專利名稱：一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳基光子晶體背反射器，特別是一種用于太陽能電池的碳基光子晶體背反射器及其制備方法，屬于光伏器件制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在太陽能電池中，尤其是硅基薄膜太陽能電池，都采用背反射器來增強(qiáng)太陽能電池的光陷作用，使更多的光子充分地被電池的吸收層吸收，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。目前最常用的是金屬反射器和介質(zhì)反射器，然而金屬反射器因吸收較大而無法獲得高反射率，介質(zhì)反射器則因使用波長范圍窄及對光線入射方向較為敏感而難以實現(xiàn)全角度反射。由于光子晶體可以通過設(shè)計不同結(jié)構(gòu)，來控制光子禁帶，從而實現(xiàn)對不同波長電磁波的反射，光子晶體所用材料多為低吸收系數(shù)的介電材料，因此反射率較高，可達(dá)99%以上。而一維光子晶體較二維和三維光子晶體結(jié)構(gòu)簡單、更易于制備。2009年J.Krc，M.Zeman, S.L.Luxembourg, and M.Topicl 在 Applied Physics Letters 上發(fā)表的文章 Modulated photonic-crystal structures as broadband back reflectors inthin-film solar cells中提出調(diào)制光子晶體背反射器,該反射器使用n_a_S1:H和Ζη0:Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的一維光子晶體[n-a-S1: H/Zn0: Al] 3 [ n-a-S1: H/Zn0: Al] 4，但其工作范圍為60(Tl000nm,還不能覆蓋能夠穿透娃基薄膜太陽能電池的波長范圍。A.Mouldi等(Designof an omnidirectional mirror using one dimensional photonic crystal with gradedgeometric layers thicknesses, Optik.2012，Vol: 123,125-131)提到使用材料厚度漸變的方法獲得較寬禁帶，但是這種方法所需晶體周期數(shù)較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。20120139917.0專利申請公開了一種基于光子晶體的全可見光波段全角度反射器，但其工作范圍僅覆蓋全可見光波段，高反射帶范圍窄，不能用來作為薄膜太陽能電池背反 射器。201210184423.4專利申請公開了一種基于光子晶體的近紫外至近紅外光波段全角度反射器，其工作范圍為375nnT893nm，波長范圍也不能符合薄膜太陽能電池背反射器的工作要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，可實現(xiàn)600nnTl300nm光波段的高反射，解決了現(xiàn)有Al背反射器吸收大和介質(zhì)反射器高反射帶窄，導(dǎo)致太陽電池效率低的問題。本發(fā)明的目的還在于提供一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器的制備方法。本發(fā)明的原理是這樣的:通過調(diào)整光子晶體的結(jié)構(gòu)和周期數(shù)對光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將會發(fā)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)出現(xiàn)完全光子禁帶，而在此基礎(chǔ)上疊加另一種光子晶體，將會發(fā)現(xiàn)最終的禁帶將是兩種光子晶體禁帶的疊加。本發(fā)明采用的是頻域疊加原理，即由具有不同頻段禁帶范圍的光子晶體相疊加，以展寬禁帶范圍，實現(xiàn)超寬高反射帶的用于太陽能電池的碳基光子晶體背反射器。具體的，本發(fā)明的一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，由結(jié)構(gòu)為[A/B]m A和[C/D]n C的兩種光子晶體疊加構(gòu)成，兩種光子晶體之間有一緩沖層E，反射器的結(jié)構(gòu)為[A/B]mA E[C/D]nC，其中:
第一光子晶體[A/B]m A中，材料A的折射率為3.83，材料B的折射率為1.8，光子晶體的晶格常數(shù)d=150nm，單個周期內(nèi)A的厚度(I1=SOnm, B的厚度d2=100nm，周期數(shù)m取3 ；第二光子晶體[C/D]n C中，材料C的折射率為3.83，材料D的折射率為1.8，光子晶體的晶格常數(shù)d=210nm，單個周期內(nèi)C的厚度d3=70nm，D的厚度d4=140nm，周期數(shù)η取4 ;緩沖層E的折射率為1.8，厚度為d5=120nm。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇周期數(shù)m=3，n=4時，并且在第一光子晶體與第二光子晶體之間加進(jìn)一層緩沖層E，材料E的折射率為1.8，厚度為d5=120nm時，該碳基光子晶體背反射器可在600nnTl300nm光波段實現(xiàn)較好的反射特性，反射率平均為75%。本發(fā)明所說的用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，構(gòu)造所述碳基光子晶體背反射器的介電材料A和C是a-S1:H，B、D和E是a_C。本發(fā)明的一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器的制備方法包括以下步驟:
(O制備第二光子晶體(P2):利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制備P2，在普通載玻片上沉積一層設(shè)計厚度的介電材料C，按以上方法再交替沉積η個周期的[C/D]；
(2)制備緩沖層E:在步驟(I)所制備Ρ2的基礎(chǔ)上沉積一層設(shè)計厚度的介電材料E ;
(3)制備第一光子晶體(Pl):在以上基礎(chǔ)上沉積一層設(shè)計厚度的介電材料Α，然后再交替沉積m個周期的[Α/B]。本發(fā)明取得的有益效果是:本發(fā)明提供的一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)60(Tl300nm光波段的反射，且反射率可以達(dá)到75%，在薄膜太陽能電池中應(yīng)用，可以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明涉及的原料低廉，制備方法簡單，成分均勻，生產(chǎn)工藝成熟。


