本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體多尖端納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池及其制造方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能作為緩解能源危機(jī)的潔凈新能源具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值及發(fā)展前景，點(diǎn)楊能電池是利用光生伏特效應(yīng)，使半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的器件，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)，基礎(chǔ)組成部件。但是目前的太陽(yáng)能電池存在的最大的問(wèn)題就是光電轉(zhuǎn)化效率較低和成本高。

薄膜太陽(yáng)能電池具有用材少、能耗低、成本低、能量回收期短等優(yōu)點(diǎn)，并且其生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)污染環(huán)境，是具有很好發(fā)展前景的新型太陽(yáng)能電池。

中國(guó)專利cn104979413公開了一種利用金屬納米線做透明導(dǎo)電膜的薄膜太陽(yáng)能電池。該發(fā)明在玻璃基板上生長(zhǎng)銀，銅等金屬納米線，代替一般的半導(dǎo)體材料做透明導(dǎo)電層，以減少膜層帶來(lái)的電阻。該發(fā)明由于金屬納米線材料的不透光性，減少了與太陽(yáng)光的耦合，雖然降低了電池器件的電阻，但收集的光生載流子總量并沒(méi)有很大提高。

中國(guó)專利cn102456761公開了一種具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池。該發(fā)明中電池的上層金屬薄膜和下層金屬薄膜形成波導(dǎo)的包覆層，厚玻璃，透明導(dǎo)電薄膜和光電活性薄膜形成波導(dǎo)層以提高太陽(yáng)能電池的內(nèi)部光場(chǎng)強(qiáng)度。該發(fā)明中的上層金屬薄膜的厚度需要根據(jù)光電活性薄膜光響應(yīng)度大的波段來(lái)確定，即對(duì)光電活性薄膜具有依賴性，這會(huì)使得生產(chǎn)工藝變得繁瑣增加成本。

綜上所述，目前薄膜太陽(yáng)能電池存在的主要問(wèn)題是生產(chǎn)成本高，光電轉(zhuǎn)化率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N可以提高光電轉(zhuǎn)換效率的等離子多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池及其制造方法。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種等離子體多尖端納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池包括背電極層、襯底層、復(fù)合結(jié)構(gòu)層、正電極層，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層包括多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層和光吸收層，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為納米星結(jié)構(gòu)或納米雙邊塔結(jié)構(gòu)。利用金屬納米結(jié)構(gòu)的尖端區(qū)電磁場(chǎng)增強(qiáng)的特性，增大太陽(yáng)光與表面等離子體激元的耦合，增強(qiáng)光電流。

其中，納米星結(jié)構(gòu)具體為中間為圓球形結(jié)構(gòu)，在圓球形結(jié)構(gòu)的外表面生長(zhǎng)著至少一個(gè)錐體結(jié)構(gòu)，從而形成立體的星狀結(jié)構(gòu)，稱之為納米星結(jié)構(gòu)，所述尖端指的是椎體結(jié)構(gòu)的尖端。

雙邊金字塔結(jié)構(gòu)指的的兩個(gè)金字塔的底面相對(duì)形成的結(jié)構(gòu)，金字塔的底面為正五邊形，兩個(gè)金字塔的塔頂形成尖端結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述多尖端納米結(jié)構(gòu)層與所述光吸收層交替堆積形成所述復(fù)合層結(jié)構(gòu)，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層可以設(shè)置于所述光吸收層的頂部，或者嵌入所述光吸收層中或者設(shè)置于所述光吸收層的底部。當(dāng)多尖端納米結(jié)構(gòu)層置于光吸收層的頂部時(shí)，光通過(guò)多次和大角度散射優(yōu)先散射進(jìn)入半導(dǎo)體光吸收層，使得有效光程長(zhǎng)度增加，光捕獲增強(qiáng)。當(dāng)多尖端納米結(jié)構(gòu)層嵌入光吸收層中時(shí)，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)會(huì)激發(fā)局部表面等離子體激元，耦合太陽(yáng)光，金屬納米結(jié)構(gòu)尖端附近的電磁場(chǎng)增強(qiáng)，發(fā)生近場(chǎng)耦合，增強(qiáng)光電流。當(dāng)多尖端納米結(jié)構(gòu)層置于光吸收層的底部時(shí)，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)會(huì)激發(fā)表面等離子體激元，通過(guò)耦合入射光實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的捕獲。

優(yōu)選的，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)的材料選自金、銀、銅中的任意一種。

更優(yōu)選的，所述多尖端納米結(jié)構(gòu)的材料為金屬金。

優(yōu)選的，所述納米星結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)尖端。

更優(yōu)選的，所述納米星結(jié)構(gòu)包括三個(gè)尖端。

優(yōu)選的，所述納米星的核直徑為30～60nm，所述納米星尖端的長(zhǎng)度和直徑分別為30～60nm和10～30nm，所述納米雙邊金字塔的縱軸長(zhǎng)度為60～140nm，所述納米雙邊金字塔橫軸的長(zhǎng)度為20～45nm。

