一种光伏纳米柱结构及基于该结构的太阳能电池制造技术

本实用新型专利技术公开了一种光伏纳米柱结构及基于该结构的太阳能电池，其中，该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性变化的不规则柱体，所述不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，所述不规则柱体的最大直径与最小直径的差值为80nm～120nm。本实用新型专利技术光吸收能力更强，光转换效率更高。

A photovoltaic nano column structure and solar cell based on the structure

【技术实现步骤摘要】
一种光伏纳米柱结构及基于该结构的太阳能电池
本技术涉及太阳能电池，尤其涉及一种光伏纳米柱结构及基于该结构的太阳能电池。
技术介绍
21世纪人类面临的最大挑战之一是从基于化石燃料的能源系统向基于可持续和可再生资源的能源系统过渡，可以直接将太阳光转化为电能的太阳能电池在其中起到了很重要的作用，光伏技术也得到了较快的的发展与广泛的应用。人们都在为了制造高效率、低成本的太阳能电池不断寻找新方法、新技术，近年来纳米结构的材料应用于太阳能电池引起了学者的关注。过去的十年中，纳米柱太阳能电池得以迅速发展。太阳能电池的光电转化效率也获得大幅提升，从5％增加到了15％以上。在纳米材料不断发展的过程中，光伏器件的纳米柱结构也得到了很快的发展。可以用更少的材料、更低的成本来制备光能转化效率更高的光伏器件。且纳米柱结构所具有的特性也使太阳能电池具有更强的光学吸收，产生高的光电转换效率。进一步优化纳米柱结构，改进材料对增强光学吸收、提高光能转化效率有重要意义。在纳米柱结构中，纳米柱的直径对其光学模式影响最大。现有的简单圆柱形纳米柱结构的光学共振仅发生在特定的共振波长处，光学吸收仅在特定区域才会增强。
技术实现思路
技术目的：本技术针对现有技术存在的问题，提供一种光伏纳米柱结构及基于该结构的太阳能电池，本技术的纳米柱和电池光学吸收效果更好，光能转化效率更高。技术方案：本技术提供了一种光伏纳米柱结构，该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性变化的不规则柱体，所述不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，所述不规则柱体的最大直径与最小直径的差值为80nm～120nm。本技术还提供了另外一种该纳米柱结构，其顶端为圆柱体，圆柱体下方为直径沿竖直方向呈周期性变化的不规则柱体，所述不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，所述不规则柱体的最大直径与最小直径的差值位于为80nm～120nm，顶端圆柱体的直径为下方不规则柱体最大直径的1/15～1/5。上面两种纳米柱结构中，所述不规则柱体的周期性变化具体为沿竖直方向呈周期性正弦函数模式变化、或周期性一次函数模式变化、或周期性常函数模式变化。最大直径为460nm～660nm。直径变化周期为500nm～800nnm，圆柱体的直径为40nm～80nm。纳米柱结构为半导体纳米柱，材料为为Si、Ge、GaAS、GaN任一种。所述纳米柱结构的材料晶体中引入了空位缺陷。本技术还提供了一种太阳能电池，该太阳能电池的纳米柱为上述两种光伏纳米柱结构中的一种。有益效果：本技术通过对纳米柱结构的采用周期性直径变化的结构，大大增加了光程，尤其是对非法向入射的太阳光十分有利，增强了光吸收能力，使得光能转化效率更高。附图说明图1是本专利技术提供的光伏纳米柱结构的一个实施例的结构图；图2是纳米柱光能吸收率随直径变化的示意图；图3是本专利技术提供的光伏纳米柱结构的另一实施例的结构图；图4是本专利技术提供的光伏纳米柱结构的又一实施例的结构图；图5是本专利技术提供的光伏纳米柱结构的再一实施例的结构图。具体实施方式实施例1本实施例提供了一种光伏纳米柱结构，该纳米柱结构为半导体纳米柱，材料为Si、Ge、GaAS、GaN任一种。如图1所示，该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性正弦函数模式变化的不规则柱体，不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，不规则柱体的最大直径dmax与最小直径dmin的差值为80nm～120nm。最大直径dmax为460nm～660nm，直径变化周期T为500nm～800nm。由于本实施例的周期性变化特点，光射入纳米柱后可进行多次反射，延长了光程，光学共振相对于普通圆柱形纳米柱也更加强烈，增强了光学吸收能力，尤其对于非法向入射光眼更为有利。为了进一步增加光的吸收效率，该纳米柱结构的材料晶体中还通过人为引入了空位缺陷。