[發明專利]一種帶有AAO納米光柵的新型太陽能電池雙重陷光結構

無效

• 申請號: 201410325837.3
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104064607A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 張海明;張晶晶;秦飛飛;王彩霞;郭聰
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0236;H01L31/054;H01L31/056;B82Y20/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本專利發明的太陽能電池雙重陷光結構由AAO(陽極氧化鋁模板)納米光柵組成，可直接應用于各類薄膜硅太陽能電池，進而提高太陽能電池光電轉換效率。

背景技術

薄膜硅太陽能電池以其用料少、成本低的特點而備受人們青睞。但是與晶體硅電池相比，薄膜硅太陽能電池面臨著光電轉化效率較低的難題。一方面由于表面反射的存在，如果沒有減反結構，30％以上的光將損失掉。另一方面隨著Si吸收層厚度的減少，Si材料對光的吸收也會減少。例如當厚度從1mm減少到10um時，c-Si對光吸收的極限波長將從1108nm減少到800nm，這使得大量的光在沒有被吸收之前就溢出了。為此，人們提出了各種不同的方法來提高薄膜硅太陽能電池的光電轉換效率。其中表面制絨、納米線、刻錄表面光柵、利用表面等離子體效應、制造多層耦合結構等是常見的表面陷光方法。而由布拉格反射器(distributed bragg reflector，DBR)或金屬背反射層和光柵構成的疊層光柵結構是常見的背部陷光方法。然而表面制絨等表面減反結構制備工藝復雜，條件苛刻、成本高，而疊層光柵等底部陷光結構的制備一般要涉及到刻蝕或平版印刷等工藝，這使得常見陷光結構不能得到廣泛的應用。為此本專利提出一種簡單經濟、制備方便、適合批量生產的太陽能電池雙重陷光結構。

發明內容

為解決金屬光柵、表面制備復雜納米結構等薄膜硅太陽能電池表面減反結構和DBR、疊層光柵背反射等背面陷光結構制備條件苛刻、成本高、不適合批量生產的難題，本專利設計提出了一種新型的太陽能電池雙重陷光結構。具體發明內容如下：

(1)提出將AAO做為納米光柵同時引入到薄膜硅太陽能電池表面和底部構成組合陷光結構。

(2)利用光的衍射干涉理論和FDTD solution軟件理論分析并設計了最佳的AAO納米光柵結構。

(3)太陽能電池表面減反結構由AAO納米光柵、ITO導電玻璃兩層結構組成，背反射器由AAO納米光柵、銀背反射層、ITO導電玻璃三層結構組成。

本發明專利的創新之處在于提出同時將AAO模板作為納米光柵引入到太陽能電池表面減反結構和背反射器中。在表面減反結構中，利用AAO納米光柵可得到大傾斜角的入射光，通過減少表面反射和提高光在硅中的傳播路程來提高太陽能電池光電轉換效率，仿真結果表明，在400-600nm的可見光范圍內，AAO加入后可有效提高硅的光吸收率。在背反射器結構中，通過有效抑制零級衍射，可使光在太陽能電池內部上表面發生全反射，有效延長了光的傳播路徑實現捕光。銀背反射層具有很高的反射率，可以將到達銀背反射層的90％以上的光反射。

附圖說明

圖1AAO納米光柵掃描電鏡結構圖

圖2表面和底部都帶有AAO納米光柵的太陽能電池結構

圖3FDTD仿真模型示意圖

圖4不同陷光結構下的吸收譜線模擬圖

圖5帶有AAO納米光柵的雙重陷光結構制備工藝流程圖(a)表面結構，(b)背反射器結構

具體實施方式

下面結合實例和圖示對本發明專利做進一步的說明

實施例

本發明專利設計的雙重陷光結構可應用于薄膜硅、晶體硅等各類太陽能電池。AAO納米光柵結構如圖1所示。AAO納米光柵雙重陷光太陽能電池結構如圖2所示。

工作原理

AAO納米光柵雙重陷光結構主要是通過表面減反結構和背反射器結構實現的。其中，表面AAO主要相當于減反層，起到較少反射損耗的作用。此外，由于AAO的周期性多孔結構，可以被看成光柵，通過光柵對光的衍射作用，表面AAO在減少反射的同時還可以改變光在硅吸收層的傳播方向，以提高光在硅中的傳播距離。背反射器結構相當于衍射光柵，其作用主要是通過衍射作用將光衍射到吸收層，從而提高光在硅中的傳播路程。值得注意的是，光柵對光路的調節可用光柵方程來說明，但由于零級衍射光在這里具有最小的光程，所以要通過控制光柵高度將零級衍射光消掉。

理論設計

2hn＝(2k+1)λ/2(1)

nP(sinα+sinβ)＝mλ(2)

對于衍射和干涉，可以用減反層設計公式(1)和光柵方程(2)解釋。上式中，h是光柵高度，λ是涉及到的中心波長，n是涉及到的折射率，這里取Si，AAO的折射率為3.5和1.76，m是衍射級數，k是干涉級數，α和β是入射角和衍射角。