本发明专利技术提出一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，包括：金属背电极(1)；金属背电极上二维周期排布的纳米银结构阵列(2)，二维周期排布的纳米银结构阵列之间由透明导电介质铟锡氧化物(ITO)填充；光敏层a-Si:H薄膜(3)；二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列(4)，阵列之间由ITO填充；二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列(5)。本发明专利技术通过光敏层上表面引入纳米a-Si:H、ITO锥形结构阵列保证入射能量较高光子进入光敏层时达到阻抗匹配而获得短波段吸收增强，在光敏层下表面引入纳米银周期结构阵列将能量较低光子局域到光敏层中而获得长波段吸收增强，从而在全光谱实现光吸收增强效果，有助于太阳能电池光电转换效率大幅度提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到一种氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池结构，特别是一种借助纳米周期阵列实现宽光谱的，极化不敏感的全光谱光吸收增强的氢化非晶硅(a_Si:H)薄膜太阳能电池。
技术介绍
能源问题成为21世纪全世界共同面对的危机，太阳能则是解决能源危机的重要新能源，而太阳能电池是实现光电转换的重要分支。市面上太阳电池主要有晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两类。晶硅太阳能电池为保证充分的光学吸收，光敏层要足够厚，一般为 IO2-IO3 μ m，这对硅材料需求很大；而薄膜太阳能电池最大优势是节约材料降低成本， 同时具有串联阻抗低、欧姆耗散小等优点，但为控制复合电流保证光电转换效率，薄膜太阳能电池光敏层厚度受制于少数载流子扩散长度，一般只能做到 102-103nm，不能满足光的充分吸收，吸收特性不好，导致转换效率比晶硅太阳能电池低。于是，增强薄膜太阳能电池光吸收以此来提高光电转换效率已成为新世纪以来光伏领域研究的热点。现阶段研究增强薄膜太阳能电池光吸收最多的物理机制是表面等离子共振 (Surface Plasmon Polarization, SPP)。SPP是借助于纳米金属周期结构，使入射光波矢与表面等离子波矢在一定光波段范围达到互相匹配时，金属表面电子会与入射光子发生强烈相互作用而在金属与光敏层界面处激发电偶极共振，产生一种沿界面传播的表面波。其最终会在界面处产生高度局域的光学增强近场，将入射光局域到亚波长尺寸内，类似聚光效果，实现光吸收增强。另外，借助于纳米金属周期结构，当光敏层厚度与入射光波长满足一定关系时，会使入射光电磁场有效分布到光敏层中实现吸收增强，这就是有效波导模式的激发。而通过锥形结构实现等效折射率渐变进而达到阻抗匹配，近几年来在抗反、光热转换领域得到了成功的论证。但仅采用SPP作为吸收增强机制，共振只能发生在特定波段，不能实现宽光谱吸收增强；而通过等效折射率渐变达到阻抗匹配机制至今还并未引入薄膜太阳能电池结构中；借助于纳米周期结构通过多种物理机制实现宽波段吸收增强的电池结构目前很少，并且几乎都忽略了光子能量较大的短波段的吸收。总之，目前还尚未研究出一种能实现全光谱吸收增强的薄膜太阳能电池结构。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服薄膜太阳能电池吸收特性不理想和对于全光谱太阳光不能充分利用的缺点，同时也解决之前其他科研工作中通过引入一维纳米金属光栅所带来对入射光极化方向敏感性问题。本专利技术的技术方案在平板太阳能电池结构基础上引入多层纳米周期结构阵列， 使得不同纳米周期阵列在不同波段下引入不同的光吸收增强的物理机制通过在光敏层上表面引入纳米氢化非晶硅(a_Si:H)、ITO锥形结构阵列，保证入射能量较高的光子进入光敏层时通过等效折射率渐变达到阻抗匹配而获得短波段的吸收增强；在光敏层下表面引入纳米银结构周期阵列通过有效波导模式的激发和表面等离子共振将能量较低的光子局域到光敏层中而获得长波段的吸收增强，以及由整体结构支持的空腔共振机制来获得短、长波过渡波段的吸收增强，同时引入二维纳米周期阵列来克服入射光极化方向敏感性问题， 以此来实现全光谱的吸收增强、对入射光极化不敏感的薄膜太阳能电池。具体解决方案如下方案1、如图1，一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池，其结构自上而下分别为金属背电极1，其材料为传统电极银或铝；二维周期排布的纳米银结构阵列2，其分布在金属背电极1上表面，该二维周期纳米银结构阵列2之间由ITO填充；光敏层a-Si:H薄膜3 ；二维周期排布的纳米a_Si:H锥形结构阵列4，该二维周期排布的纳米a-Si:H锥形结构阵列4之间由ITO填充；二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5 ；其中，二维周期排布的纳米银结构阵列2为圆锥结构或金字塔结构或球体或长方体，置于光敏层下面的二维周期排布的纳米银结构阵列2能够在长波段下激发SPP和由 a-Si :H薄膜支持的波导模式，而SPP和波导模式的激发及其共振强度均与二维周期排布的纳米银结构阵列2结构形状有关，对二维周期排布的纳米银结构阵列2的纳米结构的特征尺寸、周期以及占空比进行优化得到最佳吸收增强效率。