CN104867995A - 二维余弦波形面陷光结构及基于该结构的太阳能薄膜电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维余弦波形面陷光结构及基于该结构的太阳能薄膜电池，包括电池吸收层，电池吸收层的上下面均具有余弦波形的陷光结构。本发明提出的周期性二维余弦波形面陷光结构可以数值优化，有能力将吸收效率推进到理论极限，从而大幅提高电池转换效率。同时，周期性二维余弦波形面陷光结构比现有陷光结构在制作上更实用，其面型可以通过简单双光束干涉光刻的方法进行制备，并且成形面积大，可以克服现有陷光结构制备方法中的面积受限制、结构无序等缺点。

Description

二维余弦波形面陷光结构及基于该结构的太阳能薄膜电池

技术领域

本发明涉及新型清洁能源和微纳光子学领域，具体是涉及一种二维余弦波形面陷光结构及基于该结构的太阳能薄膜电池。

背景技术

当今世界，日益递增的人口数量和快速的经济发展已经导致了全球常规能源的匮乏和生态环境的严重破坏。因此，太阳能作为天然的，可再生无污染的新能源引起了全世界科研工作者的广泛关注。其中，将光能直接转换成清洁的电能的太阳能电池是最重要的一项创新应用。硅材料在自然界的含量丰富，而且对人体没有任何毒害，在太阳能电池应用材料中处于绝对的统治地位，约占市场98％以上的份额。薄膜型的硅基太阳能电池因其制备工艺简单，材料消耗少，能耗低等优势已成为当前的研究热点。硅基薄膜太阳能电池的成本虽然很低，然而随着太阳能电池的吸收层厚度减小时，电池便面临着效率较低的难题，一般小于10％，因此需要采用纳米陷光结构来延长光在电池结构中的传播路径来增加其有效光程，达到增强吸收的目的，从而提高光电转化效率。

目前，为了提高硅基薄膜太阳能电池的效率，研究人员已经提出了很多种纳米陷光结构，如纳米线，倒金字塔，纳米圆锥，纳米孔等。2010年，美国PeidongYang等人在厚度为8μm的硅吸收层上利用自组装的方法制作有序的纳米线阵列，研究结果表明这样的纳米线阵列可以将入射光的光程增加到原来的73倍，远远大于无序的散射体极限4n²(～50)。然而，自组装的制备方法通常受到面积的限制，无法制备大面积的有序的纳米结构。2013年，M.Foldyna等人通过气-液-固生长机制也可以制备纳米线结构，但是该方法形成的纳米阵列多是无序的。2012年，Gang Chen等人运用湿法刻蚀的方法在5μm厚的硅基太阳能电池中制备出了倒金字塔结构，并且达到了37.1mA/cm²的短路电流密度。但是，湿法刻蚀得制备方法往往也会形成杂乱无序的结构。虽然随机无序的陷光结构可以获得宽光谱范围内吸收增长，但由于结构排列无序难以实现最大化增强吸收。为了使纳米结构排列的整齐有序，他们采用掩膜光刻和湿法刻蚀相结合的方法，然而这一方法也只适用于单晶硅太阳能电池。

发明内容

针对上述现有技术缺点，本发明提供一种新型周期性二维余弦波形面陷光结构。该结构不仅具有周期性面型耦合来增强宽光谱吸收效率的优点，而且可以通过简单的双光束干涉光刻制备方法得到大面积有效结构，使得薄膜太阳能电池获得高的吸收，以此来提高太阳能电池的转换效率。

本发明采用如下技术方案：用于硅基薄膜太阳能电池的周期性二维余弦波形面陷光结构，包括电池吸收层，电池吸收层的上下面均具有余弦波形的陷光结构。

进一步地，陷光结构通过双光束干涉进行两次垂直曝光获得。

进一步地，所述双光束干涉进行曝光的公式为I(x)＝2I₀[1+cos(2πx/d)]，其中I₀为曝光强度，d为干涉条纹周期，I(x)为曝光高度。

一种具有周期性二维余弦波形面陷光结构的硅基薄膜太阳能电池，从下到上依次为金属电极，透明导电氧化物薄膜、硅吸收层、透明导电氧化物薄膜，所述硅吸收层的上下面均具有余弦波形的陷光结构。

本发明中的硅基薄膜太阳能电池的制备方法，其步骤如下：在金属电极的基底上沉积透明导电氧化物，用双光束干涉光刻制作余弦波形的陷光结构，然后依次通过沉积和掺杂制作硅吸收层PN结，最后沉积上透明导电氧化物。

由于双光束干涉的方法可以形成余弦面型，以数学公式I(x)＝2I₀[1+cos(2πx/d)]来描述，其中I₀为曝光强度，d为干涉条纹周期，I₀决定了陷光结构的高度，通过优化陷光结构的周期和高度使太阳能电池获得最大化吸收效果、从而找到最优的余弦面型结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明提出的陷光结构是有序的周期性二维结构，具有较强的耦合特性，拥有宽光谱吸收增强、角度敏感性好的特点，吸收增强效果与传统倒金字塔等结构的效果相当；

