底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池制造技术

本发明专利技术提供了一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池,首先在金属电极表面采用磁控溅射沉积方式沉积周期性金属纳米颗粒，然后再沉积一层硅基薄膜，从而形成底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池。当太阳光入射至该结构并穿透硅基薄膜到达底部的金属纳米颗粒处，会激励出局域表面等离子体激元。局域表面等离子体激元的近场增强效应和光汇聚作用可以有效地增强硅基薄膜的光吸收能力，从而提高太阳能电池的光电转换效率。本发明专利技术所设计的太阳能电池结构具有结构紧凑、光电转换效率高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池应用
，尤其涉及一种底部具有金属纳米颗粒结构 的硅基薄膜太阳能电池。
技术介绍
太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特效应将太阳能转化为直流电能的光电 器件，它通常也被称为光伏电池，太阳能电池单元是大面积光伏应用设施的基础。据国际能 源组织估计，2012年世界光伏生产总量已经超过40千兆瓦（GW)，预计到2050年，光伏电池 的发电量将会占到全球发电量的11 %从而使得二氧化碳的全球排放量每年降低2. 3亿吨 (Gt)。目前，用来发电的半导体材料主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、多元化合物、 有机半导体、氧化钛纳米晶、敏化染料等等。由太阳能电池的工作原理可知，任何一种衬底材料的极限光电转换效率是考虑了 自身本征特性（能带间隙）之后的理想效果，为了趋近其极限转换效率，应该做到以下两 个方面：一方面是减少电学损失，即选择合适的衬底材料，采用高质量的制造技术（如低缺 陷、低光生载流子的复合）和精细的器件结构设计（有利于光生载流子的产生、分离与收 集）；另一方面是充分吸收太阳光谱中的能量，即充分利用每一个光子的能量，要求电池表 面无反射损失及采用理想的陷光技术以达到最大光吸收。虽然砷化镓（GaAs)材料的吸收 谱与太阳光谱（300nm~900nm)最匹配的，基于GaAs的单接面太阳能电池的极限光电转换 效率最高，但考虑到它的毒性及加工技术的复杂性，一般将单晶硅、非晶硅等硅基材料作为 研宄的重点。 太阳能电池的成本、材料毒性、转换效率及应用波段等制约了其大规模推广。近年 来提出的硅基薄膜太阳能电池是只有几百纳米厚度的半导体材料，它可以降低成本、减少 原料消耗，便于大规模推广。但由娃材料的本征吸收特性可知，单晶娃在600nm~llOOnm 波段的吸收率较低（文献1，HarryA.AtwaterandAlbertPolman，表面等离子体激元增 强光伏电池，自然材料，9 (205)，2010)，其光电转换效率只有约10%。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池， 能够解决传统的太阳能电池光电转换效率较低的问题。 为解决上述问题，本专利技术提供一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能 电池，包括： 金属电极； 娃基薄膜，形成在所述金属电极表面； 周期性金属纳米颗粒，形成在所述金属电极和硅基薄膜的交界面。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述娃 基薄膜的材料为单晶Si。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述娃 基薄膜的厚度为l〇〇nm~500nm〇 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述金 属电极的材料为Cu、Ag或Au。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒的周期为正方形。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒的周期长度为200nm~400nm。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒的材料为Cu、Ag或Au。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒的形状为圆柱体、半球体或圆球体。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒的直径为80nm~300nm。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒的高度为20nm~60nm。 进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的娃基薄膜太阳能电池中，所述周 期性金属纳米颗粒和硅基薄膜的形成方法为磁控溅射沉积方式。 与现有技术相比，本专利技术在太阳能电池中引入金属纳米颗粒结构，将金属纳米颗 粒所激励的局域表面等离子体激元效应与太阳能电池的光电效应相结合，设计出一种底部 具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池。当太阳光入射至该结构并穿透硅基薄膜到 达底部的金属纳米颗粒处，会激励出局域表面等离子体激元（LSP)。局域表面等离子体激元 的近场增强效应和光汇聚作用可以有效地增强硅基薄膜的光吸收能力，从而提高太阳能电 池的光电转换效率。本专利技术具有结构紧凑、光电转换效率高的特点。【附图说明】 图1为本专利技术一实施例的底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池在 一个正方形周期内的立体图； 图2为本专利技术一实施例的底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池在 一个正方形周期内的侧面剖视图； 图3为本专利技术一实施例的底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池和 底部无金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池的等效光谱功率图。【具体实施方式】 为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本专利技术作进一步详细的说明。 如图1和2所示，本专利技术提供一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能 电池，包括： 金属电极12; 硅基薄膜11，形成在所述金属电极表面； 周期性金属纳米颗粒13,形成在所述金属电极12和硅基薄膜11的交界面。在此， 本实施例中，可首先在金属电极12表面采用磁控溅射沉积方式沉积周期性金属纳米颗粒 13,然后再沉积一层硅基薄膜11，从而形成底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能 电池。 本专利技术一优选的实施例中，所述硅基薄膜11的材料为单晶Si。 本专利技术一优选的实施例中，所述娃基薄膜11的厚度为100nm~500nm〇 本专利技术一优选的实施例中，所述金属电极12的材料为Cu、Ag或Au。 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13的周期为正方形。图1所 示为本专利技术一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正方形周期内 的立体图。图2为本专利技术一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池在一个正 方形周期内的侧面剖视图。 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13的周期长度为200nm~ 400nm〇 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13的材料为Cu、Ag或Au。 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13的形状为圆柱体、半球体 或圆球体。 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13的直径为80nm~300nm。 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13的高度为20nm~60nm。 本专利技术一优选的实施例中，所述周期性金属纳米颗粒13和硅基薄膜11的形成方 法为磁控溅射沉积方式。 在本专利技术一具体应用的实施例中，可选用厚度为200nm的金属银（Ag)作为金属薄 膜材料，采用磁控溅射沉积方式在金属薄膜上制备具有正方形周期（周期长度为300nm)的 金属银（Ag)纳米颗粒（颗粒为圆柱体，直径180nm，高度40nm)。然后在该结构上采用磁控 溅射沉积方式沉积一层厚度为l〇〇nm的单晶硅（Si)硅基薄膜，从而形成底部具有金属纳米 颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池。基于上述材料及结构参数的一种底部具有金属纳米颗粒 结构的硅基薄膜太阳能电池的等效光谱功率由图3给出。在图3中同时给出了底部无金属 纳米颗粒结构，厚度为l〇〇nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，包括：金属电极；硅基薄膜，形成在所述金属电极表面；周期性金属纳米颗粒，形成在所述金属电极和硅基薄膜的交界面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：饶蕾，王小晗，施岳，朱佳俊，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海;31