帶有相位光柵納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能電池，尤其涉及一種帶有相位光柵納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏發(fā)電一直是備受關(guān)注的清潔能源解決方案，太陽能電池也是目前最具活力的 研宄領(lǐng)域之一。太陽能電池依靠光伏效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對太陽能的有效利用，在經(jīng)近一個(gè)世紀(jì) 的發(fā)展之后，太陽能電池已歷經(jīng)三代，第一代是基于硅材料的晶體太陽能電池，第二代是 包括非晶娃、聚晶娃（polycrystallinesilicon)、蹄化錦（CdTe)、硒化銅銦鎵（CIGS)等 材料的薄膜型電池，第三代是新型高轉(zhuǎn)換率太陽能電池，包括多結(jié)型（multi-junctionor tandem)、中間能帶性（intermediateband)、載流子倍增型（carrier-multiplication)、光 子能量轉(zhuǎn)變型（priorupordownenergyconversion)，其中只有多結(jié)型目前被應(yīng)用到了實(shí) 際當(dāng)中。
[0003] 目前市場上主流的太陽能電池大多為硅太陽能電池。但是硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn) 換效率極限只有24%。為了達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率，人們開始研制基于砷化鎵材料的太陽能 電池。單結(jié)的砷化鎵太陽能電池的理論極限約為27%。
[0004] 砷化鎵屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，與硅不同，它是直接帶隙材料，有著更好 的能量轉(zhuǎn)化效率。而且，砷化鎵的帶隙為1.42eV，與太陽光的光譜匹配能力好，對太陽光有 非常好的吸收特性。因此，相比于硅太陽能電池通常150微米的厚度，砷化鎵太陽能電池可 以做得更薄，達(dá)到5?10微米。此外，砷化鎵太陽能電池具有耐高溫的特性，在300°C的條 件下，硅太陽能電池已經(jīng)停止運(yùn)作，而砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率仍然有10 %，這一特性使得砷 化鎵電池可以被用于聚光太陽能系統(tǒng)。
[0005] 為突破單結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率極限，人們開始研宄基于不同禁帶寬度材料的 多結(jié)疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)。1994年，美國的清潔能源實(shí)驗(yàn)室（NREL)發(fā)布GalnP/GaAs聚光 多結(jié)太陽能電池，效率超過30 %。如今，多結(jié)疊層太陽能電池的已成為轉(zhuǎn)換效率最高的太陽 能電池結(jié)構(gòu)，并不斷刷新記錄。根據(jù)NREL最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至本發(fā)明撰寫之時(shí)，轉(zhuǎn)換效率 最尚已達(dá)到44. 7 %。
[0006] 在此基礎(chǔ)上，很多人希望通過制作表面納米結(jié)構(gòu)的方式獲得進(jìn)一步改良，其中包 括納米線、納米錐、減反層鍍膜等技術(shù)，通過降低表面反射率的方法提高太陽能電池材料整 體對入射光的吸收率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提出一種帶有相位光柵納米結(jié)構(gòu)的太陽能 電池，解決傳統(tǒng)太陽能電池反射率高、光子吸收率低、短路電流和開路電壓較低等缺點(diǎn)，并 針對特定的吸收層進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 一、一種帶有相位光柵納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池
[0010] 本發(fā)明包括太陽能電池；在所述太陽能電池的上表面制作透射型相位光柵，相位 光柵由一系列刻蝕槽構(gòu)成，所述刻蝕槽的深度由公式h=X/ [2 (n-1)]計(jì)算得出，使得入射 光從光柵上表面?zhèn)鞑サ较卤砻娴南辔徊顬镴i，其中A為入射光的中心波長，n是太陽能電 池表面相位光柵材料的折射率；所述刻蝕槽的寬度和間隔根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理設(shè)計(jì)， 由菲涅爾波帶法計(jì)算得出。
[0011] 所述刻蝕槽的深度為入射光的中心波長的四分之一，使從刻蝕槽底部反射的光與 從光柵上表面反射的光的相位差為。
[0012] 所述太陽能電池表面相位光柵材料的折射率接近3。
[0013] 所述太陽能電池為三結(jié)疊層砷化鎵太陽能電池，其中第一結(jié)材料為銦鎵磷，第二 結(jié)材料為砷化鎵，第三結(jié)材料為銦鎵砷的太陽能電池。
[0014] 所述三結(jié)疊層砷化鎵太陽能電池上表面，針對第一結(jié)的聚焦點(diǎn)和中心波長有相位 光柵，把入射光聚焦在三結(jié)疊層砷化鎵太陽能電池的第一結(jié)的PN結(jié)區(qū)中。
[0015] 所述三結(jié)疊層砷化鎵太陽能電池上表面，針對第二結(jié)的聚焦點(diǎn)和中心波長有相位 光柵，把入射光聚焦在三結(jié)疊層砷化鎵太陽能電池的第二結(jié)的PN結(jié)區(qū)中。
[0016] 所述三結(jié)疊層砷化鎵太陽能電池上表面，分別針對第一結(jié)和第二結(jié)的聚焦點(diǎn)和中 心波長有各自的相位光柵，兩個(gè)相位光柵正交，同時(shí)把入射光聚焦在三結(jié)疊層砷化鎵太陽 能電池的第一結(jié)和第二結(jié)PN的結(jié)區(qū)中。
[0017] 二、另一種帶有相位光柵納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池，