更優(yōu)選的，所述納米星的核直徑為60nm，所述納米星尖端的長(zhǎng)度為60nm，所述納米星尖端的直徑為20nm。

具體的，所述納米星的核直徑指的是納米星結(jié)構(gòu)中圓球體的直徑，所述納米星尖端的長(zhǎng)度指的是球形表面椎體的高度，尖端的直徑指的的椎體底面直徑。所述雙邊金字塔的縱軸長(zhǎng)度指的是兩個(gè)金字塔頂端的距離，所述雙邊金字塔橫軸的長(zhǎng)度指的是金字塔底面的最長(zhǎng)距離的長(zhǎng)度。

更優(yōu)選的，所述金納米星的制備方法具體為：以haucl4·3h2o為原料，在溶液中添加十六烷基三甲基溴化銨作為封端劑，添加抗壞血酸作為還原劑，添加agno3觸發(fā)au納米星的成核和生長(zhǎng)，通過(guò)一鍋法合成

優(yōu)選的，所述襯底層的材料選自砷化鎵，硅，鈉鈣玻璃中的任意一種。

優(yōu)選的，所述的光吸收層選自p型層、n型層，p-n結(jié)層或p-i-n結(jié)層中的任意一種。

優(yōu)選的，所述光吸收層的材料選自cdte、cu(in,ga)se2、cu(in,ga)(se,s)2、cuinse2、cugase2、cuins2、cu(in,ga)s2、cuscn中的任意一種。

優(yōu)選的，所述光吸收層與所述正電極層之間還設(shè)置有透明導(dǎo)電層，所述光吸收層與所述透明導(dǎo)電層之間還設(shè)置有緩沖層。

更優(yōu)選的，所述透明導(dǎo)電層的材料選自鋁摻雜氧化鋅、氧化銦錫、氟摻雜氧化錫中的任意一種。

本發(fā)明還提供一種等離子體多尖端納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：(1)提供一襯底層，所述襯底層的材料為砷化鎵、非晶硅、鈉鈣玻璃中的任意一種；(2)在所述襯底層上通過(guò)表面蒸發(fā)方法形成復(fù)合結(jié)構(gòu)層，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層包括多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層和光吸收層，所述多尖端納米結(jié)構(gòu)層與所述光吸收層交替堆積形成復(fù)合結(jié)構(gòu)層；(3)在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正電極層，在所述襯底層下真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層。

優(yōu)選的，在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層上通過(guò)化學(xué)浴方法沉積緩沖層，在所述緩沖層上通過(guò)磁控濺射法沉積透明導(dǎo)電層。

優(yōu)選的，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層的厚度為200～300nm，所述光吸收層的厚度為1.0～2.0μm，所述緩沖層的厚度為50～100nm，所述透明導(dǎo)電層的厚度為500～600nm。

更優(yōu)選的，所述金屬納米結(jié)構(gòu)層的厚度為200nm，所述光吸收層的厚度為1.0～2.0μm，所述緩沖層的厚度為50nm，所述透明導(dǎo)電層的厚度為500nm。

本申請(qǐng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其詳細(xì)說(shuō)明如下：

金屬納米結(jié)構(gòu)因可誘導(dǎo)表面等離子體激元和具有局部場(chǎng)增強(qiáng)特性被應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池，該結(jié)構(gòu)通常被用作等離子元來(lái)增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)電池的光吸收。在等離子共振頻率附近金屬納米結(jié)構(gòu)激發(fā)的表面等離子體激元可以有效地捕獲和引導(dǎo)半導(dǎo)體層中的光，金屬納米顆粒局部場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)增加周圍半導(dǎo)體材料的光吸收，通過(guò)近場(chǎng)耦合使得光電流增強(qiáng)。相同體積納米結(jié)構(gòu)，尖端處有更大的曲率，而局部場(chǎng)增強(qiáng)與表面的曲率成比例，所以多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)在其尖端區(qū)域內(nèi)，電磁強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，近場(chǎng)耦合增強(qiáng)，表面等離子體激元可以更有效地捕獲入射光，從而提高太陽(yáng)能電池光電效率。

