[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

说明书

技术领域

本发明涉及到一种氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池结构，特别是一种借助纳米周期阵列实现宽光谱的，极化不敏感的全光谱光吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池。

背景技术

能源问题成为21世纪全世界共同面对的危机，太阳能则是解决能源危机的重要新能源，而太阳能电池是实现光电转换的重要分支。市面上太阳电池主要有晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两类。晶硅太阳能电池为保证充分的光学吸收，光敏层要足够厚，一般为～10²-10³μm，这对硅材料需求很大；而薄膜太阳能电池最大优势是节约材料降低成本，同时具有串联阻抗低、欧姆耗散小等优点，但为控制复合电流保证光电转换效率，薄膜太阳能电池光敏层厚度受制于少数载流子扩散长度，一般只能做到～10²-10³nm，不能满足光的充分吸收，吸收特性不好，导致转换效率比晶硅太阳能电池低。于是，增强薄膜太阳能电池光吸收以此来提高光电转换效率已成为新世纪以来光伏领域研究的热点。

现阶段研究增强薄膜太阳能电池光吸收最多的物理机制是表面等离子共振(Surface Plasmon Polarization，SPP)。SPP是借助于纳米金属周期结构，使入射光波矢与表面等离子波矢在一定光波段范围达到互相匹配时，金属表面电子会与入射光子发生强烈相互作用而在金属与光敏层界面处激发电偶极共振，产生一种沿界面传播的表面波。其最终会在界面处产生高度局域的光学增强近场，将入射光局域到亚波长尺寸内，类似聚光效果，实现光吸收增强。另外，借助于纳米金属周期结构，当光敏层厚度与入射光波长满足一定关系时，会使入射光电磁场有效分布到光敏层中实现吸收增强，这就是有效波导模式的激发。而通过锥形结构实现等效折射率渐变进而达到阻抗匹配，近几年来在抗反、光热转换领域得到了成功的论证。

但仅采用SPP作为吸收增强机制，共振只能发生在特定波段，不能实现宽光谱吸收增强；而通过等效折射率渐变达到阻抗匹配机制至今还并未引入薄膜太阳能电池结构中；借助于纳米周期结构通过多种物理机制实现宽波段吸收增强的电池结构目前很少，并且几乎都忽略了光子能量较大的短波段的吸收。总之，目前还尚未研究出一种能实现全光谱吸收增强的薄膜太阳能电池结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服薄膜太阳能电池吸收特性不理想和对于全光谱太阳光不能充分利用的缺点，同时也解决之前其他科研工作中通过引入一维纳米金属光栅所带来对入射光极化方向敏感性问题。

本发明的技术方案：在平板太阳能电池结构基础上引入多层纳米周期结构阵列，使得不同纳米周期阵列在不同波段下引入不同的光吸收增强的物理机制：通过在光敏层上表面引入纳米氢化非晶硅(a-Si:H)、ITO锥形结构阵列，保证入射能量较高的光子进入光敏层时通过等效折射率渐变达到阻抗匹配而获得短波段的吸收增强；在光敏层下表面引入纳米银结构周期阵列通过有效波导模式的激发和表面等离子共振将能量较低的光子局域到光敏层中而获得长波段的吸收增强，以及由整体结构支持的空腔共振机制来获得短、长波过渡波段的吸收增强，同时引入二维纳米周期阵列来克服入射光极化方向敏感性问题，以此来实现全光谱的吸收增强、对入射光极化不敏感的薄膜太阳能电池。具体解决方案如下：

方案1、如图1，一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池，其结构自上而下分别为：

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；