述具有周期性空气孔的金属薄膜位于硅基薄膜表面；而且，所述周期性空气孔穿透所述金属薄膜。
2.根据权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述硅基薄膜材料为单晶Si。
3.根据权利要求1或2所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述硅基薄膜厚度在纳米级别，一般为100nm～500nm。
4.根据权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属薄膜材料为Cu、Ag或Au。
5.根据权利要求1或4所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属薄膜厚度在纳米级别,一般为20nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述周期性空气孔的周期形状为正方形晶格。
7.根据权利要求6所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的周期性空气孔的周期长度为200nm～400nm。
8.根据权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的周期性空气孔的空气孔形状为正方形。
9.根据权利要求8所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的周期性空气孔的空气孔边长为160nm～240nm。
10.根据权利要求1～9所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属薄膜的沉积方法为磁控溅射沉积方式。
11.根据权利要求1～9所述的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述周期性空气孔是通过飞秒激光三维微细加工技术制备的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140709 |