一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，包括：具有周期性凹槽的金屬電極以及硅基薄膜，其中所述硅基薄膜形成在具有周期性凹槽的金屬電極表面，并且所述具有周期性凹槽的金屬電極位于硅基薄膜底部。本發(fā)明通過設(shè)計金屬凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可增加太陽光光譜中特定波長的光在硅基薄膜中的光程，增大光吸收，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明所設(shè)計的太陽能電池結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、光電轉(zhuǎn)換效率高的特點。
【專利說明】一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，本發(fā)明涉及一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米技術(shù)和納米電子技術(shù)的快速發(fā)展，表面等離子體激元(Surface Plasmonpolaritons, SPPs)在近年來成為一個新興的研究方向。SPPs是當(dāng)電磁波入射到金屬與介質(zhì)表面，在交界面處產(chǎn)生的表面電磁波振蕩，其電場強度在金屬表面最大，隨著垂直于交界面的距離的增大而呈指數(shù)衰減。因此，SPPs是一種表面波，它的電磁場被約束在金屬與介質(zhì)交界面附近的范圍內(nèi)。SPPs具有增強透射效應(yīng)，通過設(shè)計金屬亞波長陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可以實現(xiàn)對特定頻率點放大、對其它頻率段濾波。此外，它還可以突破衍射極限，把電磁波約束在亞波長尺寸范圍內(nèi)傳播。金屬材質(zhì)、亞波長結(jié)構(gòu)及金屬表面介質(zhì)都會對SPPs產(chǎn)生影響，SPPs還具有二維空間(表面)傳播的特性，這些都易于對其進行操控。目前，SPPs效應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用在濾波、波導(dǎo)傳輸、諧振腔、激光放大、傳感和成像等多個領(lǐng)域。
[0003]太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能的光電器件，它通常也被稱為光伏電池，太陽能電池單元是大面積光伏應(yīng)用設(shè)施的基礎(chǔ)。據(jù)國際能源組織估計，2012年世界光伏生產(chǎn)總量已經(jīng)超過40千兆瓦(GW)，預(yù)計到2050年，光伏電池的發(fā)電量將會占到全球發(fā)電量的11%從而使得二氧化碳的全球排放量每年降低2.3億噸(Gt)。目前，用來發(fā)電的半導(dǎo)體材料主要有:單晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化鎘、多元化合物、有機半導(dǎo)體、氧化鈦納米 晶、敏化染料等等。
[0004]由太陽能電池的工作原理可知，任何一種襯底材料的極限光電轉(zhuǎn)換效率是考慮了自身本征特性(能帶間隙)之后的理想效果，為了趨近其極限轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該做到以下兩個方面:一方面是減少電學(xué)損失，即選擇合適的襯底材料，采用高質(zhì)量的制造技術(shù)(如低缺陷、低光生載流子的復(fù)合)和精細的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(有利于光生載流子的產(chǎn)生、分離與收集)?’另一方面是充分吸收太陽光譜中的能量，即充分利用每一個光子的能量，要求電池表面無反射損失及采用理想的陷光技術(shù)以達到最大光吸收。雖然砷化鎵(GaAs)材料的吸收譜與太陽光譜(300nm~900nm)最匹配的,基于GaAs的單接面太陽能電池的極限光電轉(zhuǎn)換效率最高，但考慮到它的毒性及加工技術(shù)的復(fù)雜性，一般將單晶硅、非晶硅等硅基材料作為研究的重點。
[0005]太陽能電池的成本、材料毒性、轉(zhuǎn)換效率及應(yīng)用波段等制約了其大規(guī)模推廣。近年來提出的硅基薄膜太陽能電池是只有幾百納米厚度的半導(dǎo)體材料，它可以降低成本、減少原料消耗，便于大規(guī)模推廣。但由娃材料的本征吸收特性可知，單晶娃在600nm~IlOOnm波段的吸收率較低(文獻I，Harry A.Atwater and Albert Polman,表面等離子體激元增強光伏電池，自然材料，9(205)，2010)，其光電轉(zhuǎn)換效率只有約10%。近幾年，新西蘭和澳洲的科學(xué)家提出在電池表面放置金屬納米顆粒陣列來有效地增強光的吸收。來有效的增加太陽光的入射能量，使得光在電池內(nèi)部被多次反射，能量充分吸收，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0006]本申請的發(fā)明人憑借從事此行業(yè)多年的經(jīng)驗，積極研究改良，在太陽能電池中引入金屬凹槽結(jié)構(gòu)。將金屬與介質(zhì)交界面處激勵的表面等離子體激元效應(yīng)與太陽能電池的光電效應(yīng)相結(jié)合，設(shè)計一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池。當(dāng)太陽光入射至該結(jié)構(gòu)并穿透硅基薄膜到達太陽能電池結(jié)構(gòu)底部，在硅基薄膜和金屬電極上的周期性凹槽的交界面處激發(fā)出金屬表面等離子體激元(SPPs)。SPPs具有二維空間(表面)傳播的特性，波長滿足SPPs矢量匹配條件的光會形成波導(dǎo)模式，沿硅基薄膜和金屬凹槽交界面定向傳播。通過設(shè)計金屬凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可以增加太陽光光譜中特定波長的光在硅基薄膜中的光程，增大光吸收，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明所設(shè)計的太陽能電池結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、光電轉(zhuǎn)換效率高的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)中，所述傳統(tǒng)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率較低的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、光電轉(zhuǎn)換效率高的硅基薄膜太陽能電池。
[0008]為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其包括:具有周期性凹槽的金屬電極以及硅基薄膜，其中所述硅基薄膜形成在具有周期性凹槽的金屬電極表面，并且所述具有周期性凹槽的金屬電極位于硅基薄膜底部。
[0009]優(yōu)選地，所述硅基薄膜的材料為單晶Si。
[0010]優(yōu)選地，所述硅基薄膜厚度在納米級別。
[0011]優(yōu)選地，所述娃基薄膜厚度為IOOnm?500nm。
[0012]優(yōu)選地,所述具有周期性凹槽的金屬電極材料為Cu、Ag或Au。
[0013]優(yōu)選地，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽周期形狀為正方形晶格。
[0014]優(yōu)選地，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽周期長度為200nm?400nm。
[0015]優(yōu)選地，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽形狀為正方形。