二、该陷光结构可以通过简单双光束干涉光刻方法直接进行制备，成形面积大、不受吸收层材料限制。

附图说明

图1为本发明的结构剖面示意图；

图2为本发明的结构单个周期的三维示意图；

图3为不同周期和高度的短路电流密度；

图4为实例一中电池在垂直入射时的吸收光谱；

图5为实例一中电池随角度变化的吸收光谱。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

用于硅基薄膜太阳能电池的周期性二维余弦波形面陷光结构，包括电池吸收层，电池吸收层的上下面均具有余弦波形的陷光结构。

一种具有周期性二维余弦波形面陷光结构的硅基薄膜太阳能电池，从下到上依次为金属电极，透明导电氧化物薄膜、硅吸收层、透明导电氧化物薄膜，所述硅吸收层的上下面均具有余弦波形的陷光结构。

本发明中的硅基薄膜太阳能电池的制备方法，其步骤如下：在金属电极的基底上沉积透明导电氧化物，用干涉光刻制作余弦波形的陷光结构，然后依次沉积和掺杂制作硅吸收层PN结，再用干涉光刻制作余弦波形的陷光结构，最后沉积上透明导电氧化物。

周期性二维余弦波形面陷光结构的吸收增强效果可以根据垂直入射时的短路电流密度J_sc来评估，其表达式如下：

$J_{\mathrm{sc}}=\frac{q}{\mathrm{hc}}\∫\mathrm{\λ}\·A\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_{\mathrm{AM}1.5G}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

其中q是电荷量，λ是入射光波长,h是普朗克常量,c是光速,I_AM1.5G(λ)为AM1.5G太阳光谱辐射，A(λ)为电池的吸收光谱,其与光子结构紧密相关，计算时电池的吸收光谱A(λ)将在300nm到1100nm的太阳光谱内展开。

实施例一

我们给出的电池结构(见图1和图2)的硅吸收层厚度为1000nm，由于不同周期和高度的二维陷光结构对吸收增强的效果不同，因此，通过评估垂直入射时的周期P变化范围为300nm到1300nm、高度H变化范围为100nm到1000nm的不同陷光结构对应的短路电流密度J_sc(P,H)来优化周期性二维陷光结构的周期和高度。

通过该优化方法优化二维余弦波形面陷光结构，如图3所示，最佳二维余弦波形面陷光结构的周期和高度分别为650nm和800nm(见图3中的白点)，其对应的短路电流密度为28.46mA/cm²。同理，通过该优化方法也可以得到一个最佳的倒金字塔陷光结构，其周期为550nm，高度为650nm，短路电流密度为28.32mA/cm²。

为了体现这种最佳陷光结构对电池吸收增强的影响，同时与传统的金字塔陷光结构的电池、没有陷光结构平板电池，以及理论吸收极限进行比较。如图4所示，具有陷光结构的电池明显地在整个太阳能光谱范围上都要比平板电池的吸收效果好，而且都趋近于极限。同时，最佳余弦波形面陷光结构对电池的吸收增强效果与最佳倒金字塔陷光结构的表现相当。

从角度方面分析，如图5所示，入射角度变化范围为0°到85°时，最佳余弦波形面陷光结构的吸收光谱也表明了该余弦波形面陷光结构对角度并不敏感，与倒金字塔类似。考虑到陷光结构制备的过程，余弦面的陷光结构可以通过简单双光束干涉进行制备，并且成形面积大。因此，这样的周期性二维余弦波形面陷光结构更实用。

Claims (5)

1. 用于硅基薄膜太阳能电池的周期性二维余弦波形面陷光结构，包括电池吸收层，其特征在于，电池吸收层的上下面均具有余弦波形的陷光结构。

2. 根据权利要求1所述的用于硅基薄膜太阳能电池的周期性二维余弦波形面陷光结构，其特征在于，陷光结构通过双光束干涉进行两次垂直曝光获得。

3. 根据权利要求2所述的用于硅基薄膜太阳能电池的周期性二维余弦波形面陷光结构，其特征在于，所述双光束干涉进行曝光的公式为I(x)=2I ₀[1+cos(2πx/d)]，其中I ₀为曝光强度，d为干涉条纹周期，I(x)为曝光高度。

4. 具有根据权利要求1-3任一项所述的周期性二维余弦波形面陷光结构的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，从下到上依次为金属电极，透明导电氧化物薄膜、硅吸收层、透明导电氧化物薄膜，所述硅吸收层的上下面均具有余弦波形陷光结构。

5. 根据权利要求4所述的硅基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，其步骤如下：在金属电极的基底上沉积透明导电氧化物，用双光束干涉光刻制作余弦波形的陷光结构，然后依次沉积和掺杂制作硅吸收层PN结，再用干涉光刻制作余弦波形的陷光结构，最后沉积上透明导电氧化物。