宽光谱吸收的薄膜太阳能电池及光伏发电装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池及光伏发电装置；该薄膜太阳能电池包括前电极层、光吸收层、背电极层以及基底层，其中，前电极层远离光吸收层的表面分散分布有非金属材质的微纳米球，该微纳米球的半径为15nm‑150nm；背电极层的内部分散分布有金属材质的微纳米半球，该微纳米半球的半径为25nm‑250nm，且该微纳米半球与光吸收层之间的间距为10nm‑100nm。该光伏发电装置包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和直流‑交流逆变器，太阳能电池组件包括多个电连接的薄膜太阳能电池。本发明专利技术采用复合陷光结构，同时实现短波段和长波段的吸收增强，可使薄膜太阳能电池及光伏发电装置的光电转换效率显著提高。

Thin film solar cell with wide spectrum absorption and photovoltaic power generation device

【技术实现步骤摘要】
宽光谱吸收的薄膜太阳能电池及光伏发电装置
本专利技术涉及一种光伏发电装置，特别是其中的薄膜太阳能电池。
技术介绍
光伏发电装置利用太阳能电池的光生伏打效应将吸收的光能转换为电能，是最具开发潜力的新能源之一。太阳能电池的光线吸收效率是影响光伏发电装置性能的重要因素，传统太阳能电池的吸收材料大多为晶硅，但其对硅的纯度要求极高、加工工艺复杂致使其使用成本较高，而且晶硅的吸收系数相对较低，所以目前商用晶硅太阳能电池的厚度一般在300μm左右，厚度较大造成材料的大量消耗，也是晶硅太阳能电池应用受限的一个主要因素。薄膜太阳能电池相比传统太阳能电池具有显著降低的厚度，大大节省了材料的使用。由于厚度的急剧减少，所以薄膜太阳能电池需要选用吸收系数更高的材料。在薄膜太阳能电池中设置微纳米尺度的陷光结构是提高吸收系数的有效措施之一，现有研究中微纳米陷光结构的位置大致分为三类：（1）放置在太阳能电池的上表面，其调控光谱的机理是增加散射效应使更多的光进入到吸收层；（2）放置在光吸收层（即半导体材料）中间，这种结构调控光谱的机理是近场效应可以增加电子-空穴对的产生；（3）放置在太阳能电池的背部，因为光的吸收随着波长的增加所需的厚度也逐渐增加，但超薄太阳能电池的厚度达不到所需的吸收光程，所以背部结构通过增加反射的机理来提高长波段的反射而调控光谱。然而，单一陷光结构往往只对某些波段的吸收效率提升有效果，对其他波段的吸收无增强作用，甚至会有负面作用。作为采用单一陷光结构的现有技术示例，《银纳米颗粒等离子体在非晶硅薄膜太阳能电池上的应用》（范国鹏，陕西师范大学硕士学位论文，2016年）公开了将银纳米颗粒应用在非晶硅薄膜太阳能电池的背电极上，增强非晶硅薄膜太阳能电池的效率。其中，将银纳米薄膜在氮气氛围中进行退火制备银纳米颗粒，通过调节退火温度而改变银纳米颗粒的大小和形貌（椭圆形/棒状/球状），并研究退火温度对光吸收率和电池效率的影响，但仅实现了长波段范围内的吸收增强。中国专利文献CN103094368A披露了一种太阳能电池（非薄膜太阳能电池），其包括基底以及顺序层叠在基底上的反射电极层、光吸收层和透明电极层，该反射电极层内具有与光吸收层分隔开的金属纳米颗粒，且除基底之外的各个层均具有粗糙表面；反射电极层内的金属纳米颗粒增强了太阳能电池在长波段的吸收，且太阳能电池呈现了极高的光吸收效率，但这里光吸收效率的提高主要归因于其中各个层特别是透明电极层的表面粗糙结构，而层表面粗糙结构的形成意味着该层厚度的明显增加，故这种结构难以在对厚度有严格要求的薄膜太阳能电池中应用。也有采用双重陷光结构的公开。例如，中国专利文献CN104064607A公开了一种表面和底部均带有阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构；中国专利文献CN103811589A披露了半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构，包括形成在光吸收层前表面的光栅和后表面的双层金属纳米球。XianqinMeng等研究了在薄膜太阳能电池光吸收层的前后表面形成衍射光栅对光吸收的影响（XianqinMeng,etal.,Combinedfrontandbackdiffractiongratingsforbroadbandlighttrappinginthinfilmsolarcell，OPTICSEXPRESSSeptember2012,Vol.20,No.S5/A560-571）。采用光栅陷光结构虽然可以增强光吸收，但存在的突出问题是光栅与吸收层形成面接触，使得电子-空穴对的的复合概率显著增大，电池效率的提升实际上非常有限。中国专利文献CN102646745A公开了一种光伏器件以及包含该光伏器件的太阳能电池，该光伏器件包括透明电极区、窗口区和吸收区三个区，其中采用了如此的双重陷光结构：同时在透明电极区的入光面和吸收区的背面形成微纳米球和/或纳米线；纳米线、微纳米球的材料为金属、非金属、或金属与非金属的复合材料。