一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其包括基底，可選用硅或者是玻璃，中間層是半導(dǎo)體功能層，在功能層上下表面都加上黑色的超材料電極，超材料電極是由兩組十字交叉的銀的光柵結(jié)構(gòu)組成，上層和下層的十字架要對齊。通過設(shè)計(jì)薄膜太陽能電池功能層的厚度以及超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得較少量的入射太陽光能從金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中逃逸，其他大部分被束縛在薄膜太陽能電池的功能層。上下兩層的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠激發(fā)諧振，光基本集中在薄膜太陽能電池的功能層中，不斷地被吸收利用轉(zhuǎn)化成為電子，從而提高光的利用率。金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的金屬成分比較高，并且是連續(xù)的，導(dǎo)電能力比較強(qiáng)，可以直接用來作為實(shí)際應(yīng)用的薄膜太陽能電池的電極。
【專利說明】一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及新能源領(lǐng)域，尤其涉及薄膜(有機(jī)或者是無機(jī))太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜電極和其他摻雜透明導(dǎo)電電極一僅有導(dǎo)電功能，并且制備工藝要求比較高。
[0003]在太陽能電極的基底上增加單層金屬(大小幾十納米)顆粒一僅僅利用顆粒的散射，對光的吸收增加能力有限。
[0004]在太陽能電池的基底上刻蝕上金屬條紋一僅僅提高了反射，將太陽光的路徑增加一倍，但是對太陽光的束縛能力不強(qiáng)。
[0005]由于太陽能發(fā)電具有火電、水、核電所不能比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛和充足性等，使其成為21世紀(jì)各個國家主力開發(fā)的最美妙、最長壽、最有潛力和最可靠的新一代能源技術(shù)。薄膜太陽能電池顧名思義就是將一層半導(dǎo)體功能層薄膜加上上、下兩層電極制備成太陽能電池，其使用的功能層(有機(jī)半導(dǎo)體或者無機(jī)半導(dǎo)體)極少，因此更容易降低成本。它既是一種高效能源產(chǎn)品，又是一種新型建筑材料，更容易與建筑完美結(jié)合。然而到目前為止薄膜太陽能電池由于功能層比較薄，對太陽光的利用率依然不高，在現(xiàn)有的薄膜太陽能電池設(shè)計(jì)中，只有少于15%的入射光能為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)吸收利用。為了增加薄膜太陽能電池對光的吸收利用，目前通常在電極上增加了金屬顆粒(能夠散射太陽光，圖1，其中黑色部分為金屬)和金屬周期型(能夠反射太陽光，圖2，其中黑色部分為金屬)結(jié)構(gòu)。
[0006]其中，利用隨機(jī)分布的金屬納米粒子用作亞波長散射元素把平面太陽光波耦合和限制在吸收層中，比如利用在太陽能電池的表面隨機(jī)散布的金屬納米顆粒多次散射入射太陽光，延長太陽光在功能薄膜層中的路徑。但是納米顆粒束縛光的能力比較差，對太陽光吸收率提高的程度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際應(yīng)用的需要，比如目前為止通過金屬顆粒激發(fā)局域等離子體波的辦法僅僅能將吸光效率提高1.7倍左右。
[0007]而利用金屬納米粒子用作亞波長天線，通過近場效應(yīng)把局域等離子體波耦合到功能層，從而增加功能層的吸收截面。這種方式對制備的技術(shù)要求非常高，而且有效耦合到功能層的太陽光僅增加一倍左右。
[0008]在薄膜太陽能電池的電極刻蝕上金屬光柵或者各種波紋，從而把太陽光耦合成金屬和功能層界面處的等離子體基元，等離子基元會沿著界面?zhèn)鞑ゲ⒈还δ軐愚D(zhuǎn)化為光生載流子，從而增加其被功能層吸收的幾率。但是這種方式僅僅提高了對于逃逸太陽光的反射，將太陽光的路徑增加一倍，但是對太陽光的束縛能力不強(qiáng)，效果并不佳。
[0009]最重要的是，在這些利用金屬納米顆?；蛘呤墙饘偬炀€的電極設(shè)計(jì)中，雖然能將功能層的吸收率提高1-2倍以上，但是由于其中金屬成分是非連續(xù)的，所以金屬顆粒和天線組成的薄膜都不導(dǎo)電，不能直接用來作為太陽能電池的電極。在實(shí)際應(yīng)用中是把這些納米結(jié)構(gòu)制備到一層導(dǎo)電膜(金屬或者ITO薄膜)上，并且進(jìn)一步把這個整體的復(fù)合膜作為電極。實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本實(shí)用新型提供了一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:其包括上層、中間層和下層，中間層是半導(dǎo)體功能層，半導(dǎo)體功能層上、下表面設(shè)置上層和下層，上層和下層為黑色的超材料電極，超材料電極是由十字交叉的金屬光柵結(jié)構(gòu)組成，上層和下層的金屬光柵結(jié)構(gòu)對稱設(shè)置，金屬光柵的光柵之間為介質(zhì)，縱向排列的金屬條的厚度We=70納米，光柵周期Pe=190納米，橫向排列的金屬條的厚度Wm=55納米，光柵周期Pm=190納米，半導(dǎo)體功能層的厚度H=50納米，上層和下層金屬光柵的金屬條寬度L=60納米，縱向排列的金屬條的厚度We、縱向排列的光柵周期Pe、橫向排列的金屬條的厚度Wm、光柵周期Pm、金屬條寬度L的數(shù)值選擇在±5%內(nèi)微調(diào)。
[0011]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述超材料電極是由十字交叉的銀的光柵結(jié)構(gòu)組成。
[0012]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述半導(dǎo)體功能層為有機(jī)半導(dǎo)體聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT: PCBM。
