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CN109638086B - 一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池 - Google Patents

一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，该色控非晶硅太阳能电池包括从上至下依次设置的抗反射涂层、DBR层、缓冲层和非晶硅太阳能电池层，抗反射涂层用于增加透射率，DBR层由高折射率材料和低折射率材料交替组合而成，DBR层用于使反射光谱在可见光波段显示RGB三基色，缓冲层用于降低反射光干扰，并提高显示颜色的纯度，非晶硅太阳能电池层包括从上至下依次设置的前接触电极层、非晶硅活性层、后接触电极层和基底层。本发明纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池通过引入了DBR层作为颜色控制元件,引入抗反射涂层作为色彩优化元件，可以得到高纯度色彩，使太阳能电池达到的色域可以与标准红绿蓝三基色体系的色域相媲美。

Description

一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池。
背景技术
在全球能源危机和大规模城市化的背景下，建筑光伏一体化(BIPVs)得到了广泛的应用。新一代零能耗建筑(耗电量与自身发电量相当)格外引人关注。然而，传统的太阳能电池呈现出暗淡的灰黑色，基于这种太阳能电池的BIPVs技术无法满足人们的审美要求。近年来，彩色太阳能电池由于其除发电功能外，还具有丰富的色彩和生动的图案显示功能，市场发展前景十分广阔，从而吸引了人们越来越浓厚的兴趣。
许多光学方法可以用来控制太阳能电池的光学响应特性，使其产生特定的颜色，其中包括：1、在太阳能电池上使用法布里-珀罗(F-P)共振腔，通过调节腔谐振来控制所示颜色及其纯度；2、在太阳能电池透明导电氧化物(TCO)外侧(或内侧)加入调色层(CAL)，或以特殊的CAL完全取代TCO。例如，选择性透明导电光子晶体可以作为后接触电极，通过BIPVs器件控制透射光谱和颜色；分布布拉格反射器(DBR)可以集成到薄膜太阳能电池和有机光伏电池中用以颜色显示。可惜的是，通过这些方法实现的彩色太阳能电池的色域往往不足以满足显示应用的需求。而具备高纯度色彩的彩色太阳能电池对BIPVs的发展具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种具有高纯度色彩的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其采用如下技术方案：
一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其包括从上至下依次设置的抗反射涂层、DBR层、缓冲层和非晶硅太阳能电池层，所述抗反射涂层用于增加透射率，所述DBR层由高折射率材料和低折射率材料交替组合而成，所述DBR层用于使反射光谱在可见光波段显示RGB三基色，所述缓冲层用于降低反射光干扰，并提高显示颜色的纯度，所述非晶硅太阳能电池层包括从上至下依次设置的前接触电极层、非晶硅活性层、后接触电极层和基底层。
作为本发明的进一步改进，所述非晶硅活性层的厚度为100-500nm，包含10-50nm的n型掺杂区和10-50nm的p型掺杂区。
作为本发明的进一步改进，所述前接触电极层和后接触电极层均为透明导电氧化物。
作为本发明的进一步改进，所述前接触电极层为ITO层，后接触电极层为ZnO层。
作为本发明的进一步改进，所述前接触电极层的厚度为10-300nm，所述后接触电极层的厚度为10-500nm。
作为本发明的进一步改进，所述DBR层由多组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成。
作为本发明的进一步改进，所述DBR层由2-10组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成。
作为本发明的进一步改进，所述抗反射涂层包括MgF2层和SnO2层。
作为本发明的进一步改进，所述缓冲层为厚度10-200nm的TiO2层。
本发明的有益效果：
本发明纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池通过引入了DBR层作为颜色控制元件,引入抗反射涂层作为色彩优化元件，可以得到高纯度色彩，使太阳能电池达到的色域可以与标准红绿蓝三基色体系的色域相媲美。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并匹配附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例中纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池的结构示意图；