[0016]優(yōu)選地，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽邊長為160nm?240nm。
[0017]優(yōu)選地，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽深度為20nm?lOOnm。
[0018]優(yōu)選地，所述具有周期性凹槽的金屬電極是通過飛秒激光三維微細加工技術(shù)制備的，所述硅基薄膜的沉積方法為磁控濺射沉積方式。
[0019]本發(fā)明的有益效果:當(dāng)太陽光入射至本發(fā)明所設(shè)計的底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，并穿透硅基薄膜到達太陽能電池結(jié)構(gòu)底部，在硅基薄膜和金屬電極上的周期性凹槽的交界面處激發(fā)出金屬表面等離子體(SPPs)。SPPs具有二維空間(表面)傳播的特性，波長滿足SPPs矢量匹配條件的光會形成波導(dǎo)模式，沿硅基薄膜和金屬凹槽交界面定向傳播。通過設(shè)計金屬凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即可以增加太陽光光譜中特定波長的光在硅基薄膜中的光程，增大光吸收，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明所設(shè)計的太陽能電池結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、光電轉(zhuǎn)換效率高的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中:
[0021]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池在一個正方形周期內(nèi)的立體圖。
[0022]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池在一個正方形周期內(nèi)的剖視圖。
[0023]圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池的等效光譜功率圖和底部無金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池的等效光譜功率圖。
[0024]圖中:10、周期性凹槽，11、硅基薄膜，12、具有周期性凹槽10的金屬電極
[0025]需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進行詳細描述。
[0027]請參閱圖1?2，圖1所示為本發(fā)明一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池在一個正方形周期內(nèi)的立體圖。所述一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池1，包括:具有周期性凹槽10的金屬電極12以及硅基薄膜11，其中所述硅基薄膜11形成在具有周期性凹槽10的金屬電極12表面。
[0028]圖2為本發(fā)明一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池在一個正方形周期內(nèi)的剖視圖。更具體的，在本發(fā)明中，定義所述具有周期性凹槽10的金屬電極12位于硅基薄膜底部11。
[0029]優(yōu)選地，所述的硅基薄膜11的材料為單晶Si。
[0030]優(yōu)選地,所述的娃基薄膜11厚度在納米級別，一般為IOOnm?500nm,所述的具有周期性凹槽10的金屬電極12材料為Cu、Ag或Au。優(yōu)選地，所述的具有周期性凹槽10的金屬電極12的凹槽周期形狀為正方形晶格，所述的具有周期性凹槽10的金屬電極12的凹槽周期長度為200nm?400nm。
[0031]優(yōu)選地，所述的具有周期性凹槽10的金屬電極12的凹槽形狀為正方形，所述的具有周期性凹槽10的金屬電極12的凹槽邊長為160nm?240nm，所述的具有周期性凹槽10的金屬電極12的凹槽深度為20nm?lOOnm。
[0032]下面將描述本發(fā)明的具體示例:
[0033]選用厚度為220nm的金屬銀(Ag)作為金屬電極材料,米用飛秒激光三維微細加工技術(shù)在金屬電極上制備具有正方形周期(周期長度為300nm)的正方形凹槽(凹槽邊長為260nm，凹槽深度為20nm)。然后在該結(jié)構(gòu)上采用磁控濺射沉積方式沉積一層厚度為IOOnm的單晶硅(Si)硅基薄膜，從而形成底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池?；谏鲜霾牧霞敖Y(jié)構(gòu)參數(shù)的一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池的等效光譜功率由圖3給出。在圖3中同時給出了底部無金屬凹槽結(jié)構(gòu)，厚度為IOOnm的單晶硅(Si)的硅基薄膜太陽能電池的等效光譜功率。兩條等效光譜功率曲線已經(jīng)與AMl.5的太陽輻射照度作了歸一化處理。計算得到光匯聚因子1.125，即光吸收率提高了 12.5%。[0034]此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。
[0035]可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種底部具有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于包括:具有周期性凹槽的金屬電極以及硅基薄膜，其中所述硅基薄膜形成在具有周期性凹槽的金屬電極表面，并且所述具有周期性凹槽的金屬電極位于硅基薄膜底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述硅基薄膜的材料為單晶Si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述硅基薄膜厚度在納米級別。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述硅基薄膜厚度為IOOnm ~500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述具有周期性凹槽的金屬電極材料為Cu、Ag或Au。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽周期形狀為正方形晶格。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽周期長度為200nm~400nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于:所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽形狀為正方形。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽邊長為160nm~240nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述具有周期性凹槽的金屬電極的凹槽深度為20nm~lOOnm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1~1 0所述的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，所述具有周期性凹槽的金屬電極是通過飛秒激光三維微細加工技術(shù)制備的，所述硅基薄膜的沉積方法為磁控濺射沉積方式。
【文檔編號】H01L31/0224GK103904146SQ201410148419
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】饒蕾 申請人:上海電機學(xué)院