[發(fā)明專利]一種雙層分裂式光柵結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110063288.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-18
• 公開（公告）號(hào): CN112909104B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭紅梅;于迎春;陳科;吳勝;鄭念紅;田文立;劉志杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/0224
• 分類號(hào): H01L31/0224;H01L31/0232;H01L31/0445
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發(fā)明公開了一種雙層分裂式光柵結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其包括Ag基底層，在Ag基底層上逐層設(shè)置有AZO鈍化層、下光柵層、硅吸收層、上光柵層和AZO抗反射層；其中，下光柵層和上光柵層分別包括至少一個(gè)光柵周期，每個(gè)光柵周期是由Si條和AZO條沿著硅基薄膜太陽能電池寬度方向依次交替排列構(gòu)成。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，上下光柵層之間的相位不匹配和寬度不相等可以形成更多的衍射級(jí)次，提高了硅基薄膜太陽能電池在全波段的光吸收效率，尤其在近紅外波段的吸收效率提升明顯。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硅基薄膜太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙層分裂式光柵結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。

背景技術(shù)

近年來，由于能源枯竭和環(huán)境污染等問題，人類迫切地尋找和開發(fā)可再生清潔能源，用于工業(yè)生產(chǎn)和居民生活。太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可獲得清潔能源，得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。太陽能電池的設(shè)計(jì)原則是提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低加工制造成本。目前常見的太陽能電池包括硅基太陽能電池、染料敏化太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、碲化鎘太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等等。

由于硅材料本身具有成本低廉、儲(chǔ)量豐富、無毒和加工技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，硅太陽能電池逐漸占據(jù)了全球大部分光伏市場份額，應(yīng)用十分廣泛。硅基薄膜太陽能電池以原材料硅的儲(chǔ)量豐富、較同類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢(shì)，而得以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。與傳統(tǒng)晶硅太陽能電池相比，硅基薄膜太陽能電池的厚度為微米或納米級(jí)別，是降低材料成本、提高光電轉(zhuǎn)換效率的理想器件。

但由于晶體硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，而間接帶隙半導(dǎo)體中的電子躍遷前后在K空間的位置不一樣，K值會(huì)發(fā)生變化，電子會(huì)以極大的幾率將能量釋放給晶格，轉(zhuǎn)化為聲子，變成熱能釋放掉，很難將能量以光子的形式釋放出來，因此間接帶隙半導(dǎo)體材料的光吸收效率比較低。為了增加太陽能電池對(duì)入射光的吸收，科研人員通過設(shè)計(jì)各種光柵結(jié)構(gòu)，增加光在吸收層中反射次數(shù)和路徑長度，來提高其光吸收效率。但由于硅基薄膜太陽能電池在近紅外波段的光吸收很弱，會(huì)有較大的光電流損失，存在光吸收效率較低的問題。因此，如何通過設(shè)計(jì)硅基薄膜太陽能電池的光柵結(jié)構(gòu)以提升其光吸收效率已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)。

通過在硅層的上方或下方添加光柵結(jié)構(gòu)，薄膜太陽能電池將會(huì)有更好的光吸收效率。這是因?yàn)榍肮鈻旁诙滩ǘ?波長范圍為300～700nm)有很好的抗反射性能，而后光柵在長波段(波長范圍為700～1100nm)會(huì)產(chǎn)生良好的衍射效應(yīng)。另外，把前后光柵同時(shí)應(yīng)用到薄膜太陽能電池中，可以形成更多更高地衍射級(jí)次并且極大地激發(fā)各種模式之間的相互作用，可以將光的傳播角度衍射為大于內(nèi)部反射臨界角的反射角度，從而有效地增加了光在硅層中的傳播路徑。張軍等人設(shè)計(jì)了一種單晶硅雙界面光柵結(jié)構(gòu)，把前介電納米墻和背反射器上的正弦等離子體光柵結(jié)合，短路電流密度與平板結(jié)構(gòu)相比提升了52％(J.Zhang,Z.Yu,Y.Liu,H.Chai,J.Hao,and H.Ye,“Dual interface gratings design forabsorption enhancement in thin crystalline silicon solar cells,”O(jiān)pt.Commun.399,62–67(2017).)。Chriki等人提出了一種吸收層厚度為100nm的超薄太陽能電池，通過變化前后光柵的橫向相對(duì)位置，可以發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱雙層光柵結(jié)構(gòu)可以提供更多的模式相互作用(R.Chriki,A.Yanai,J.Shappir,and U.Levy,“Enhanced efficiency ofthin film solar cells using a shifted dual grating plasmonic structure,”O(jiān)pt.Express 21,A382–A391(2013).)。Abass等人設(shè)計(jì)了一種吸收層厚度為200nm的雙界面三角形光柵結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱光柵結(jié)構(gòu)的光吸收效率要優(yōu)于對(duì)稱光柵結(jié)構(gòu)的光吸收效率(A.Abass,K.Q.Le,A.ALù,M.Burgelman,and B.Maes,“Dualinterface gratings forbroadband absorption enhancement in thin-film solar cells,”Phys.Rev.B 85,115449(2012).)。