图2(a)以显示RGB为目标的DBR的反射光谱；图2(b)是DBR的结构及材料参数；图2(c)上顶部集成RGB型DBR的非晶硅太阳能电池组合系统的反射光谱；图2(d)是与图2(c)对应的颜色在CIE 1931色度图中的位置；图2(e)是本实施例中色控非晶硅太阳能电池的反射光谱；图2(f)是与图2(e)对应的颜色在CIE 1931色度图中的位置，并插入sRGB色域进行比较。
图3(a)、3(b)、3(c)分别是RGB三色型非晶硅太阳能电池的吸收谱和外量子效率谱；图3(d)是RGB三色型非晶硅太阳能电池的伏安特性曲线。
图4是苏州大学校徽(左上)，像素由RGB型色控非晶硅太阳能电池构成；插图展示了校徽的微观像素结构(中上)、RGB型色控非晶硅太阳能电池结构的详细参数(右)，以及RGB型色控非晶硅太阳能电池的混色图(左下)及其各颜色的RGB值(中下)。
图5(a)是本实施例中色控非晶硅太阳能电池显示的RGB随入射角的颜色变化情况；图5(b)是颜色随入射角度变化在CIE 1931色度图中的变化轨迹；图5(c)是本实施例中色控非晶硅太阳能电池显示的校徽图案在不同角度(0°、30°、45°、60°)下的效果图，并加入目标校徽图案及标准RGB校徽图案作为比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本实施例中的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，该色控非晶硅太阳能电池包括从上至下依次设置的抗反射涂层、DBR层、缓冲层和非晶硅太阳能电池层，抗反射涂层用于增加透射率，DBR层由高折射率材料和低折射率材料交替组合而成，所述DBR层用于使反射光谱在可见光波段显示RGB三基色，缓冲层用于降低反射光干扰，并提高显示颜色的纯度，非晶硅太阳能电池层包括从上至下依次设置的前接触电极层、非晶硅活性层、后接触电极层和基底层。
在本实施例中，抗反射涂层包括MgF2层和SnO2层，DBR层由多组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成，ZnS层和ZnO层的厚度为反射中心波长的四分之一，MgF2层和SnO2层的厚度为10-200nm，DBR层由六组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成。在本发明的其他实施例中，DBR层由2-10组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成。
本实施例中，缓冲层为TiO2层，其厚度为55nm。在本发明的其他实施例中，TiO2层厚度可以为10-200nm。
在本实施例中，非晶硅活性层的厚度为500nm，包含30nm的n型掺杂区和50nm的p型掺杂区，在本发明的其他实施例中，非晶硅活性层的厚度为100-500nm，包含10-50nm的n型掺杂区和10-50nm的p型掺杂区。
在本实施例中，前接触电极层为ITO层，其厚度为20nm；后接触电极层为ZnO层，其厚度100nm。在本发明的其他实施例中，前接触电极层和后接触电极层均为透明导电氧化物，具体包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(ZnO：Al)、掺氟氧化锡(SnO2：F)等材料，前接触电极层的厚度为10-300nm，后接触电极层的厚度为10-500nm。
事实上，反射率和反射谱带宽在决定颜色质量中起着非常重要的作用。DBR的反射率(R)可以用以下公式进行分析预测：
Figure BDA0001916535430000041
其中n0、n1、n2和ns分别为空气的折射率、DBR中两种材料的折射率和基底材料的折射率；N是DBR重复的对数。反射谱带宽(Δλ0)为：
Figure BDA0001916535430000042
其中λ0为DBR的反射中心波长。值得注意的是，随着n1和n2的差值的增大，R的值增大(即颜色亮度增大)，但Δλ0降低(即色彩饱和度降低)。综合考虑下，n1和n2的差值相对较小、N值较大的情况，可以保证饱和度及亮度均达到要求，最终呈现出符合显示应用的颜色纯度和亮度。
根据薄膜光学理论，DBR每层材料的厚度必须合理，才能控制反射谱在可见光波段显示RGB。在这里，暂不考虑太阳能电池，先验证控制DBR反射光谱显示RGB的效果。图2a为DBR层反射的RGB光谱，其结构和材料厚度如图2b所示。结果表明，反射中心波长分别在λ0＝625nm,520nm,445nm处，符合RGB波长范围。此外，反射峰值足够强(即74.82％、72.1％、76.31％)，保证了颜色的亮度。然而，DBR反射峰外存在一定的震荡波，这种波不利于获得高纯度的颜色。图2a证实了这种震荡波的存在。
