基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池制造技术

一种用于可见光波段(300-800nm)的基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池，该太阳能电池的顶部减反薄膜厚度为55～60纳米，中间的光栅吸收层周期为505～515纳米、厚度和占空比分别为为95～105纳米、0.7～0.75，波导吸收层的厚度为45～55纳米。当光垂直入射时，其在300-800nm波段的平均积分吸收效率高于66％，并且平均积分吸收效率有着很大的角度无关性，其在0-66°的入射角范围内高于60％。本发明专利技术基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池由电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池
本专利涉及薄膜非晶硅太阳能电池，特别是一种用于可见光波段的基于减反结构 和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池。
技术介绍
-般情况下，有两种完美的吸收器：一种是在较宽的波带范围内均有着很高的吸 收，称为宽带吸收器，它主要应用于太阳能电池领域；另一种是在较窄的带宽内有着完美的 吸收，称为选择性吸收器，主要用于设计高灵敏度的探测器、热成像器件以及窄带吸收/热 辐射器。目前，对薄膜太阳能电池的研究已经成为一个研究热点，它是未来光伏器件发展的 一个重要方向。它的主要优势就是可以有效地减小成本并且可以沉积在柔性衬底上，但是 目前，太阳能电池中所使用的薄膜非晶硅材料的吸收效率很低，因而增强非晶硅吸收层的 吸收效率是极为重要的。目前，人们提出了采用微纳结构来增强吸收的方案，这些微纳结构 主要包括周期性光栅、金属纳米粒子和超材料结构等等。在所有这些结构中，一维的周期性 光栅作为一种重要的和简单的器件，可以有效地增加薄膜非晶硅太阳能电池中的光吸收。 Sheng等人最先提出了基于光栅结构的薄膜太阳能电池中的波长选择性 增强吸收的一般原理【在先技术1 :P.Shengetal.，Appl.Phys.Lett. 43, 579 -581(1983)】。Park等人提出了在吸收层中刻蚀一维光子晶体来增强吸收的概念，并得 出了S偏振和P偏振的理论积分吸收效率（45% )【在先技术2:Y?Parketal?，0pt? Expressl7, 14312 - 14321 (2009)】。Daif等人从理论和实验上验证了氢化的一维非晶硅平 板光子晶体的吸收【在先技术3:0.E1Daifetal.，0pt.Expressl8，A293 -A299(2010).】。 Khaleque等人报道了基于导模谐振的周期性非晶硅薄膜的增强吸收，并发现在400_950nm 的波长范围内其积分吸收增强因子可以达到50%，但是他们并没有分析积分吸收的角度相 关性【在先技术4 :T.Khalequeetal.，inIntegratedPhotonicsResearch,Siliconand Nanophotonics，OSATechnicalDigest(CD)(2011)，paperITUD3.LWU等人设计了吸收层 厚度在360nm左右的基于导模谐振的光栅基太阳能电池，其积分吸收在300-750nm带宽内 为66%【在先技术5 :W.Wuetal.，Opt.Lett. 37, 2103-2105 (2012)】。采用更厚的吸收层 可以实现更高的吸收，但是它远大于获得最优电特性所要求的吸收层厚度（<200nm)。 矩形光栅是利用微电子刻蚀工艺，在基底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚 波长矩形光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式 的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam 等人已给出了严格f禹合波理论的算法【在先技术6:M.G.Moharametal.，J.0pt.Soc. Am.A. 12, 1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于可见光波段的基于减反结构和导模谐 振的薄膜非晶硅太阳能电池。当光垂直入射时，其在300-800nm波段的平均积分吸收效率 高于66%，并且平均积分吸收效率有着很大的角度无关性，其在0-66°的入射角范围内高 于60%。因此，所提出的薄膜非晶硅太阳能电池结构具有重要的实用价值。 