[发明专利]一种超宽带吸收的异质结太阳能电池

说明书

本发明公开了一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，具体结构包括透明导电前电极、二维纳米锥阵列超结构、下转换纳米结构、等离激元陷光结构、有机导电聚合物层、半导体材料层和背电极。该电池利用下转换纳米结构实现紫外光的光子切割，将紫外光转换为可见光；利用具有尖端等离激元激发效应的二维纳米锥阵列超结构，以及等离激元陷光结构，在可见光波段增强有机导电聚合物与半导体形成的异质结的光吸收；并利用二维纳米锥阵列超结构与半导体形成的异质结，使器件吸收并转换小于半导体带隙的红外光，增强电池红外谱段内的光谱响应。该电池在紫外到红外超宽谱范围内具有高效的光电转换效率，且具有成本低、工艺简单、比效率高等优势。

技术领域

本发明具体是一种超宽带吸收的异质结太阳能电池。属于太阳能电池制造的技术领域，

背景技术

随着化石能源的枯竭，太阳能电池技术得到飞速发展，并有望代替传统化石能源，成为未来的主流能源。在太阳能电池的研究中，更高效率、更低成本的电池是永恒不变的主题。传统太阳能电池，以半导体原料为主，需要掺杂构成PN结，但是基于PN结的太阳能电池难以实现能量低于半导体带隙的光子的能量利用与转换，这不仅限制了电池光电转换效率的提升，还会因红外光的产热效应造成太阳能电池的老化甚至破裂。此外，在传统半导体太阳能电池加工过程中，需高温条件且工艺复杂，制造成本高，研制低成本、超宽谱吸收的太阳能电池是该领域面临的主要挑战。

相关研究表明，有机聚合物和半导体材料也可形成异质结，用于光电转换。相比于半导体晶体材料，有机聚合物材料可采用液相旋涂、卷对卷等低成本工艺大面积制备，并可方便地在聚合物功能层中增加各种纳米功能结构，为电池中的光学运筹和电子设计提供了全新的手段，也为电池光谱响应及光电转换效率的提升提供了新的发展方向。目前，有机导电聚合物与半导体构成的异质结电池在紫外及可见光波段的光吸收效率仍具有较大提升空间，并且该类电池的吸收限仍由半导体材料带隙决定，不能利用低于半导体带隙的光能。因此，需提出新原理和新结构，实现电池的可见光吸收增强及低于半导体带隙的红外吸收，进而获得更为高效、成本低廉的覆盖可见光到红外光的宽光谱吸收异质结电池。

近年来，研究表明，具有表面等离激元局域或亚波长传导的纳米结构有望用于提高太阳能电池的效率，但是，需要将表面等离激元结构镶嵌在光伏功能层内部(PN结内部)，才能发挥作用。然而，限于工艺和器件结构，绝大多数无机材料构成的传统太阳电池(如晶体硅、砷化镓太阳能电池)，都无法实现内部镶嵌表面等离激元结构，也就无法利用这种表面等离激元效应实现增效。另一方面，研究表明，半导体与表面等离激元超结构形成的异质结能有效收集非辐射跃迁效应产生的“热电子”，实现光能到电能的转换。这类异质结钩可突破传统半导体的红外吸收极限，实现传统太阳电池材料无法吸收利用的红外光的有效利用，甚至在中远红外波段，都能有效实现光电转换。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决已有异质结太阳能电池可见光波段的光吸收效率低，低于半导体带隙的光能无法利用等技术问题，提出一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，增强电池紫外光到红外超宽谱段内的光谱响应，进而提升电池的光电转换效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种超宽谱吸收的异质结太阳能电池，该太阳能电池由透明导电前电极、二维纳米锥阵列超结构、下转换纳米结构、有机导电聚合物层、等离激元陷光结构、半导体材料层和背电极构成；其位置关系由上至下依次为透明导电前电极、有机导电聚合物层、半导体材料层、背电极；其中，二维纳米锥阵列超结构上部与透明导电前电极紧密接触，其下部与有机导电聚合物层紧密接触，下转换纳米结构吸附于二维纳米锥阵列超结构的侧壁，等离激元陷光结构分散于有机导电聚合物层内或分散于有机导电聚合物层和半导体材料层的界面，二维纳米锥阵列超结构和有机导电聚合物层均与半导体材料层构成异质结，这两种异质结均与透明导电前电极和背电极形成导电通路。

所述的二维纳米锥阵列超结构，由纳米锥单元的周期性排布构成，纳米锥单元中的纳米锥为单一尺寸的，从而实现红外某一特定波段的光能转换，或为不同尖端宽度、底部宽度、高度纳米锥的组合，实现红外宽光谱吸收。