[發明專利]一種二維硅基微納光子晶體太陽能電池

有效

• 申請號: 201410504341.2
• 申請日: 2014-09-28
• 公開（公告）號: CN104241428A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 萬勇;劉培晨;韓文娟;賈明輝;孫蕾
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: H01L31/055
• 分類號: H01L31/055;H01L31/054
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 黃曉敏

技術領域：

本發明屬于太陽能電池技術領域，涉及一種新型光子晶體太陽能電池結構，特別是一種具有光子禁帶和慢光效應，厚度小、陷光好、光電轉換效率高的二維硅基微納光子晶體太陽能電池。

背景技術：

太陽能電池是一種將光能轉換為電能的半導體器件，是太陽能利用的重要形式，按照基體材料分，太陽能電池可分為晶體硅太陽能電池、硒光太陽能電池、化合物太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、有機薄膜太陽能電池和燃料敏化太陽能電池，目前應用廣泛的是硅基太陽能電池，這是因為硅原料材料豐富，光電轉換效率高，光電性能穩定性和可靠性高，加工工藝技術成熟，不含有毒元素，不對環境造成污染，市場接受程度高等因素決定的。影響太陽能電池效率的主要因素可以歸結為兩方面，光學損失和電學損失，其中最主要因素是光學吸收，要提高太陽能電池的轉換效率，就要盡可能提高電池材料對太陽光的吸收。硅基太陽能電池的實質就是一個大型的PN結，對一般的硅材料(300K，E_g＝1.12eV)，其可利用的太陽光譜為300～1100nm，硅太陽能電池的光學能量損耗不僅在于能量小于晶硅能系的紅外光子不能被利用，更是因為光子能量不能有效地用于光電轉換。傳統太陽能電池中，這兩種效應會造成電池接近70％的能量損失，人們普遍認為太陽能電池的光轉換效率最大為31％，所以硅太陽能電池研究的重點方向之一提高光電轉換效率，特別是材料對光子的有效吸收方面；硅太陽能電池研究的另一個重點方向是降低成本。初期的硅太陽能電池襯底厚度較厚，現在硅襯底的厚度可以從350～400μm降低到150～200μm，英國BT公司實驗證明：單晶硅太陽能電池降為175μm時，電池的效率沒有附加損失。德國Fraunhofer公司制作的75μm厚的太陽能電池，效率仍可達到23.1％。而有研究指出，只要厚度大于50μm帶有陷光結構的硅太陽能電池就有較好的轉換效率。可見，如果采用適當的結構，可以在減少材料的厚度的同時，保證不降低硅太陽能電池的光電轉換效率。但是，傳統的太陽能電池厚度減少時，透射光的損失隨厚度的減少而增加，理論計算表明，材料薄至50μm時，由于電池厚度的減薄，結構對長波光子的吸收效率收減低。只有采用陷光結構，才能保證電池的光電轉換效率。除了電池進光面減反和前電極盡量少覆蓋面積外，現有的陷光方式主要是在光線射入電池體內后，增加光在吸收層的路徑，使吸收層的折射率大于其上下層織構材料，使沒有吸收的光再次返回電池吸收層，進行二次吸收，分為三種方式：

(1)單層或多層的1/4波長減反膜，是根據薄膜相消干涉原理，降低特定波長的反射率，這類減反膜雖然制作成本低，但其反射波段較窄，且反射率隨著光波入射角增加而大幅增加；

(2)梯度折射率減反膜，是在硅表面沉積一層折射率逐漸變化的減反膜，它可以在寬頻譜、廣入射角范圍內實現很低的反射率，但此類減反膜制備成本高，且符合折射率要求的材料難以尋找；

(3)絨面減反膜，是將減反膜技術和表面制絨技術相結合，制備出具有絨面結構的減反膜，以實現1/4波長減反膜的作用，同時改變降低反射率隨入射角增加而增加，但是這類減反膜需要物理、化學甚至微電子方法相結合，制備工藝較難控制，所以多數研究處于試驗階段。

最近，有研究提出硅納米線(或硅孔)可能最有潛力、低成本、高效太陽能電池器件材料之一，硅納米線可以增加光吸收，而且具有載流子只需擴散很短的距離就可達到結區等優點，但是現有研究多為一維結構的納米太陽能電池結構，采用的機理也是通過漫反射陷光，有些研究提出了徑向硅納米線二維結構，但制作工藝復雜，也沒有與光子晶體結構的禁帶和慢光理論結合起來。因此，尋求一種新型光子晶體太陽能電池結構，使其具有光子禁帶和慢光效應，厚度小，陷光好，光電轉換效率高。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，設計一種厚度小、陷光好、轉換效率高、結構穩定、便于加工和規模生產的新型二維硅基微納光子晶體太陽能電池，將光子晶體的禁帶特性、慢光特性等特點與硅納米結構的優勢相結合，采用圓弓形或橢圓散射元，通過模擬計算，設計太陽能電池結構，限制光的傳播路徑和傳播方式，并通過前接觸層對入射光減反、二維硅基微納光子晶體太陽能電池結構進行有效陷光和光電轉換、前電極和背電極為搭建電路做準備、背接觸層對入射光增反幾個方面有機結合，達到提高電池效率的目的。