與通過(guò)減少薄膜層帶來(lái)的電阻和通過(guò)改變光吸收層的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)光吸收的強(qiáng)度等現(xiàn)有技術(shù)方案不同，本發(fā)明結(jié)合了等離子體多尖端納米結(jié)構(gòu)，利用其誘導(dǎo)的表面離子體激元與入射光的耦合作用，提高了光的吸收，等離子體多尖端納米結(jié)構(gòu)在尖端區(qū)域電磁場(chǎng)增強(qiáng)是的近場(chǎng)耦合增大，提高了對(duì)入射光的捕獲，增大了光載流子從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明還將透明導(dǎo)電薄膜層和光電活性薄膜層形成波導(dǎo)層，提高太陽(yáng)能電池的內(nèi)部光場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)增大光載流子，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1、背電極層；2、襯底層；3、多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層；4、光吸收層；41、緩沖層；5、透明導(dǎo)電層；6、正電極層；7復(fù)合結(jié)構(gòu)層。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本申請(qǐng)所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，如圖1、圖2所示，包括依次設(shè)置的背電極層1、襯底層2、復(fù)合結(jié)構(gòu)層7、正電極層6，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層包括多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3和光吸收層4，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)層7與所述正電極層6之間還可以設(shè)置有緩沖層41，所述緩沖層41與所述正電極層6之間還可以設(shè)置有透明導(dǎo)電層5。

其中，襯底層2的材料為所述襯底層的材料為砷化鎵、非晶硅、鈉鈣玻璃中的任意一種，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層的材料為金、銀、銅中的任意一種，厚度為200nm，所述光吸收層的材料為cdte、cu(in,ga)se2、cu(in,ga)(se,s)2、cuinse2、cugase2、cuins2、cu(in,ga)s2、cuscn中的任意一種，厚度為1～2μm，所述透明導(dǎo)電層的材料為azo、ito、fto中的任意一種，厚度為500nm，所述緩沖層的材料為硫化鎘，厚度為50nm，所述正電極層與所述背電極層的材料為摻鋁氧化鋅。

其制備方法包括以下步驟：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵、非晶硅、鈉鈣玻璃中的任意一種；

(2)在所述襯底層2表面形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3；

(3)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上形成光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4上采用化學(xué)浴法沉積緩沖層41；

(5)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導(dǎo)電層5；

(6)在所述透明導(dǎo)電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正電極層6；

(7)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

為了驗(yàn)證本申請(qǐng)技術(shù)方案的技術(shù)效果，在上述具體實(shí)施方式要求的基礎(chǔ)上，采用具體參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下具體實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，包括依次設(shè)置的背電極層1，襯底層2，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，光吸收層4，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面蒸發(fā)形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為60nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為60納米和20納米的au納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(3)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上形成2μm厚的p型cuscn光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正電極層6；

(5)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實(shí)施例2

如圖2所示，本實(shí)施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，包括依次設(shè)置的背電極層1，襯底層2，光吸收層4，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，緩沖層41，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面形成2μm厚的n型cuscn光吸收層4；

(3)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為30nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為30nm和10nm的au納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(4)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上采用化學(xué)浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(5)在所述緩沖層41上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(6)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實(shí)施例3

如圖3所示，本實(shí)施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，包括依次設(shè)置的背電極層1，襯底層2，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，光吸收層4，緩沖層41，透明導(dǎo)電層5，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為非晶硅；

(2)在所述襯底層2表面形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為50nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為50nm和20nm的ag納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(3)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上形成2μm厚的n型cuins2光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4上采用化學(xué)浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(5)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導(dǎo)電層，材料為azo，厚度為500nm；

(6)在所述透明導(dǎo)電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(7)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實(shí)施例4

如圖4所示，本實(shí)施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，包括依次設(shè)置的背電極層1，襯底層2，光吸收層4，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，光吸收層4，緩沖層41，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為鈉鈣玻璃；

(2)在所述襯底層2表面形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(3)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為60nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為60nm和30nm的cu納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(4)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(5)在所述光吸收層4上采用化學(xué)浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(6)在所述緩沖層41上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(7)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實(shí)施例5

如圖5所示，本實(shí)施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，包括依次設(shè)置的背電極層1，襯底層2，光吸收層4，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，光吸收層4，緩沖層41，透明導(dǎo)電層5，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(3)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為60nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為60nm和30nm的au納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(4)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(5)在所述光吸收層4上采用化學(xué)浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(6)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導(dǎo)電層，材料為ito，厚度為500nm

(7)在所述透明導(dǎo)電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(8)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實(shí)施例6

如圖6所示，本實(shí)施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，包括依次設(shè)置的背電極層1，襯底層2，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，光吸收層4，多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，光吸收層4，緩沖層41，透明導(dǎo)電層5，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為60nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為60nm和30nm的au納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(3)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層上形成1μm厚的p型cuscn光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3，所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)為具有三個(gè)尖端的核直徑為60nm，尖端長(zhǎng)度和直徑分別為60nm和30nm的au納米星結(jié)構(gòu)，厚度為200nm；

(5)在所述多尖端金屬納米結(jié)構(gòu)層3上形成1μm厚的p型cuscn光吸收層4；

(6)在所述光吸收層4上采用化學(xué)浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(7)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導(dǎo)電層5，材料為ito，厚度為500nm

(8)在所述透明導(dǎo)電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(9)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，上述優(yōu)選實(shí)施方式不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。