[发明专利]一种偏振吸收的透明太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种偏振吸收的透明太阳能电池。

背景技术

近50年，人类社会的能源消耗速度迅速上升。由于现今的能源主要来自于火力发电，这直接导致了地球上煤、石油、天然气等不可再生能源的储量快速下降。一方面由于上述能源的储量有限，不能长久的供给人类社会；另一方面，由于化石燃料的燃烧，导致的生态环境破坏，会对地球生态产生不可估量的负面影响。为了解决能源问题，开发新型可再生清洁能源是一项重要而且紧急的工作。太阳能是一种重要的可再生能源，也是人类所能利用的唯一取之不尽的清洁能源。

目前，太阳能的开发与利用主要分为热能利用和光能利用，太阳能热能利用是指通过利用阳光加热水产生蒸汽等方式以利用其内能；光能利用是指利用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利用。因电能更易储存和输送，将太阳能直接转化为电能更利于太阳能的综合利用，因此，太阳能电池在近几十年中成为了各国研发的热点。

太阳能电池又被称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种通过光电效应或光化学效应直接将光能转化为电能的装置。但由于普通的太阳能电池需要吸收可见光，因此多为黑色，这大大地限制了其使用范围。目前新研发的透明太阳能电池就可以改善普通太阳能电池的这一缺点，扩大了其使用范围。

透明太阳能电池的吸收窗口主要集中在紫外波段、红外波段和少量的可见波段，对可见光具有很好的透过率，因此可以应用于很多场合，例如大厦的玻璃幕墙，车窗玻璃、平板电脑、手机屏幕等。

将透明太阳能电池用作玻璃幕墙，既不会阻隔人们的视线，又可以将吸收的不可见光用于发电，节省了能源。目前研发的透明太阳能电池可以达到2%的光电转换效率和70%的透明度，因此，如何进一步提高光电转换效率是目前研究的重点。

普通的偏振元件在收到入射光，实现偏振功能的同时，大部分的入射光会通过反射或其它形式损失掉，会造成较大的能源的浪费。例如，在当今使用最多的液晶显示（LCD）技术中，由于LCD中背光需要经过起偏振才能进行工作，但是在偏振原件中大约有75%左右的光能会通过反射以及其他形式最终不能输出，导致了巨大的光源浪费。

因此，能否找到一个在实现偏振功能的同时，实现对其它入射光的吸收利用，减少能源浪费的方法，将具有重要的实际意义。

发明内容

本发明提供了一种偏振吸收的透明太阳能电池，利用其内部的金属光栅结构，产生等离子体增强作用，在不影响其可见光透过率的同时，提高了透明太阳能电池的光电转换效率。

一种偏振吸收的透明太阳能电池，是由衬底、太阳能电池主体和封装层三部分构成。所述的太阳能电池主体由透明阳极薄膜层、光电转换层和透明阴极薄膜层构成，所述的光电转化层中嵌有金属光栅。

首先对入射光的偏振方向进行定义（如图2）：

偏振方向平行于光栅周期方向，定为TE方向；

垂直于光栅周期方向，定为TM方向。

自然光可以分解为偏振方向相互垂直的两束偏振光，本发明的偏振吸收的透明太阳能电池，在光电转化层内部嵌入金属光栅，光栅结构周围电磁场与入射自然光中的某一偏振分量发生共振。由于我们采用的是平面光栅，某一偏振分量即为TE偏振分量，当电磁场与TE偏振分量共振，产生大幅的等离子体增强，这种等离子体近场增强会耦合到光电转化层材料中，增加了对TE偏振分量的吸收强度，而对于TM偏振分量的光强度影响很小，因此对TM偏振分量能够保持较高的透过率，从而实现了偏振吸收（透过）。

不同的金属对应不同的等离子体激发波长，因而通过选择不同的金属可以实现对某一波段光的偏振吸收。作为优选，所述的金属光栅采用的金属材料为银（Ag）、金（Au）或铝（Al），进一步优选，所述的金属材料为银。相比于其他两种金属，金属银通过制备适当的金属结构和尺寸，可以在可见光光谱内激发较强的等离子体增强，该波段的光吸收强度提高较大；而且金属银价格相对较低，适应于商业应用。

作为优选，所述金属光栅的光栅周期为50nm～400nm。光栅周期根据采用不同的光电转化材料，以及不同的金属而不同，周期需要进行优化以达到最佳的吸收强度。进一步优选，所述的金属采用银（Ag）时，其光栅周期为175nm，此时，光电转化层的光吸收强度达到最佳。