圖1為本發(fā)明用于太陽能電池的碳基光子晶體背反射器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中:第一光子晶體Pl的結(jié)構(gòu)為[A/BL A，表示A、B兩種不同的介電材料依次m個周期排列后再排列一層介電材料A，其中Cl1為介電材料A的厚度，d2為介電材料B的厚度，Cl^d2=Cl為第一光子晶體的晶格常數(shù)；第二光子晶體P2的結(jié)構(gòu)為[C/D]n C，表示C、D兩種不同的介電材料依次η個周期排列后再排列一層介電材料C，其中d3為介電材料C的厚度，d4為介電材料D的厚度，d3+d4=d為第二光子晶體的晶格常數(shù)；P1與P2之間的E層為緩沖層，其中d5為介電材料E的厚度。圖2為第一光子晶體Pl的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為當(dāng)光線5度角入射時，結(jié)構(gòu)為[A/B]3A的第一光子晶體Pl的反射譜，其反射率近乎100%的禁帶范圍為600nnT900nm。圖4為第二光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為當(dāng)光線5度入射時，結(jié)構(gòu)為[C/D]4C的第二光子晶體的反射譜，其反射率大于90%的禁帶范圍為900nnTl300nm。圖6為當(dāng)光線5度入射時，晶體結(jié)構(gòu)為[A/B]m A E[C/D]n C的背反射器的反射譜，反射率平均為75%的禁帶范圍為600nnTl300nm。
具體實施例方式以下實施例用于說明本發(fā)明。本實施例用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器的結(jié)構(gòu)模型為兩種光子晶體的級聯(lián)。其第一光子晶體結(jié)構(gòu)為[A/B]m A，有3個周期結(jié)構(gòu)，第二光子晶體結(jié)構(gòu)為[C/Dln C，有4個周期結(jié)構(gòu)。E為第一光子晶體與第二光子晶體之間的緩沖層。介電材料A與C相同，折射率為3.83，B、D和E相同，折射率為1.8。不同的是介電材料的厚度，第一光子晶體中介電材料的厚度分別為Cl1=SOnm, d2=100nm ;第二光子晶體中介電材料的厚度分別為d3=70nm, d4=140nm ;緩沖層 E 的厚度為 d5=120nm。本實施例選用常用的非晶氫化硅(折射率為3.83)和非晶碳(折射率為1.8)為介電材料，按照[a-S1:H/a_C]3 a_S1:H a_C [a_S1:H/a_C]4 a_S1:H的結(jié)構(gòu)，選擇普通載玻片作為光學(xué)基片，PECVD-400型的真空鍍膜機(jī)采用射頻電源類型，在光學(xué)基片上依次交替沉積17層:第1、3、5、7、9層是厚度為70nm的a-S1:H層，第2、4、6、8層是厚度為140nm的a_C層，第10層是厚度為120nm的a-C層，第11、13、15、17層是厚度為50nm的a-S1:H層，第12、14、16層是厚度為IOOnm的a-C層。這樣在光學(xué)基片上按照表I從下至上依次生長所需厚度的a-S1:H、a-C共17層薄膜，從而制備出反射率光頻率范圍為600nnTl300nm的反射器。表I 一維碳基光子晶體背反射器各層介電材料及鍍膜厚度
權(quán)利要求
1.一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，其特征在于由結(jié)構(gòu)為[A/B]mA和[C/D]n C的兩種光子晶體疊加構(gòu)成，兩種光子晶體之間有一緩沖層E，反射器的結(jié)構(gòu)為[A/B]mA E[C/D]nC，其中: 第一光子晶體[A/B]m A中，材料A的折射率為3.83，材料B的折射率為1.8，光子晶體的晶格常數(shù)d=150nm，單個周期內(nèi)A的厚度(I1=SOnm, B的厚度d2=100nm，周期數(shù)m取3 ； 第二光子晶體[C/D]n C中，材料C的折射率為3.83，材料D的折射率為1.8，光子晶體的晶格常數(shù)d=210nm，單個周期內(nèi)C的厚度d3=70nm，D的厚度d4=140nm，周期數(shù)η取4 ; 緩沖層E的折射率為1.8，厚度為d5=120nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，其特征是構(gòu)造所述碳基光子晶體背反射器的介電材料A和C是a-S1:H，B、D和E是a_C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，其特征是所述碳基光子晶體背反射器的工作波長范圍為600nnTl300nm。
4.一種制備如權(quán)利要求1所述用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)制備P2:利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制備P2，在普通載玻片上沉積一層設(shè)計厚度的介電材料C，按以上方法再交替沉積η個周期的[C/D]； (2)制備緩沖層E:在步驟(I)所制備Ρ2的基礎(chǔ)上沉積一層設(shè)計厚度的介電材料E ; (3)制備Pl:在以上基礎(chǔ)上沉積一層設(shè)計厚度的介電材料Α，然后再交替沉積m個周期的[A/B]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于薄膜太陽能電池的碳基光子晶體背反射器，由兩種結(jié)構(gòu)不同的光子晶體疊加構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)為[A/B]mAE[C/D]nC，其中A、B、C、D、E的厚度分別為d1=50nm，d2=100nm，d3=70nm，d4=140nm，d5=120nm，m、n為兩種光子晶體的周期數(shù)，m取3，n取4。其制備方法是RF-PECVD法在普通載玻片上交替沉積a-Si:H和a-C薄膜。本發(fā)明的碳基光子晶體背反射器，具有一維光子晶體全角反射，可實現(xiàn)600—1300nm光波段平均75%的反射率，增加光波在太陽能電池吸收層中的傳播光程，提高光子利用效率，增加光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。制備工藝簡單。
文檔編號G02B5/08GK103094390SQ20131001401
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者武春方, 侯登錄, 徐巖峰, 馬麗, 甄聰棉 申請人:河北師范大學(xué)