[0018] 本發(fā)明包括太陽能電池；在太陽能電池的上表面制作透射型相位光柵，相位光柵 光柵由一系列具有的周期性刻蝕槽構(gòu)成，其周期等于結(jié)區(qū)材料的中心波長，將垂直于結(jié)區(qū) 入射的光轉(zhuǎn)為沿著結(jié)區(qū)水平方向傳播的光。
[0019] 所述刻蝕槽深度為中心波長的四分之一，使從刻蝕槽底部反射的光與從光柵上表 面反射的光的相位差為n。
[0020] 所述太陽能電池表面構(gòu)成光柵材料的折射率接近3。
[0021] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0022] 1.本發(fā)明的透射型相位增強(qiáng)聚焦光柵利用一個(gè)新的原理機(jī)制將相位光柵與太陽 能電池集成，實(shí)現(xiàn)尚性能、小尺寸尚效率光伏系統(tǒng)，。
[0023] 2.本發(fā)明的透射型相位光柵可以有效降低太陽能電池表面的反射率。
[0024] 3.本發(fā)明的透射型相位光柵可以有效增加光子在太陽能電池PN結(jié)區(qū)的吸收長 度。
[0025] 4.本發(fā)明的透射型相位光柵可以有效增加入射光在太陽能電池的PN結(jié)區(qū)的光場 強(qiáng)度。
[0026] 5.本發(fā)明的透射型相位光柵可以有效提高太陽能電池的PN結(jié)區(qū)對光子的有效吸 收。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明帶有透射型表面相位光柵的太陽能電池的示意圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明的相位光柵設(shè)計(jì)示意圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明的針對三結(jié)疊層砷化鎵電池的實(shí)施例設(shè)計(jì)的500納米波長焦平面在 第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層底部的相位光柵（簡稱光柵1)的示意圖。
[0030] 圖4是當(dāng)透射型光柵聚焦面設(shè)定在電池第一結(jié)的PN結(jié)結(jié)區(qū)（吸收層底部）時(shí)，500 納米波長入射光在聚焦面處的光強(qiáng)分布。
[0031] 圖5是在三結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵1后的反射率與未制作光柵1時(shí)反 射率的對比曲線圖。
[0032] 圖6是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵1后的第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層的吸 收率與未制作光柵1時(shí)第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層吸收率的對比曲線圖。
[0033] 圖7是本發(fā)明提出的針對750納米波長設(shè)計(jì)的焦平面在第二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層底 部的相位光柵（簡稱光柵2)的示意圖。
[0034] 圖8是當(dāng)透射型光柵聚焦面設(shè)定在電池第二結(jié)的PN結(jié)結(jié)區(qū)（吸收層底部）時(shí)，750 納米波長入射光在聚焦面處的光強(qiáng)分布。
[0035] 圖9是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵2后的反射率與未制作光柵2時(shí)反 射率的對比曲線圖。
[0036] 圖10是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵2后的第二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層的吸 收率與未制作光柵2時(shí)第二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層吸收率的對比曲線圖。
[0037] 圖11是本發(fā)明提出的同時(shí)針對500納米波長和750納米波長設(shè)計(jì)的焦平面分別 在第一、二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層底部的正交相位光柵（簡稱光柵3)的示意圖。
[0038] 圖12(a)是500納米波長的光入射到制作了光柵3的多結(jié)疊層砷化鎵電池表面 后，電池第一結(jié)的PN結(jié)結(jié)區(qū)（吸收層底部）的光強(qiáng)分布；(b)是750納米波長的光入射到 制作了光柵3的多結(jié)疊層砷化鎵電池表面后，電池第二結(jié)的PN結(jié)結(jié)區(qū)（吸收層底部）的光 強(qiáng)分布。
[0039] 圖13是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵3后的反射率與未制作光柵3時(shí) 反射率的對比曲線圖。
[0040] 圖14是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵3后的第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層的吸 收率與未制作光柵3時(shí)第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層吸收率的對比曲線圖。
[0041] 圖15是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了光柵3后的第二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層的吸 收率與未制作光柵3時(shí)第二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層吸收率的對比曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明包括太陽能電池；其特征在于：在所述太陽能電池的上表面 制作透射型相位光柵，