此结构从光学的角度来看，入光面和吸收区背面的微纳米球可能会对吸收光谱的提升有一定的作用，但是在实际的应用中将微纳米球和吸收区直接接触，同样会大大增加电子-空穴对的复合概率，严重影响太阳能电池的光电转化效率。而且该专利提出的微纳米结构是为了激发表面等离激元，从而增加光的吸收，但是由于表面等离激元激发导致的吸收提升主要集中在微纳米结构中，并不会形成吸收层有效吸收的提升，对最终的光电转换效率提升作用非常有限。双重陷光结构通常比单一陷光结构具有更佳的光吸收效率，但要想很好地提高光吸收效率并不意味着简单地叠加两个陷光结构即可，因为这种简单叠加很可能产生一系列新的问题，例如在长波段吸收增强的同时却伴随其他波段吸收的相对劣化，而现有技术并未系统性地披露如何实现两个陷光结构之间的有效匹配。另一方面，光学吸收的提升分为吸收区的有效吸收提升和非吸收区的无效吸收提升，必须要严格界定。而且，为了实现最终的光电转换效率提升，微纳结构的引入导致光学吸收提升的同时不能对原有电池结构的电学特性有所损伤，例如常见的问题包括微纳结构的引入会大大增加电极接触表面或者新的缺陷，导致电子-空穴的复合效率大大提升，进而减小光电转换效率。专利技术人以在不影响电池本身电学性能的条件下，同时在短波段和长波段提升薄膜太阳能电池有效吸收为目的，进行了深入研究，进而提出了本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种具有较高光电转化效率的薄膜太阳能电池及采用该薄膜太阳能电池的光伏发电装置，通过对薄膜太阳能电池内双重陷光结构各自材质、形貌、尺寸及位置的整体调控而使得该双重陷光结构较好匹配，同时增强短波段和长波段的有效吸收，以达成较高的光电转化效率。为了实现上述的主要目的，本专利技术的第一方面提供了一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，包括前电极层、光吸收层、背电极层以及基底层；其中前电极层远离光吸收层的表面分散分布有非金属材质的微纳米球，该微纳米球的半径为15nm-150nm；背电极层的内部分散分布有金属材质的微纳米半球，该微纳米半球的半径为25nm-250nm，且微纳米半球与光吸收层之间的间距为10nm-100nm。根据本专利技术的一种具体实施方式，所述非金属为选自二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化锂、氟化镁和氧化锌中的一种或多种。也就是说，前电极层远离光吸收层的表面可以是分散分布有单一材质的非金属微纳米球，也可以是分散分布有多种不同材质的非金属微纳米球。根据本专利技术的一种具体实施方式，所述金属为选自铝、银和金中的一种或多种。也就是说，背电极层的内部可以是分散分布有单一材质的金属微纳米半球，也可以是分散分布有多种不同材质的金属微纳米半球。在本专利技术的优选实施例中，所述非金属为二氧化硅或氮化硅，所述金属为银。专利技术人深入研究发现，二氧化硅或氮化硅微纳米球与银纳米半球的陷光结构组合在提升光吸收及光电转化效率方面具有相对更佳的效果。优选的，所述微纳米球的半径为40nm-90nm。优选的，所述微纳米半球的半径为80nm-120nm。优选的，所述微纳米球的半径小于所述微纳米半球的半径。本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，包括前电极层、光吸收层、背电极层以及基底层；其特征在于：所述前电极层远离所述光吸收层的表面分散分布有非金属材质的微纳米球，所述微纳米球的半径为15nm-150nm；所述背电极层的内部分散分布有金属材质的微纳米半球，所述微纳米半球的半径为25nm-250nm，且所述微纳米半球与所述光吸收层之间的间距为10nm-100nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，包括前电极层、光吸收层、背电极层以及基底层；其特征在于：所述前电极层远离所述光吸收层的表面分散分布有非金属材质的微纳米球，所述微纳米球的半径为15nm-150nm；所述背电极层的内部分散分布有金属材质的微纳米半球，所述微纳米半球的半径为25nm-250nm，且所述微纳米半球与所述光吸收层之间的间距为10nm-100nm。


2.根据权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述非金属为选自氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氟化锂、氟化镁和氧化锌中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述金属为选自铝、银和金中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述非金属为二氧化硅或氮化硅，所述金属为银。


5.根据权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述微纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨月，朱永刚，李红恩，胡一知，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东;44