一種帶有菲涅爾透鏡納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池，尤其涉及一種帶有菲涅爾透鏡納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種非常環(huán)保的發(fā)電方式。在經(jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程 后，光伏能源正在逐步成為世界上最受關(guān)注的新能源之一，也逐步成為最具活力的研宄領(lǐng) 域之一。目前市場(chǎng)上主流的太陽(yáng)能電池為硅太陽(yáng)能電池。但是硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率極 限只有24%。為了達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率，砷化鎵被用于制作太陽(yáng)能電池。單結(jié)的砷化鎵太 陽(yáng)能電池的理論極限約為27 %。實(shí)驗(yàn)室制作三結(jié)的砷化鎵太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率甚至達(dá)到了 40%以上。
[0003] 砷化鎵屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料。它是直接帶隙材料，帶隙為1. 42eV，與 太陽(yáng)光的光譜匹配能力好，對(duì)太陽(yáng)光有非常好的吸收特性。因此，相比于硅太陽(yáng)能電池通常 150微米的厚度，砷化鎵太陽(yáng)能電池可以做的很薄，達(dá)到5~10微米。此外，砷化鎵太陽(yáng)能 電池具有耐高溫的特性，在300攝氏度的條件下，硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)停止運(yùn)作，而它的轉(zhuǎn)換 效率仍然有10%，因此非常適合用于聚光太陽(yáng)能電池系統(tǒng)。
[0004] 首次發(fā)現(xiàn)砷化鎵太陽(yáng)能電池具有光伏效應(yīng)是在1954年，發(fā)展至今已有將近60年 的時(shí)間了。在1980年之前，實(shí)驗(yàn)室制作的單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池的效率最高僅為16%。在 1980年之后，隨著砷化鎵太陽(yáng)能電池的制作技術(shù)從LPE到MOVPE，從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延， 并伴隨著電池結(jié)構(gòu)的不斷變化和完善，其效率也在不斷提升。1984年，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn) 室（NERL)研制出Gaa5Ina5P/GaAs疊層雙結(jié)太陽(yáng)能電池。在AM0G的測(cè)試條件下，1985年，它 的效率達(dá)到5%，1987年達(dá)到10%，1988年達(dá)到21. 8%，1990年達(dá)到27. 3%。在1994年， 它的效率更是達(dá)到了 25.7 % (AM0)，29.5 % (AM1. 5) ,30. 2 % (AMUD)。
[0005] 在此基礎(chǔ)上，很多人希望通過(guò)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(guò)降低表面反射率的方法提高太陽(yáng)能電池材料整 體對(duì)入射光的吸收率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提出一種帶有菲涅爾透鏡納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng) 能電池，解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池反射率高、光子吸收率低、短路電流和開(kāi)路電壓較低等缺 點(diǎn)，并針對(duì)太陽(yáng)能電池結(jié)層的第一結(jié)PN結(jié)區(qū)和第二結(jié)PN結(jié)區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明包括太陽(yáng)能電池，在所述太陽(yáng)能電池的上表面設(shè)有菲涅爾透鏡，菲涅爾透 鏡由一系列同心圓環(huán)刻蝕槽構(gòu)成，所述同心圓環(huán)刻蝕槽的深度由公式h=x/[2(n-l)]計(jì) 算得出，使得入射光從菲涅爾透鏡上表面?zhèn)鞑サ较卤砻娴南辔徊顬閚，其中A為入射光的 中心波長(zhǎng)，n是太陽(yáng)能電池表面菲涅爾透鏡材料的折射率；所有同心圓環(huán)刻蝕槽兩側(cè)邊緣 的半徑向外依次根據(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。
[0009] 所述同心圓環(huán)刻蝕槽的深度為入射光的中心波長(zhǎng)的四分之一，使從同心圓環(huán)刻蝕 槽底部反射的光與從菲涅爾透鏡上表面反射的光的相位差為n。
[0010] 所述太陽(yáng)能電池表面菲涅爾透鏡材料的折射率接近3。