[0013]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括基底，下層設(shè)置在基底上，所述基底為硅或者玻璃。
[0014]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，上層的介質(zhì)和下層的介質(zhì)為空氣或者是聚合物。
[0015]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，縱向排列的金屬條的厚度We為67至73納米，光柵周期Pe=181至199納米。
[0016]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，橫向排列的金屬條的厚度Wm為53至57納米，光柵周期Pm為181至199納米。
[0017]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，半導(dǎo)體功能層的厚度H為48至52納米。
[0018]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，上層和下層金屬光柵的金屬條寬度L為58至62納米。
[0019]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0020]高效:該結(jié)構(gòu)能夠保證至少80%以上的入射太陽能被束縛在薄膜太陽能電池的內(nèi)部，并進(jìn)一步得到利用。另外該結(jié)構(gòu)避免了剩余的入射太陽光在太陽能電池的基底上轉(zhuǎn)換成熱能，造成實(shí)際器件的不穩(wěn)定。
[0021]制備簡單:對比于利用金屬單組光柵結(jié)構(gòu)作為電極的設(shè)計(jì)，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)本身是導(dǎo)電性很強(qiáng)的薄膜，能夠提高半導(dǎo)體層的量子效率，也可以直接通過單個接口將電子能導(dǎo)出，制備過程簡單。
[0022]節(jié)省材料:相比在薄膜太陽能電池的金屬電極，本結(jié)構(gòu)節(jié)省了一半的金屬成分，并且很大的減輕了器件的重量，在實(shí)際應(yīng)用和施工過程中帶來了很大的輕便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是現(xiàn)有的金屬顆粒作為背面電池上的散射源；
[0024]圖2是現(xiàn)有的金屬光柵結(jié)構(gòu)作為下電極的散射源；
[0025]圖3是本實(shí)用新型一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池立體圖；
[0026]圖4是本實(shí)用新型一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池截面圖；[0027]圖5是本實(shí)用新型通過上下金屬電極組成的結(jié)構(gòu)后的反射、透射、吸收光譜；
[0028]圖6是本實(shí)用新型有超材料結(jié)構(gòu)/無超材料結(jié)構(gòu)下的吸收能量譜；
[0029]圖7是吸收能量的增強(qiáng)因子；
[0030]圖8是本實(shí)用新型一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池主視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0032]針對現(xiàn)有薄膜太陽能電池的導(dǎo)電電極存在的不足，為了達(dá)到同時提高功能層的吸光效率和導(dǎo)電的功能，我們提出了以下的利用超材料的新型太陽能電池電極設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)制備方案，通過對太陽能電池的電極設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)“高效，無污染，可再生，低成本太陽能電池”。
[0033]在該設(shè)計(jì)中，利用具有特殊折射率的超材料的局域場效應(yīng)來提高薄膜太陽能電池的吸光效率，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時候讓金屬成分連接起來，達(dá)到導(dǎo)電的功能。(I)光學(xué)超材料一般是由金屬納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，特殊設(shè)計(jì)的超材料能夠很好地把光局域在納米量級的空間上，一般在結(jié)構(gòu)內(nèi)部有著非常強(qiáng)的局域場，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)證實(shí)，在具有特殊性質(zhì)的超材料的內(nèi)部僅有幾十個納米的空間里，電場強(qiáng)度可以增強(qiáng)50倍以上，也就是說強(qiáng)局域場部分的光能量能被提高一千倍以上。如果在這些區(qū)域填充上太陽能電池的功能層(比如半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)等)的話，將會極大地提高太陽光的吸收效率；(2)另外通過調(diào)節(jié)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變它的電磁參數(shù)(折射率，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等)，使得它和空氣達(dá)到阻抗匹配，最大程度的降低對太陽光的反射；(3)有目的的把超材料的金屬成分連接起來，使得超材料薄膜本身具有很好的導(dǎo)電性，能夠快速的把半導(dǎo)體功能層材料吸光后產(chǎn)生的電子-空穴對轉(zhuǎn)移出來，從而提高了半導(dǎo)體層的量子效率，因此可以直接作為薄膜太陽能電池的電極。
[0034]具體設(shè)計(jì)如下:
[0035]利用金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Π0和金屬電極，結(jié)構(gòu)如圖3所示:
[0036]其中4是整個結(jié)構(gòu)的基底，可選用硅或者是玻璃，中間層2是半導(dǎo)體功能層，在功能層上下表面都加上黑色的超材料電極，超材料電極(上層I和下層3)是由兩組十字交叉的銀的光柵結(jié)構(gòu)組成，上層I和下層3的十字架要對齊。所述半導(dǎo)體功能層為有機(jī)半導(dǎo)體聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。
[0037]通過初步的計(jì)算，把半導(dǎo)體功能層選為現(xiàn)在非常通用的有機(jī)半導(dǎo)體聚三已基噻酚:富勒烯衍生物(P3HT:PCBM)，這類聚合物的吸收峰位在500納米，吸收光譜比較寬。第一步設(shè)計(jì)在沒有吸收的聚合物作為中間層的時候，采用的參數(shù)是縱向排列的金屬條的厚度We=70納米，光柵周期Pe=190納米，橫向排列的金屬條的厚度是Wm=55納米，光柵周期Pm=190納米，P3HT:PCBM的厚度是H=50納米，參數(shù)的選擇可以在±5%內(nèi)微調(diào)。對于垂直入射、偏振沿著縱向的光來說，通過上下金屬電極組成的結(jié)構(gòu)后的反射、透射、吸收光譜如圖5，其中可以發(fā)現(xiàn)在太陽光能量最集中的的波長范圍，從450-550納米，入射的80%左右的光會被吸收消耗掉，只有20%左右的光會被發(fā)射或者是透過太陽能電池。金屬光柵的金屬條寬度L的范圍在55至65納米之間。
[0038]該結(jié)構(gòu)的磁諧振波長在500nm，和P3HT:PCBM功能層的吸收峰基本符合。進(jìn)一步的計(jì)算出把50納米P3HT:PCBM層植入到金屬光柵組成的上下電極中間，對比其吸收光能力的變化，結(jié)果如圖6所示，從圖可見，使用金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成的超材料作為電極以后，50納米的P3HT:PCBM薄膜吸收的能量增加了 3.5倍以上。
[0039]該結(jié)構(gòu)有的優(yōu)勢如下:
[0040]1.通過設(shè)計(jì)薄膜太陽能電池功能層的厚度以及超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得較少量的入射太陽光能從金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中逃逸，其他大部分被束縛在薄膜太陽能電池的功能層。
[0041]2.上下兩層的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠激發(fā)諧振，光基本集中在薄膜太陽能電池的功能層中，不斷地被吸收利用轉(zhuǎn)化成為電子，從而提高光的利用率。
[0042]3.金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的金屬成分比較高，并且是連續(xù)的，導(dǎo)電能力比較強(qiáng)，可以直接用來作為實(shí)際應(yīng)用的薄膜太陽能電池的電極。
[0043]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本實(shí)用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:其包括上層(I)、中間層(2)和下層(3)，中間層(2)是半導(dǎo)體功能層，半導(dǎo)體功能層上、下表面設(shè)置上層(I)和下層(3)，上層(I)和下層(3)為黑色的超材料電極，超材料電極是由十字交叉的金屬光柵結(jié)構(gòu)組成，上層(I)和下層(3)的金屬光柵結(jié)構(gòu)對稱設(shè)置，金屬光柵的光柵之間為介質(zhì)，縱向排列的金屬條的厚度We=70納米，光柵周期Pe=190納米，橫向排列的金屬條的厚度Wm=55納米，光柵周期Pm=190納米，半導(dǎo)體功能層的厚度H=50納米，上層(I)和下層(3)金屬光柵的金屬條寬度L=60納米，縱向排列的金屬條的厚度We、縱向排列的光柵周期Pe、橫向排列的金屬條的厚度Wm、光柵周期Pm、金屬條寬度L的數(shù)值在±5%內(nèi)微調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:所述超材料電極是由十字交叉的銀的光柵結(jié)構(gòu)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:所述半導(dǎo)體功能層為有機(jī)半導(dǎo)體聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:還包括基底(4 )，下層(3 )設(shè)置在基底(4 )上，所述基底(4 )為硅或者玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:上層(O的介質(zhì)和下層(3)的介質(zhì)為空氣或者是聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:縱向排列的金屬條的厚度We為67至73納米，光柵周期Pe=181至199納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:橫向排列的金屬條的厚度^!為53至57納米，光柵周期Pm為181至199納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:半導(dǎo)體功能層的厚度H為48至52納米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超材料的新型薄膜太陽能電池，其特征在于:上層(I)和下層(3)金屬光柵的金屬條寬度L為58至62納米。
【文檔編號】H01L51/46GK203607460SQ201320747041
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】肖淑敏, 宋清海, 孫上 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院