[發明專利]一種等離極化激元橫向異質集成的太陽電池

有效

• 申請號: 201710127265.1
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106876513B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 張彤;張曉陽;王善江;蘇丹
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/074
• 分類號: H01L31/074;H01L31/0352
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種等離極化激元橫向異質集成的太陽電池。本發明采用n型有機聚合物材料與p型硅襯底構成的異質結作為可見光波段的子電池，并在電池的制備過程中引入等離激元陷光結構，實現電池對可見光波段光的高效吸收；采用傳導型表面等離極化激元(SPP)納米錐晶體陣列結構與n型有機聚合物材料層作為紅外波段的子電池，通過設計納米錐陣列的尺寸和形貌，利用太陽光中長波段的入射光在納米錐與n型有機聚合物界面激勵起SPP模式波，通過分離與收集該模式波通過能量轉化得到的電子空穴對，實現對特定波段的紅外光的響應或紅外波段寬光譜的響應。該電池設計可綜合解決傳統多結電池中的晶格匹配及成本高問題，大幅降低電池材料成本。

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體是一種等離極化激元橫向異質集成的太陽電池。

背景技術

隨著石化能源的枯竭，太陽能電池技術得到飛速發展，并有望代替傳統化石能源，成為未來的主流能源。在太陽能電池的研究中，更高效率、更低成本的電池是永恒不變的主題。傳統太陽能電池，以半導體原料為主，需要摻雜構成PN結，但是基于PN結的太陽能電池難以實現能量低于半導體帶隙的光子的能量利用與轉換，這不僅限制了電池光電轉換效率的提升，還會因紅外光的產熱效應造成太陽能電池的老化甚至破裂。此外，在傳統半導體太陽能電池加工過程中，需高溫條件且工藝復雜，制造成本高，研制低成本、超寬譜吸收的太陽能電池是該領域面臨的主要挑戰。

相關研究表明，有機聚合物和半導體材料可形成異質結，用于光電轉換。相比于半導體晶體材料，有機聚合物材料可采用液相旋涂、卷對卷等低成本工藝大面積制備，并可方便地在聚合物功能層中增加各種納米功能結構，為電池中的光學運籌和電子設計提供了全新的手段，也為電池光譜響應及光電轉換效率的提升提供了新的發展方向。目前，有機導電材料與半導體構成的異質結電池在紫外及可見光波段的光吸收效率仍具有較大提升空間，并且該類電池的吸收限仍由半導體材料帶隙決定，不能利用低于半導體帶隙的光能。

近年來，人們在突破傳統半導體的紅外吸收極限，實現傳統太陽電池材料無法吸收利用的紅外光的有效利用方面做出了大量工作，研究表明，表面等離激元金屬微納結構與半導體界面在入射光的激勵下，能產生傳導型的表面等離極化激元波(SPP)，該種異質結能有效收集SPP波非輻射躍遷效應產生的“熱電子”，實現光能到電能的轉換。這類異質結構甚至在中遠紅外波段，都能有效實現光電轉換。此外，在傳統有機導電材料與半導體構成的異質結電池中鑲嵌等離激元陷光結構也能夠提高太陽電池的效率，利用等離激元陷光結構局域場增強特性、散射增強特性及良好的導電性等實現光電轉化效率的提高。然而，目前的大多成熟的工藝和器件結構，都無法實現該種局域型或傳導型等離激元結構的設計與制備，也就無法利用這種表面等離激元效應實現增效。

發明內容

技術問題：本發明的目的是解決已有太陽能電池光電轉換效率低，寬光譜響應差、成本高等技術問題，提出一種等離極化激元橫向異質集成的太陽電池，同時實現了電池的較低成本，開路電壓、短路電流的提升，具有寬譜光電響應及較高的光電轉換效率。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明提出一種等離極化激元橫向異質集成的太陽電池，該太陽電池由透明導電薄膜層、納米錐晶體陣列結構、等離激元陷光結構、n型有機導電材料層、p型硅襯底、背電極；其位置關系，由上至下依次為透明導電薄膜層、n型有機導電材料層、p型硅襯底、背電極，其中納米錐晶體陣列結構在p型硅襯底上，上部與透明導電薄膜層緊密接觸，其下部與n型有機導電材料層與納米錐晶體陣列結構緊密接觸；等離激元陷光結構分散在有機導電材料層中或者分散在有機導電材料層與p型硅襯底界面處；納米錐晶體陣列結構與n型有機導電材料層在橫向上構成異質結，n型有機導電材料層與p型硅襯底構成異質結，這兩種異質結均與透明導電薄膜層和背電極形成導電通路。

透明導電薄膜層，供選材料為氧化銦錫(ITO)、摻鋁氧化鋅(AZO)或摻氟氧化錫(FTO)，厚度為10納米到100納米。