[发明专利]用于薄膜太阳能电池的多尺度陷光结构

说明书

技术领域

本发明涉及新型清洁能源和微纳光子学领域，具体是涉及一种用于提升太阳能电池吸收效率的多尺度陷光结构。

背景技术

硅是目前太阳能电池最广泛使用的材料。硅在自然界的含量丰富，而且对人体没有任何毒害。但目前硅太阳能电池成本较高，其原因就是硅层太厚。要想与化石燃料竞争，就必须减少硅层厚度。然而随着厚度的减少，吸收长度也相应减少，从而导致薄膜硅太阳能电池面临一个世界性的难题，转换效率不高。例如，对于2微米薄硅太阳能电池，理论上其转换效率可接近20％，而目前实际得到最大的转换效率约10％，因此需要采用陷光结构来增强其吸收效率。目前对薄膜硅太阳能电池的吸收增强方案主要有两种：

第一种利用使用表面无序的介质纹理结构或者金属颗粒作为前向或后向散射体。散射体增加了光在硅中的散射截面和光程，达到提高吸收的目的。2006年，德国IMTC公司用纳米透明导电氧化物作为多晶硅电池结构的后向散射体，获得了5.4％转换效率；加利福利亚大学圣地亚哥分校的Yu小组在非晶硅电池上镀金纳米颗粒，短路电流密度增长了8.3％，转换效率增长了8.1％。2008年澳大利亚悉尼大学的Pillai等人在1.25微米厚的SOI基太阳能电池上镀上银颗粒，光电流增长了33％。2012年中国的Shi和澳大利亚的Gu等人采用化学方法形成核状的银颗粒置于非晶硅电池底部获得宽光谱范围的吸收增强；2013年，韩国成均馆大学Jung等人在非晶硅上蒸镀银颗粒，获得了6.696％的转换效率。此方法由于光俘获结构排列无序，可以获得宽光谱范围内吸收增长，但难以实现最大化增强吸收。

第二种是使用周期性的介质结构或金属结构来俘获光，利用光栅耦合作用能有效地提升一定带宽的光子吸收。2008年，美国麻省理工的Zeng等人用单周期光栅和布拉格光栅结合作为后向反射镜，对于2微米的硅层短路电流增长了45.2％；2009年，加拿大多伦多大学的Alongkarn等人使用光子晶体作为前向 耦合器件，对于2微米硅层光吸收增长了11.15％。2010年，美国加州理工的Ferry等人在非晶硅上使用周期为500纳米的金属颗粒，电流密度增长了27％，获得了6.6％的转换效率。此方案虽然耦合机制导致强吸收增强，但周期性的结构却遭受光谱受限和角度敏感问题。

发明内容

针对上述现有技术缺点，本发明提供一种新型的多尺度陷光结构，结合了任意面型宽光谱增强和周期面型耦合增强的优点，可以获得高的吸收效率。

本发明采用如下技术方案：

一种用于薄膜太阳能电池的多尺度陷光结构，其特征在于，该多尺度陷光结构为电池的钝化层和吸收层的接触曲面，其面型以数学公式 来描述，其中A_i，B_i是决定具体面形的参数，n决定该公式构造面形的种类，n越大，构造面形情况越多，当n取无穷大时，可模拟任意面形。

由于本发明结构的面型用数学公式表达，因此可以通过优化计算使电池获取最大吸收效率，从而找到优化的陷光结构面型；同时，由于优化的陷光结构是由周期结构叠加而成，因此可以利用光栅耦合作用，从而最大化吸收效果。

进一步地，为了使多尺度陷光结构发挥耦合作用，将其置于电池吸收层的上方，用于俘获光，提升吸收效率；

进一步地，正负电极全部置于电池吸收层下方，处于同一平面，这样电极不影响到多尺度陷光结构功能，而且能够避免载流子的俄歇复合，从而最大限度提高转换效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明提出的陷光结构可从数学上进行构造，原理上可以逼近任意面型，因此拥有宽光谱吸收增强、角度敏感性好的特点；与现有任意结构不同的是，可以通过优化计算，从而得到最大吸收效率；

二、本发明提出的陷光结构是有序结构的集合，具有周期性结构的耦合特性，多重耦合可实现更大的吸收增强；

三、本发明提出的陷光结构和电极分居电池两侧，互不影响，有利于光生 载流子的收集。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为具体优化的流程图；

图3为实例一中电池的吸收光谱；

图4为实例二中电池的吸收光谱。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

多尺度陷光结构的吸收增强效果可以根据光生电流密度J_sc来评估，其表达式如下：