[發(fā)明專利]一種具有納米棒陣列光耦合元的疊層太陽(yáng)電池

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910094708.7
• 申請(qǐng)日: 2009-07-09
• 公開（公告）號(hào): CN101692464A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊培志;劉黎明;郝瑞亭;楊雯;莫鏡輝;鄧書康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 云南師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/042
• 分類號(hào): H01L31/042;H01L31/0232
• 代理公司: 昆明今威專利代理有限公司 53115
• 代理人: 楊宏珍

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種具有納米棒陣列光耦合元的疊層太陽(yáng)電池，屬太陽(yáng)電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高效太陽(yáng)電池一直是光伏研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。限制太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素主要有兩個(gè)，一是光譜響應(yīng)本來(lái)應(yīng)該為有效光，卻因太陽(yáng)電池表面反射而產(chǎn)生能量損失；二是太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜不匹配而產(chǎn)生能量損失，即低于能隙的光子不被吸收，高于能隙的光子以晶格熱振動(dòng)形式失去多余能量。為減小能量損失，高效太陽(yáng)電池需要發(fā)展兩大技術(shù)：(1)將太陽(yáng)光高效引入到太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換區(qū)域的技術(shù)；(2)在太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)⑻?yáng)能高效轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。

晶體硅太陽(yáng)電池常用各向異性刻蝕制造表面織構(gòu)的減反射層，從而有效捕獲太陽(yáng)光，抑制表面反射。對(duì)于薄膜太陽(yáng)電池，目前主要采用減反射層技術(shù)來(lái)降低太陽(yáng)電池表面反射引起的能量損失。減反射層一般采用1/4波長(zhǎng)厚度的介質(zhì)層(如Si₃N₄、SiO₂)，利用光的干涉效應(yīng)來(lái)降低表面反射，但一種材料的單層的減反射層通常只能針對(duì)某一波長(zhǎng)減小反射，實(shí)際應(yīng)用需要多層結(jié)構(gòu)的減反射層，并且往往需要采用不同的材料，因此多層減反射層結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計(jì)難度大，制造技術(shù)要求高。多結(jié)的疊層太陽(yáng)電池已證實(shí)是有效提高太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其原理是利用不同帶隙的材料吸收不同波段的太陽(yáng)光，增加太陽(yáng)光譜響應(yīng)的范圍，并增強(qiáng)與太陽(yáng)光譜響應(yīng)的匹配度，從而大幅度提高轉(zhuǎn)換效率。但多結(jié)的疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)需要不同帶隙的材料，因此其實(shí)際應(yīng)用常常受到材料的限制。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，而提供一種能有效提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，制備工藝簡(jiǎn)單，制造成本低的具有納米棒陣列光耦合元的疊層太陽(yáng)電池。

本發(fā)明充分利用納米棒陣列優(yōu)異的光耦合效應(yīng)產(chǎn)生的寬光譜抗反射特性，使盡可能多的太陽(yáng)光輸入到太陽(yáng)電池表面，并利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料特殊的量子尺寸效應(yīng)，使太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光譜實(shí)現(xiàn)較完美的匹配，最終從根本上有效提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明采用的半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料采用同一種材料，可以大大拓寬材料和襯底的選擇范圍。

本發(fā)明的具有納米棒陣列光耦合元的疊層太陽(yáng)電池技術(shù)方案為：采用垂直的ZnO，TiO₂和SiO₂納米棒陣列作為光耦合元的疊層太陽(yáng)電池由上、中、下三個(gè)電池構(gòu)成；其中：下電池是帶隙為1.1eV的常規(guī)的Si電池，上電池和中電池為Si量子點(diǎn)電池，上、下兩個(gè)Si量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的帶隙選擇分別為2eV和1.5eV，對(duì)應(yīng)的Si量子點(diǎn)的尺寸分別為20~40nm和65~85nm。其中：

具有納米棒陣列光耦合元的疊層太陽(yáng)電池的量子點(diǎn)采用以SiO₂、Si₃N₄和SiC為基質(zhì)的Si、Ge、Sn量子點(diǎn)。

具有納米棒陣列光耦合元的疊層太陽(yáng)電池的數(shù)目可以是1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)，…，直到n個(gè)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：從根本上提高太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收效率和光電轉(zhuǎn)換效率，從而有效提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率；其次，量子點(diǎn)采用同一種材料，提高了材料和襯底選擇的靈活性，制備工藝簡(jiǎn)化，降低了電池的制造成本。

附圖說(shuō)明：

圖1為具有ZnO納米棒陣列抗反射層的Si量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)電池的示意圖。

圖2為采用Si量子點(diǎn)的疊層太陽(yáng)電池的示意圖。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例1：

如圖1所示，實(shí)施例采用垂直的ZnO納米棒陣列為減反射層。ZnO具有合適的折射指數(shù)(n＝2)和帶隙(~3.3eV)，用于太陽(yáng)電池的減反射層，具有高透射、低的寬光譜反射和低吸收的優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示，疊層太陽(yáng)電池采用了上、中、下三個(gè)電池，下電池采用常規(guī)的Si電池(帶隙為1.1eV)，上電池和中電池采用Si量子點(diǎn)電池，為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光譜的吸收匹配，上、下兩個(gè)Si量子點(diǎn)太陽(yáng)電池的帶隙選擇分別為2eV和1.5eV，對(duì)應(yīng)的Si量子點(diǎn)的尺寸分別為20nm和65nm。半導(dǎo)體量子點(diǎn)采用以SiO₂、Si₃N₄和SiC為基質(zhì)的Si量子點(diǎn)。根據(jù)需要，量子點(diǎn)疊層子電池的數(shù)目是1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)，…，直到n個(gè)。電池材料采用Si和ZnO，其資源豐富，無(wú)公害，電池制造采用低溫PECVD技術(shù)、低溫快速光熱退火技術(shù)和低溫電化學(xué)沉積技術(shù)集成制造，能實(shí)現(xiàn)高效、低成本、長(zhǎng)壽命和環(huán)境友好的目標(biāo)。本實(shí)施例中半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料并不限于Si量子點(diǎn)，還能采用Ge及Sn半導(dǎo)體量子點(diǎn)。

實(shí)施例2：