[發明專利]一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法

有效

• 申請號: 201710176499.5
• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN107302038B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 黃茜;仝玉鵬;任千尚;侯國付;安世崇;張曉丹;趙穎
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/054;H01L51/48;H01L51/44
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一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，包括在襯底之上依次制備一個二氧化硅納米球陣列/銀納米顆粒復合納米結構和一個PIN或NIP型薄膜太陽電池。其中二氧化硅納米球陣列采用浸漬提拉法及等離子體刻蝕技術制備獲得，銀納米顆粒結構制備工藝為蒸發、濺射、溶膠凝膠、聚焦離子束刻蝕或電子束刻蝕技術中至少一種；薄膜太陽電池包括無機薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池及由以上兩種中至少一種構成的疊層太陽電池。本發明有益效果是：表面等離子激元的引入可獲得具有定域化高能電場的納米微腔結構，以增強光程拓展、提升光子剪裁與調制效果，并優化電荷收集性能，利于電池光學及電學特性的同步提升。

技術領域

本發明屬于薄膜太陽電池領域，尤其是一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法。

背景技術

太陽電池要成為未來主力能源形式，必須實現高效與低成本，其中薄層化一直是非常重要的發展趨勢之一。此外，對于非晶硅薄膜電池，有源層厚度的降低，還有利于降低光致衰退效應，提升器件穩定性。而對于銅銦鎵硒、碲化鎘等化合物太陽電池，厚度的降低，可減少有毒及微量元素的使用量，同樣有利于提升產業競爭力。然而材料的減薄，因其有限吸收系數（特別在帶隙附近），則必須借助于高效的光管理結構，以薄的“物理厚度”獲得厚的“光學厚度”，實現對太陽光子的有效吸收。

隨著對太陽電池研究的深入，人們逐漸認識到高效光管理結構的重要性。近年來基于三維納米微腔結構的太陽電池因其優異的性能，受到越來越多的關注。入射光子可在三維納米微腔結構界面處實現多重散射，為光子提供了多重入射路徑，大大降低了有源層吸收特性與入射角分布間的束縛關聯，可在寬光譜范圍內獲得高吸收性能，參見文獻：M.D. Kelzenberg, S. W. Boettcher, J. A. Petykiewicz, et al, Nature Mater. 9(2010) 239-44、J.Y. Jung, Z. Guo, S.W. Jee, et al, A strong antireflectivesolar cell prepared by tapering silicon nanowires, Opt. Express 18(2010)A286-92。此外，納米尺度的金屬結構，其表面大量的自由電子能夠與光子相互作用產生持續的共有化振蕩，將形成一種稱之為表面等離子激元 (Surface Plasmon Polariton:SPP)的自由電子和光子的混合激發態，具有顯著的遠場與近場光電特性。一方面，利用納米金屬結構表面等離子激元的遠場光學特性，通過與光子的遠場耦合作用，激發出光子的光波導傳輸模式，已經獲得薄膜太陽電池中的良好陷光特性，實現吸收限附件光子吸收的顯著增強；另一方面，利用納米金屬結構的近場電學特性，激發的表面等離子激元能夠改變周圍空間的電磁場分布特性，從而獲得有機太陽電池中電子傳輸層功函數的有效調控，實現電荷的高效輸運，參見文獻：H. A. Atwater, A. Polman Nature Materials 9 (2010)205-213、S. Trost, T. Becker, K. Zilberberg, et al, Scientific Reports 5(2015)7765。

基于此，本發明提出一種表面等離子激元增強型納米微腔結構的太陽電池，提出將金屬納米顆粒的表面等離子激元作用引入三維納米微腔陷光結構中，獲得具有定域化高能電場的納米微腔結構，以增強光程拓展、提升光子剪裁與調制效果，獲得良好陷光效果，并優化電荷收集性能，該結構能夠獲得提高電池有效光學吸收效率及降低光生載流子復合幾率的良好效果，可應用于各類太陽電池中，利于電池光學及電學特性的同步提高。

發明內容

本發明目的旨在進一步提升太陽電池性能，提出一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，將納米銀顆粒的表面等離子激元作用引入二氧化硅納米球陣列陷光結構中，獲得具有定域化高能電場的納米微腔結構的薄膜太陽電池，該結構能夠獲得提高電池有效光學吸收效率及降低光生載流子復合幾率的良好效果，可應用于各類薄膜太陽電池中，利于薄膜電池的光學及電學特性的同步提高。