下面，把显示RGB的DBR集成在非晶硅太阳能电池上，形成顶部集成RGB型DBR的非晶硅太阳能电池组合系统。针对RGB显示的太阳能电池组合系统的反射光谱如图2c所示。首先观察到组合太阳能电池后中心波长有轻微的红移(R、G、B三色光谱的中心波长分别从625、520、445nm增加到633、528、453nm)；反射峰值也分别增大到87.66％、82.52％、79.44％。考虑到DBR层下包含了太阳能电池，系统配置和谐振情况已经发生改变，这种变化在合理范围内。上述变化较轻微，不会对显示质量造成影响。然而，确实有一种关键因数的变化严重地降低了颜色的纯度，即由于SC界面的反射而增强的强震荡波。图2d在国际照明委员会(CIE)1931色度图中描绘了组合系统所示颜色的色度坐标。对于显示应用来说，所包含的颜色成分越多(色域越大)，显示效果也越好。当颜色的色度坐标靠近舌形边界时，可以得到最大的色域。但从图2d可以看出，所实现的RGB距离边界较远。因此，需要进一步减小反射带宽，消除震荡波来优化显示效果。
为了提高RGB显示效果，接下来，进一步引入了抗反射涂层(氟化镁(MgF2)和氧化锡(SnO2))和缓冲层(TiO2)。抗反射涂层设置在DBR层上，缓冲层则夹在DBR与非晶硅太阳能电池中间，如图1所示。图2e为所设计包含抗反射涂层、DBR和缓冲层的完整色控非晶硅太阳能电池(即抗反射涂层+DBR层+缓冲层+非晶硅太阳能电池层)的反射光谱。可以看出：1、反射中心波长分别为625nm、515nm、445nm，接近单独的DBR结构的反射中心波长；2、RGB型色控非晶硅太阳能电池的反射带宽明显减小；3、震荡波被显著抑制，即使与图2a中单独的DBR结构的结果相比也是如此。因此，该结构极大地提高了色彩质量，获得了理想的显示颜色，这一点在图2f中的CIE 1931色度图中得到了证明。该结构在色域方面可与sRGB色彩空间相媲美。
然而，对于这种带颜色显示功能的太阳能电池，其电学响应不可避免地会受到影响。因此，对所设计的色控非晶硅太阳能电池进行详细的光电响应检测十分必要。通过严格耦合波分析(RCWA)和COMSOL多重物理场求解麦克斯韦方程组，比较容易获得本实施例中色控非晶硅太阳能电池的光电响应。通过电磁和载流子传输计算可以获得器件的详细电学特性。将光学响应光谱转换为CIE颜色系统中的相关参数，并通过CIE色度坐标即可得到相应的颜色样本。
图3a-3c为AM1.5光照条件下RGB型色控非晶硅太阳能电池的吸收(A)谱和外量子效率(EQE)谱图。首先，R、G、B三种颜色的反射峰处对应的吸收光谱都存在明显的低谷。因为这些部分的光被反射用以显示颜色，而不能被太阳能电池所吸收并转化为电能。除了这些低谷外，器件的吸收都足够好，吸收峰值超过了80％。其次，由于本研究采用了非晶硅太阳能电池层，载流子重组效应几乎存在于整个有效光谱波段(因为活性层非常薄)，所以EQE总是低于吸收谱。相应的电流-电压特性(J-V曲线)如图3d所示，插表中详细列出了RGB型电池的短路电流密度(JSC)、开路电压(VOC)、填充因子(FF)和能量转换效率(Eff)。作为比较，我们对不加以颜色控制的同种太阳能电池效率进行测试，使用非晶硅太阳能电池结合100nm二氧化硅(SiO2)作抗反射层，其效率约为7.59％。意料之中，彩色太阳能电池由于显示了颜色导致效率有所降低。具体的，蓝色太阳能电池的效率最大，为6.54％，绿色和红色的太阳能电池的效率分别为5.58％和4.88％。红色太阳能电池效率下降最多，因为反射的红光具有最强的太阳光能量。但对于这样一个多功能的太阳能电池来说，这是一个合理的牺牲。
接下来，本实施例展示了本实施例中色控非晶硅太阳能电池在图案显示和建筑美学中的应用。图4为苏州大学校徽(左上)、校徽局部放大图(中上)、RGB型色控非晶硅太阳能电池的详细结构参数(右)、基于本实施例中色控非晶硅太阳能电池的RGB混色图(左下)以及校徽中七种颜色对应的RGB值(中下)。1、校徽中的7种颜色是由基于色控非晶硅太阳能电池的RGB组成的。2、校徽的四个圆圈直接由色控非晶硅太阳能电池提供红色，外圈底部的单词直接由色控非晶硅太阳能电池提供绿色，外圈顶部的汉字直接由色控非晶硅太阳能电池提供蓝色。3、背景为紫灰色，由等量的RGB构成。表格中的RGB值代表红、绿、蓝三种颜色的比例。例如，对于红色来说，绿色和蓝色的值越小，则颜色饱和度越大。因此，由于基色中红色和蓝色的饱和度高于绿色，导致等量混合后R和B值大于G值，使混合色偏紫色。4、RGB值相比于最大值255来说不够大，亮度较低，故颜色偏灰色。5、如图4右上角的局部放大图所示，中心文字为由红蓝两色组成的洋红色。洋红色的色差小于其他混合色，这是由于RGB成分配比相较而言最为合理。内圈中“SOOCHOW”为由绿色和蓝色混合构成的青色，“UNIVERSITY”为红色和绿色混合构成的黄色。总体来说，校徽整体上清晰可辨。
