[发明专利]一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池

权利要求书

1.一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其结构自下而上分别为：

金属背电极(1)，其材料为传统电极银或铝；

二维周期排布的纳米银结构阵列(2)，其分布在金属背电极(1)上表面，该二维周期排布的纳米银结构阵列(2)之间由ITO填充；

光敏层a-Si:H薄膜(3)；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)，该二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)之间由ITO填充；

二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)；

其中，二维周期排布的纳米银结构阵列(2)为圆锥结构或金字塔结构或球体或长方体，置于光敏层下面的二维周期排布的纳米银结构阵列(2)能够在长波段下激发SPP和由a-Si:H薄膜支持的波导模式，而SPP和波导模式的激发及其共振强度均与二维周期排布的纳米银结构阵列(2)结构形状有关，对二维周期排布的纳米银结构阵列(2)的纳米结构的特征尺寸、周期以及占空比进行优化得到最佳吸收增强效率；由于周围介电环境同样能影响纳米银周期结构所激发的SPP，为防止外界条件影响纳米银周期阵列周围的介电环境，保证SPP的激发发生在特定波段，同时也保证金属背电极对载流子的收集效率，采用特性稳定且具有导电性能的材料——ITO作为二维周期排布的纳米银结构阵列(2)之间的填充材料；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)出于工艺和物理机制考虑，两者特征尺寸保持一致，且两者纳米锥形周期阵列的填充因子保证为1，其锥形结构阵列需优化参数：锥形阵列的高度和宽度，两者锥形结构为圆锥结构或金字塔结构，由于ITO折射率在可见光波段近似为1.8，而a-Si:H材料为高折射率材料，存在一定的色散关系，在参考波段范围内折射率在3-4之间，对于平板a-Si:H薄膜太阳能电池，自下而上分别为金属背电极(1)；光敏层a-Si:H薄膜(3)；透明电极ITO(c)；当入射光进入太阳电池时，由于空气与ITO、ITO与光敏层界面存在折射率突变，导致阻抗不匹配，势必导致相当一部分入射光子反射，影响电池吸收效率，在引入二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)和二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)之后，在纳米锥形周期阵列的填充因子为1的前提下，电池结构的等效折射率会从二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)上表面的1.0渐变到二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)结构上表面的1.8，从二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)结构上表面的1.8渐变到其下表面的折射率n_a-Si:H(λ)，其中n_a-Si:H(λ)的引入是由于其存在一定的色散关系；等效折射率从空气层到光敏层的渐变保证了入射光进入光敏层的阻抗匹配，通过参数优化可以在短波段范围实现明显的抑制反射从而获得吸收增强效果。

2.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：通过二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)在短波段下的等效折射率渐变、由整体电池结构支持引起的空腔共振、二维周期排布的纳米银结构阵列(2)在长波段下激发出的有效波导模式和表面等离子共振模式，使得在整个吸收光谱范围内都存在增强光吸收的物理机制，最终能够实现相对于平板太阳能电池全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳能电池，其中空腔共振为薄膜内的干涉作用，通过对电池薄膜有效厚度的调制可以使其共振波段发生在太阳光光强分布很大的波段，从而获得尽可能高的吸收效率。

3.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：对于三维空间内TE波与TM波在纳米结构周期阵列平面上两者的电场上是互相正交的，磁场也是互相正交的，并且通过引入二维周期排布的纳米银结构阵列(2)，使得在周期阵列平面上两种偏振光激发的吸收增强模式是一样的，以致所得的吸收增强效果两者是基本一致的，使得本结构对入射光极化方向不敏感。

4.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：可通过化学湿法刻蚀制成掩模板，然后通过纳米压印手段压印出二维周期排布的纳米结构阵列，或者通过飞秒激光刻蚀实现二维周期排布的纳米结构阵列，进而实现整个电池结构。

5.根据权利要求1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳电池，其特征在于：其中金属背电极(1)为银背电极(11)，厚度300nm；

二维周期排布的纳米银结构阵列(2)为二维周期排布的纳米银金字塔结构阵列(21)，周期309nm，高度为120nm，占空比为1，纳米金字塔结构之间由ITO填充；

光敏层a-Si:H薄膜(3)厚度为50nm的a-Si:H薄膜(31)；

二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)为二维周期排布的纳米a-Si:H金字塔结构阵列(41)，周期206nm，高度100nm，占空比为1，纳米金字塔结构之间由ITO填充，那么等效光敏层a-Si:H厚度为h₃₁+1/3×h₄₁＝50+1/3×100＝83.33nm；

二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)为二维周期排布的纳米ITO金字塔结构阵列(51)，作为透明阳极，周期206nm，高度100nm，占空比为1。