[0011] 所述太陽(yáng)能電池為三結(jié)疊層砷化鎵太陽(yáng)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。
[0012] 所述三結(jié)疊層砷化鎵太陽(yáng)能電池上表面，針對(duì)第一結(jié)的聚焦點(diǎn)和中心波長(zhǎng)有菲涅 爾透鏡，把入射光聚焦在三結(jié)疊層砷化鎵太陽(yáng)能電池的第一結(jié)的PN結(jié)區(qū)發(fā)射極底部。
[0013] 所述三結(jié)疊層砷化鎵太陽(yáng)能電池上表面，針對(duì)第二結(jié)的聚焦點(diǎn)和中心波長(zhǎng)有菲涅 爾透鏡，把入射光聚焦在三結(jié)疊層砷化鎵太陽(yáng)能電池的第二結(jié)的PN結(jié)區(qū)發(fā)射極底部。
[0014] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0015] 1.本發(fā)明的帶有菲涅爾透鏡納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池利用一個(gè)新的結(jié)構(gòu)機(jī)制將菲 涅爾透鏡與太陽(yáng)能電池集成，實(shí)現(xiàn)高性能、小尺寸高效率光伏系統(tǒng)。
[0016] 2.本發(fā)明的菲涅爾透鏡可以有效降低太陽(yáng)能電池表面的反射率。
[0017] 3.本發(fā)明的透射型菲涅爾透鏡可以有效增加光子在太陽(yáng)能電池PN結(jié)區(qū)的吸收長(zhǎng) 度。
[0018] 4.本發(fā)明的菲涅爾透鏡可以有效增加入射光在太陽(yáng)能電池的PN結(jié)區(qū)的光場(chǎng)強(qiáng) 度。
[0019] 5.本發(fā)明的菲涅爾透鏡可以有效提高太陽(yáng)能電池的PN結(jié)區(qū)對(duì)光子的有效吸收。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明帶有表面菲涅爾透鏡的太陽(yáng)能電池的示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明的菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)示意圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明的針對(duì)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(zhǎng)焦平面在 第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收層底部的菲涅爾透鏡（簡(jiǎn)稱第一種透鏡）的示意圖。
[0023] 圖4是當(dāng)透菲涅爾透鏡聚焦面設(shè)定在電池第一結(jié)的PN結(jié)結(jié)區(qū)發(fā)射極底部時(shí)，500 納米波長(zhǎng)入射光在聚焦面處的光強(qiáng)分布。
[0024] 圖5是在三結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了第一種透鏡后的反射率與未制作第一 種透鏡時(shí)反射率的對(duì)比曲線圖。
[0025] 圖6是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了第一種透鏡后的第一結(jié)PN結(jié)區(qū)的吸收 率與未制作第一種透鏡時(shí)第一結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收率的對(duì)比曲線圖。
[0026] 圖7是本發(fā)明提出的針對(duì)750納米波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的焦平面在第二結(jié)PN結(jié)區(qū)發(fā)射極底 部的菲涅爾透鏡（簡(jiǎn)稱第二種透鏡）的示意圖。
[0027] 圖8是當(dāng)菲涅爾透鏡聚焦面設(shè)定在電池第二結(jié)的PN結(jié)結(jié)區(qū)發(fā)射極底部時(shí)，750納 米波長(zhǎng)入射光在聚焦面處的光強(qiáng)分布。
[0028]圖9是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了第二種透鏡后的反射率與未制作第二 種透鏡時(shí)反射率的對(duì)比曲線圖。
[0029] 圖10是在多結(jié)疊層砷化鎵電池表面制作了第二種透鏡后的第二結(jié)PN結(jié)區(qū)的吸收 率與未制作第二種透鏡時(shí)第二結(jié)PN結(jié)區(qū)吸收率的對(duì)比曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明是在太陽(yáng)能電池的上表面制作透射型菲涅爾透鏡形成新的太 陽(yáng)能電池，菲涅爾透鏡由一系列同心圓環(huán)刻蝕槽構(gòu)成，所述刻蝕槽的深度h由公式h=V [2(n_l)]計(jì)算得出，使得入射光從菲涅爾透鏡刻蝕槽上表面?zhèn)鞑サ较卤砻娴南辔徊顬?1， 其中A為入射光的中心波長(zhǎng)，n是太陽(yáng)能電池表面菲涅爾