最后，本实施例还公开了入射角对本实施例中色控非晶硅太阳能电池显示颜色的影响。图5a展示了色控非晶硅太阳能电池显示的RGB是随着入射角(θ)的增加而产生的变化。显然，与由红色(θ＝0°)变为绿色(θ>70°)的红色型太阳能电池相比，蓝色、绿色型太阳能电池对倾斜入射有更好的容忍度。为了更精确的描述颜色变化程度，图5b是本实施例中色控非晶硅太阳能电池显示RGB随入射角变化时对应的CIE 1931色度坐标轨迹。从CIE1931色度图中可以看出，所有颜色的饱和度都随着入射角的增加而减小，尤其是在入射角达到80°的情况下，色度坐标十分接近E点(饱和度最低点)。图5c是不同入射角度下基于本实施例中色控非晶硅太阳能电池显示的“苏州大学”的校徽。为了便于比较，我们加入了目标校徽和标准RGB校徽，目标校徽直接由7种标准颜色组成，每种颜色都具有最标准的色调、饱和度和亮度。标准RGB则由标准的红、绿、蓝三基色及其混合色组成。可见，即使在较大的入射角下，校徽图案也是清晰可辨的。
总之，针对新型BIPVs(建筑光伏一体化)，本发明提出了可同时用于发电和显示应用的薄膜型色控非晶硅太阳能电池。基本的RGB显示由相应的DBR控制，而色控非晶硅太阳能电池整体系统性能则由抗反射层和缓冲层优化。先进的薄膜光学策略使色控非晶硅太阳能电池显现出高纯度的红、绿、蓝三基色，色域可与sRGB色域相媲美。本发明进一步研究了基于光电模型的色控非晶硅太阳能电池的电学性能，其中RGB型色控非晶硅太阳能电池的能量转换效率分别为4.88％、5.58％、6.54％。我们还研究了以RGB型色控非晶硅太阳能电池为基础，设计并成功地显示了苏州大学的校徽，即使在入射角非常大的情况下，图案也很容易识别。与纳米结构型太阳能电池相比，本发明提出的平面结构的非晶硅太阳能电池可以通过非常成熟的商业制造工艺来制造。本发明虽然只公开了非晶硅太阳能电池，但这种色控型太阳能电池的彩色显示原理和电学评估体系通用于其他类型的太阳能电池。在不久的将来，这种彩色光伏器件还可以应用在现代建筑的墙壁或屋顶上，并显示特定的图案，使建筑更具美感。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于：包括从上至下依次设置的抗反射涂层、DBR层、缓冲层和非晶硅太阳能电池层，所述抗反射涂层用于增加透射率，所述DBR层由高折射率材料和低折射率材料交替组合而成，所述DBR层用于使反射光谱在可见光波段显示RGB三基色，所述缓冲层用于降低反射光干扰，并提高显示颜色的纯度，所述非晶硅太阳能电池层包括从上至下依次设置的前接触电极层、非晶硅活性层、后接触电极层和基底层。
2.如权利要求1所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述非晶硅活性层的厚度为100-500nm，包含10-50nm的n型掺杂区和10-50nm的p型掺杂区。
3.如权利要求1所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述前接触电极层和后接触电极层均为透明导电氧化物。
4.如权利要求3所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述前接触电极层为ITO层，后接触电极层为ZnO层。
5.如权利要求3所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述前接触电极层的厚度为10-300nm，所述后接触电极层的厚度为10-500nm。
6.如权利要求1所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述DBR层由多组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成。
7.如权利要求6所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述DBR层由2-10组ZnS层和ZnO层交替堆叠而成。
8.如权利要求1所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述抗反射涂层包括MgF2层和SnO2层。
9.如权利要求1所述的纯平面结构的色控非晶硅太阳能电池，其特征在于，所述缓冲层为厚度10-200nm的TiO2层。
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