对不规则柱体的最大直径dmax、最小直径dmin、直径变化周期T的取值做了实验对比，发现，在80-800nm的时候，光学吸收效果如图2所示。通过实验发现，纳米柱体的直径与光能吸收率相关，在圆柱体的直径为560nm时，吸收率最高，即效果最佳，直径小于560nm时，直径越小，吸收率越小，而直径大于560nm的时候，吸收率反而会随之减小。实施例2本实施例提供了一种该纳米柱结构，该纳米柱结构为半导体纳米柱，材料为Si、Ge、GaAS、GaN任一种。如图3所示，其顶端为圆柱体，圆柱体下方为直径沿竖直方向呈正弦函数模式变化的不规则柱体。顶端圆柱体的直径为40nm～80nm，阳光由顶端圆柱体射入并进入下部不规则柱体，使光子尽可能被材料吸收，提高光能转换效率。顶端圆柱体的直径为下方不规则柱体最大直径的1/15～1/5，即顶端圆柱体的直径为远小于下部不规则柱体直径，从而使得顶端圆柱体的光子不易从上表面射出，即具有低反射率，使太阳能照射到材料表面，利于有效的光子捕捉和向下输送到下部不规则柱体，产生更多的光生载流子，大大提高太阳能电池的光能转化效率。通过实验发现，顶端圆柱体的直径与反射率相关，在顶端圆柱体的直径为60nm时，反射率最低，即效果最佳，直径越大，反射率也越大，而直径小于40nm的时候，反射率反而会随之增大，且过小直径的圆柱体可能再实际应用中无法做出。不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，不规则柱体的最大直径dmax与最小直径dmin的差值为80nm～120nm。最大直径dmax为460nm～660nm，直径变化周期T为500nm～800nm。由于结构的周期性变化特点，光射入纳米柱后可进行多次反射，延长了光程，光学共振相对于普通圆柱形纳米柱也更加强烈，增强了光学吸收能力，尤其对于非法向入射光眼更为有利。为了进一步增加光的吸收效率，该纳米柱结构的材料晶体中还通过人为引入了空位缺陷。实施例3本实施例提供了一种光伏纳米柱结构，该实施例与实施例2的不同点是：如图4所示，该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性一次函数模式变化的不规则柱体，其他部分与实施例2相同。本实施例由于结构的周期性变化特点，光射入纳米柱后可进行多次反射，延长了光程，光学共振相对于普通圆柱形纳米柱也更加强烈，增强了光学吸收能力，尤其对于非法向入射光眼更为有利。实施例4本实施例提供了一种光伏纳米柱结构，该实施例与实施例2的不同点是：如图5所示，该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性常函数模式变化的不规则柱体，其他部分与实施例2相同。本实施例由于结构的周期性变化特点，光射入纳米柱后可进行多次反射，延长了光程，光学共振相对于普通圆柱形纳米柱也更加强烈，增强了光学吸收能力，尤其对于非法向入射光眼更为有利。实施例5本实施例提供了一种太阳能电池，该太阳能电池的纳米柱为上述4种光伏纳米柱结构中的任一种。以上所揭露的仅为本技术较佳实施例而已，不能以此来限定本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光伏纳米柱结构，其特征在于：该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性变化的不规则柱体，所述不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，所述不规则柱体的最大直径与最小直径的差值为80nm～120nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种光伏纳米柱结构，其特征在于：该纳米柱结构为直径沿竖直方向呈周期性变化的不规则柱体，所述不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，所述不规则柱体的最大直径与最小直径的差值为80nm～120nm。


2.一种光伏纳米柱结构，其特征在于：该纳米柱结构的顶端为圆柱体，圆柱体下方为直径沿竖直方向呈周期性变化的不规则柱体，所述不规则柱体沿中心轴对称，水平方向的横截面始终保持为圆形，所述不规则柱体的最大直径与最小直径的差值位于为80nm～120nm，顶端圆柱体的直径为下方不规则柱体最大直径的1/15～1/5。


3.根据权利要求1或2所述的光伏纳米柱结构，其特征在于：所述不规则柱体的周期性变化具体为沿竖直方向呈周期性正弦函数模式变化、或周期性一次函数模式变化、或周期性常函数模式变化。

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪融，何璐，季莲，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32