本专利技术的技术解决方案如下： -种用于可见光波段（300_800nm)的基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶娃太 阳能电池，其特点在于，包括由上至下的减反薄膜、光栅吸收层和波导吸收层，所述的减反 薄膜的厚度为55?60纳米，所述的光栅吸收层的周期为505?515纳米、厚度为95?105 纳米、占空比为0. 7?0. 75,所述的波导吸收层的厚度为45?55纳米。 优选的，所述的减反薄膜的厚度为57. 4纳米，光栅吸收层的周期为509纳米、厚度 为100纳米、占空比为0. 724,波导吸收层的厚度为50纳米。 所述的减反薄膜的材料为氧化铟锡（以下简称IT0)，光栅吸收层光栅脊的材料为 非晶硅、光栅槽的材料为IT0，波导吸收层的材料为非晶硅。 与现有技术相比，本专利技术的技术效果如下： ⑴当300-800nm波段的光垂直入射到时，其平均积分吸收效率高于66%，并且平 均积分吸收效率有着很大的角度无关性，其在0-66°的入射角范围内高于60%，在0-74° 的入射角范围内高于50%。 (2)具有使用灵活方便、积分吸收效率较高和积分吸收的角度无关性较大等优点， 是一种非常理想的薄膜光伏元件，利用电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、 低成本地生产，刻蚀后的太阳能电池性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。 【附图说明】 图1是本专利技术的用于可见光波段的基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳 能电池的几何结构。 图中，1代表区域1(折射率为1〇,2代表减反薄膜，通常也用于透明电极，材料 为（IT0,折射率为2)，3代表光栅吸收层，光栅脊的材料为非晶硅（a-Si)，光栅槽的材料为 IT0,4代表波导吸收层，材料为a-Si，5代表区域5 (折射率为n2)，6代表太阳光入射，包括 TE和TM偏振光。d为光栅周期，f为光栅占空比，hph2和h3分别为减反薄膜、光栅吸收层 和波导吸收层的厚度，n'2。 图2是本专利技术要求范围内一个实施例的太阳光垂直入射时的平均吸收效率随波 长变化的曲线。 图3是图2中实施例的平均积分吸收效率随入射角的变化。 【具体实施方式】 下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范 围。 先请参阅图1，图1是本专利技术的用于可见光波段的基于减反结构和导模谐振的薄 膜非晶硅太阳能电池的几何结构。图中，区域1、5都是均匀的，分别为空气（折射率ni = 1)和熔融石英（折射率n2 = 1. 46)。太阳光（包括TE和TM偏振光）以一定角度0入射 到该器件，TE偏振光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振光对应于电场矢量 的振动方向平行于入射面。由图可见，本专利技术用于可见光波段的基于减反结构和导模谐振 的薄膜非晶硅太阳能电池，顶部减反薄膜厚度为55?60纳米，中间的光栅吸收层周期为 505?515纳米、厚度和占空比分别为为95?105纳米、0. 7?0. 75,波导吸收层的厚度为 45?55纳米。 表1给出了本专利技术一系列实施例，表中d为光栅周期，f为光栅占空比和h3 分别为减反薄膜、光栅吸收层和波导吸收层的厚度。为了评估器件的光学性能，我们利用积 分吸收作为品质因子，在所研究的波段范围内，TM和TE偏振的积分吸收效率分别定义为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于可见光波段的基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池，其特征在于，包括由上至下的减反薄膜(2)、光栅吸收层(3)和波导吸收层(4)，所述的减反薄膜的厚度为55～60纳米，所述的光栅吸收层的周期为505～515纳米、厚度为95～105纳米、占空比为0.7～0.75，所述的波导吸收层的厚度为45～55纳米。

【技术特征摘要】
1. 一种用于可见光波段的基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池，其特征 在于，包括由上至下的减反薄膜（2)、光栅吸收层（3)和波导吸收层（4)，所述的减反薄膜的 厚度为55?60纳米，所述的光栅吸收层的周期为505?515纳米、厚度为95?105纳米、 占空比为0. 7?0. 75,所述的波导吸收层的厚度为45?55纳米。2. 根据权利要求1所述的基于减反结构和导模...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，周常河，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31