[發明專利]一種金屬－有源層－抗反射層納米線太陽能電池

有效

• 申請號: 201610559814.8
• 申請日: 2016-07-15
• 公開（公告）號: CN106067485B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 饒蕾;胡秀娟
• 申請（專利權）人: 上海電機學院
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0352;H01L31/04
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩,吳小麗

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池，尤其涉及一種半導體材料厚度在幾十納米的薄膜型高吸收率太陽能電池。

背景技術

隨著納米技術和納米電子技術的快速發展，金屬表面等離子激元(Surface Plasmon polaritons，SPPs)在近年來成為一個新興的研究方向。SPPs是當電磁波入射到金屬與介質表面，在交界面處產生的表面電磁波振蕩，其電場強度在金屬表面最大，隨著垂直于交界面的距離的增大而呈指數衰減。因此，SPPs是一種表面波，它的電磁場被約束在金屬與介質交界面附近的范圍內。SPPs可以突破衍射極限，把電磁波約束在亞波長尺寸范圍內傳播。金屬材質、亞波長結構及金屬表面介質都會對SPPs產生影響，目前，SPPs效應已經應用在太陽能、波導傳輸、諧振腔、激光放大、傳感和成像等多個領域。

有專家在2014年提出抗反射層一半導體吸收層-銀三層平面結構，其中半導體吸收層的厚度在幾十納米左右。當光波從空氣側入射時，滿足波矢量匹配的光波在半導體吸收層和銀交界面激勵出SPPs，SPPs沿半導體吸收層和銀交界面方向傳播并被半導體吸收層吸收。該結構可實現對可見光波段(400納米～800納米)中滿足波矢量匹配的光波100％的吸收率，利用該結構可以實現太陽光能量的有效吸收。但是該結構只能實現可見光波段對某些特定波長光波100％能量的吸收。

回音壁模式(whispering gallery modes，WGM)是一種可以繞凹曲面傳播的波類型。最初發現WGM是在圣保羅大教堂回音廊里傳播的聲波。近年來，工作在光波段的WGM諧振腔已成功地被研究及運用于激光器、濾波器、傳感器和波混頻器等多種光器件中。在上述應用中，WGM諧振腔的品質因數(Q)取值一般較高，范圍從10⁵-10⁹，甚至更高，因為高Q值的WGM諧振腔能量泄漏小、頻率選擇性高，但光耦合進入諧振腔的效率較低。與此相對，WGM同樣可以應用于太陽光波段寬帶吸波材料，這種應用則要求WGM諧振腔的特性具有高吸收率、低頻率選擇性和強耦合的特性，即WGM諧振腔Q值較低。

有專家在2011年提出一種周期性排列的微晶硅材料球形納米顆粒，納米顆粒的厚度在50nm左右，這種幾何形狀結構具有低Q值WGM諧振模式，能促進太陽光耦合到WGM諧振模式，提高光在微晶硅材料中的光程，從而提高光的吸收率。但是該結構正向和背向導電電極不易加工，使得生產太陽能電池器件較困難；雖然其正向和背向導電電極可分別加工在球形納米顆粒的上下側，但由于該結構形狀為球形，在加工中極易導致正向和背向電極之間連通而造成短路。

當太陽光從空氣入射至半導體有源層時，由于空氣和半導體材料的折射率不同導致太陽光會在兩者交界面產生反射損耗，常用的方法是在半導體材料表面鍍上具有導電性的抗反射薄膜(Anti-reflection Coating，ARC)，如摻錫氧化銦(ITO)或摻鋁氧化鋅(ZnO：Al)等透明導電薄膜，在實現增強光透射的同時作為正向電極導電。

如何發揮SPPs、WGM及ARC的優勢，同時克服SPPs、WGM的缺點，形成一種半導體材料厚度在亞波長范圍內的薄膜型高吸收率太陽能電池，是本領域技術人員致力于解決的難題。

發明內容

本發明要解決的是薄膜型太陽能電池吸收特性不理想、對于全光譜的吸收不充分以及太陽能電池器件正負電極加工較困難的技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供一種金屬-有源層-抗反射層納米線太陽能電池，其特征在于：由半導體納米線單元沿一維方向周期性放置，形成周期結構陣列；所述半導體納米線單元由金屬、有源層和抗反射層由內至外依次同軸設置構成。

優選地，所述金屬為圓柱形，所述有源層為圓柱環結構，所述抗反射層也為圓柱環結構。

優選地，所述金屬半徑為100nm～200nm。

優選地，所述有源層內徑與所述金屬外徑相同，所述有源層外徑比所述金屬外徑大30nm～100nm。

優選地，所述抗反射層內徑與所述有源層外徑相同，所述抗反射層外徑比所述有源層外徑大30nm～100nm。

優選地，所述金屬由電極銀、金或鋁制成。

優選地，所述有源層由半導體材料硅基、鍺或砷化鎵制成。

優選地，所述抗反射層由抗反射透明導電材料ITO或ZnO：Al制成。