[发明专利]一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于光伏太阳能电池技术领域，涉及一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池。

背景技术

太阳能电池的应用是解决下一代能源危机的主要途径之一。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，最有潜力成为世界的主流能源，其开发和利用已得到人们广泛地关注。太阳能电池主要利用光生伏特效应把光能转化为电能，2000年以来，太阳能电池产业保持着快速增长的发展趋势，到2010底，全球太阳能电池装机容量已近20GW，这些电池包括晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟硒太阳能电池、有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池等。现行的太阳能电池对太阳光谱中较短波长的太阳光具有较好地吸收，然而普遍存在对长波长太阳光，尤其是近红外太阳光吸收作用不强的问题，根据太阳光光谱能量分布，波长在600纳米以上的长波段的太阳光占到整个太阳光谱总能量的30%，如果太阳能电池对长波长入射光能有效地进行吸收，这将极大地提高太阳能电池的光电转换效率，进而大幅降低太阳能电池的成本，并提升太阳能电池在长波长辐射环境下的工作性能。

金属纳米颗粒是近年来纳米光子学研究领域中开发的新型纳米光电材料，金属纳米颗粒材料可采用多种金属材料，然而考虑到材料损耗及器件的实际应用背景，一般选用损耗较小的金、银、铂等贵重金属。颗粒大小在数纳米到数百纳米之间，形状主要有球形、椭球形、纳米棒、纳米碟、三角板或其他任意图形。金属纳米颗粒在入射光的电场作用下，金属纳米颗粒上的电子云将会产生围绕纳米颗粒的连续起伏振荡，并对入射光产生强烈的局域和陷光作用，这种作用能极大地提高太阳能电池对入射光的吸收效率。适度调节金属纳米颗粒的形状、尺寸、分布密度以及纳米颗粒外围的介质折射率，可使金属纳米颗粒对入射光的局域增强和陷光作用红移至近红外光谱波段，进而提高太阳能电池对近红外长波长入射光的吸收。

另一方面，染料敏化太阳能电池因其染料敏化剂具有可选择性，选用有较宽光谱吸收范围的染料敏化剂可保证对入射光的宽光谱吸收，但染料敏化太阳能电池的缺陷在于光电转换效率较低；砷化镓太阳能电池在太阳直射环境下转化效率较高，然而由于其半导体材料的能隙原因，在长波长辐射环境例如天阴、月光等环境下，其转换效率也受到一定的限制。因此，综合这两种太阳能电池的优点和金属纳米颗粒对入射光的局域和陷光作用，既可拓宽太阳能电池的光谱吸收范围还可保持电池的较高转换效率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，本发明提出了一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，通过金属纳米颗粒对入射光的局域增强和陷光作用，能极大地提高太阳能电池的对入射光的吸收作用，同时利用染料敏化-砷化镓叠层设计，进一步拓宽太阳能电池的光谱吸收范围，提高太阳能电池的光电转换效率。

技术方案：从结构上看，该太阳能电池包括三个部分，金属纳米颗粒层部分、染料敏化太阳能子电池部分和砷化镓太阳能子电池部分，这三部分依次层状叠加构成，实现宽光谱吸收的薄膜太阳能电池的主体，其中，金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒材料材料和形状不限，尺寸范围为数纳米到数百纳米，但要求其光谱谐振峰在600-1000纳米的近红外波段。染料敏化太阳能子电池部分由透明导电薄膜、纳米多孔氧化物薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、纳米铂层构成；砷化镓太阳能子电池部分由透明导电薄膜、砷化镓光伏层、背电极依次构成。透明导电薄膜材料包括氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）等在内的各类透明导电薄膜材料，厚度为数纳米到几十纳米。纳米多孔氧化物薄膜材料包括氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）或其他纳米材料，厚度为数纳米到数百纳米。染料敏化剂为联吡啶金属络合物系列、 酞菁系列、 卟啉系列、 纯有机染料系列中的一种。氧化还原电解质包括液态、固态态、准固态多种电解质，纳米铂层厚度为数纳米到数百纳米。砷化镓光伏层为多层p型和n型砷化镓（GaAs）、掺铝砷化镓（Al_xGa_1-xAs）及其他金属掺杂砷化镓半导体层。背电极为各种低阻导电材料，如金属或金属合金，或者导电玻璃等材料。

本发明从原理上看，实现如下：入射光照射到太阳能电池表面的金属纳米颗