[發明專利]一種利用棱鏡結構激發表面等離子體的高效太陽能電池

在審

• 申請號: 201710856959.9
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107749426A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 代炎利;劉旭芝;鄧佳;呂勝哲
• 申請（專利權）人: 成都億佰達電子科技有限公司
• 主分類號: H01L31/048
• 分類號: H01L31/048;H01L31/054;H01L31/18
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214
• 代理人: 卿誠

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，尤其涉及一種利用棱鏡結構激發表面等離子體的高效太陽能電池。

背景技術

能源問題是當今社會面臨的重要問題之一，化石燃料的能源終將枯竭。所以開發新的能源是當今社會所追求的趨勢，太陽能本身無公害并且容易獲得，用之不竭，因此，太陽能成為重要的主流能源。

表面等離子體是一種電磁表面波，它在表面處場強最大，表面等離子體是目前納米光電子學科的一個重要的研究方向，它受到了包括材料學家，化學家，物理學家，生物學家等多個領域人士的極大的關注。在納米技術成熟之后，表面等離子體受到了人們極大的關注，從20世紀90年代起成為研究的熱點。它已經被應用于包括生物化學傳感，光電子集成器件多個領域。

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料 ，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導熱系數高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

發明內容

本發明的內容在于，本發明提供一種利用棱鏡結構激發表面等離子體的高效太陽能電池，光在棱鏡與金屬膜表面上發生全反射現象時，會形成消逝波進入到光疏介質中，而在介質中又存在一定的等離子波。當兩波相遇時可能會發生共振，共振時光與表面等離子體波達到波矢量的匹配，使光的能量有效傳遞給表面等離子體，激發出表面等離子體波，在局域上增加了光強，提高了太陽能電池對光的利用率，從而提高了電池的轉換效率。

一種利用棱鏡結構激發表面等離子體的高效太陽能電池，包括棱鏡層、光伏材料層；所述光伏材料層與棱鏡層連接；它還包括金屬薄膜層，所述金屬薄膜層設置于棱鏡層與光伏材料層接觸面，所述金屬薄膜層與棱鏡層配合使全反射的消逝波與金屬表面等離子體波的波矢量匹配，激發出表面等離子體波，增強局域的光強。

當光波從光密介質入射到光疏介質時，如果入射角大于臨界角會產生全反射現象。此時有光波雖然不能穿過兩種介質的臨界面，但沿著臨界面平行的方向會產生光波，其電場及磁場的復振幅隨著遠離臨界面的距離的增大而呈現指數級的減小趨勢，這部分光波被稱為消逝波，或稱為表面波。

由于上述設置，在消逝波波矢的水平方向分量與表面等離子體波的波矢相等時,二者發生共振耦合，共振時光與表面等離子體波達到波矢量的匹配。使光的能量有效傳遞給表面等離子體，激發出表面等離子體波，在局域上增加了光強，提高了太陽能電池對光的利用率，從而提高了電池的轉換效率。

進一步的，所述金屬薄膜層包括金屬納米顆粒層、石墨烯層，采用磁控濺射的方法鍍在棱鏡表面；所述金屬薄膜層厚度≤1mm。

進一步的，所述金屬納米顆粒層由以下至少一種金屬構成：金、銀和鉑。

進一步的，所述石墨烯層為單層石墨烯片，金屬納米顆粒層沉積在石墨烯層上。

由于采用上述設置，因為石墨烯良好的物理性能，整個金屬薄膜層穩定性較好。同時，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，其更加符合太陽能電池板的使用情況。并且，因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，更加符合使用需要。

進一步的，所述棱鏡層包括具有全反射功能的棱鏡，所述棱鏡截面為等腰直角三角形。

由于采用上述設置，使用具有全反射功能的棱鏡，其橫截面是等腰直角三角形。利用Kretschmann結構：金屬薄膜直接鍍在棱鏡面上，入射光在金屬-棱鏡界面處會發生全反射，全反射的消逝波實現與表面等離子體波的波矢量匹配，光的能量便能有效的傳遞給表面等離子體，從而激發出表面等離子體波。

進一步的，所述光伏材料層為傳統三維結構光伏材料，包括硅、碲化鎘、銅銦硫、銅銦鎵硫、砷化鎵、氧化鋅。

綜上所述，由于采用了上訴技術手段，本發明的有益效果為：

1、結構簡單、設計獨特，針對太陽能電池板的能量轉化效率提升較大，具有較好的實用性和良好的推廣前景。

2、在不影響太陽能電池對入射光的正常吸收的情況下，利用反射光活激活表面等離子體，提高了電池的轉換效率。

3、制備方法簡單，成本低，對太陽能電池增效明顯。

附圖說明

圖1為本發明的示意圖；