由于周围介电环境同样能影响纳米银周期结构所激发的SPP，为防止外界条件影响纳米银周期阵列周围的介电环境，保证 SPP的激发发生在特定波段，同时也保证金属背电极1对载流子的收集效率，采用特性稳定且具有导电性能的材料——ITO作为二维周期排布的纳米银结构阵列2之间的填充材料；二维周期排布的纳米a_Si:H锥形结构阵列4及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5出于工艺和物理机制考虑，两者特征尺寸保持一致，且两者纳米锥形周期阵列的填充因子保证为1，其锥形结构阵列需优化参数锥形阵列的高度和宽度。两者锥形结构为圆锥结构或金字塔结构。由于ITO折射率在可见光波段近似为1.8，而a-Si:H材料为高折射率材料，存在一定的色散关系，在参考波段范围内折射率在3-4之间，对于平板太阳能电池，如图2，自下而上分别为金属背电极1 ；光敏层a_Si:H薄膜2 ；透明电极ITO c，当入射光进入太阳电池时，由于空气与ITO、ITO与光敏层界面存在折射率突变，导致阻抗不匹配，势必导致相当一部分入射光子反射，影响电池吸收效率，在引入二维周期排布的纳米a-Si:H 锥形结构阵列4和二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5之后，在纳米锥形周期阵列的填充因子为1的前提下，电池结构的等效折射率会从二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5上表面的1. 0渐变到二维周期排布的纳米a-Si :H锥形结构阵列4结构上表面的1. 8， 从二维周期排布的纳米a_Si:H锥形结构阵列4结构上表面的1. 8渐变到其下表面的折射率na_Si:HU)，其中na_Si:HU)的引入是由于其存在一定的色散关系。等效折射率从空气层到光敏层的渐变保证了入射光进入光敏层的阻抗匹配，通过参数优化可以在短波段范围实现明显的抑制反射从而获得吸收增强效果。方案2、根据方案1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a_Si:H)薄膜太阳能电池，通过二维周期排布的纳米a-Si :H锥形结构阵列4及二维周期排布的纳米ITO锥形结构阵列5在短波段下的等效折射率渐变、由整体电池结构支持引起的空腔共振、二维周期排布的纳米银结构阵列2在长波段下激发的有效波导模式和表面等离子共振模式，使得在整个吸收光谱范围内都存在增强光吸收的物理机制，最终能够实现相对于平板太阳能电池全光谱吸收增强的a-Si:H薄膜太阳能电池。方案3、根据方案1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a_Si:H)薄膜太阳能电池，其特征在于对于三维空间内TE波与TM波在纳米结构周期阵列平面上两者的电场上是互相正交的，磁场也是互相正交的，并且通过引入二维周期排布的纳米银结构阵列2， 使得在周期阵列平面上两种偏振光激发的吸收增强模式是一样的，以致所得的吸收增强效果两者是基本一致的，使得本结构对入射光极化方向不敏感。方案4、根据方案1所述的一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅(a_Si:H)薄膜太阳能电池，其特征在于可通过化学湿法刻蚀制成掩模板，然后通过纳米压印手段压印出纳米锥形周期阵列结构，或者通过飞秒激光刻蚀实现纳米锥形周期阵列结构，进而实现整个电池结构。本本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种全光谱吸收增强的氢化非晶硅薄膜太阳能电池，其结构自下而上分别为：金属背电极（１），其材料为传统电极银或铝；二维周期排布的纳米银结构阵列（２），其分布在金属背电极（１）上表面，该二维周期排布的纳米银结构阵列（２）之间由ＩＴＯ填充；光敏层ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜（３）；二维周期排布的纳米ａ－Ｓｉ：Ｈ锥形结构阵列（４），该二维周期排布的纳米ａ－Ｓｉ：Ｈ锥形结构阵列（４）之间由ＩＴＯ填充；二维周期排布的纳米ＩＴＯ锥形结构阵列（５）；其中，二维周期排布的纳米银结构阵列（２）为圆锥结构或金字塔结构或球体或长方体，置于光敏层下面的二维周期排布的纳米银结构阵列（２）能够在长波段下激发ＳＰＰ和由ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜支持的波导模式，而ＳＰＰ和波导模式的激发及其共振强度均与二维周期排布的纳米银结构阵列（２）结构形状有关，对二维周期排布的纳米银结构阵列（２）的纳米结构的特征尺寸、周期以及占空比进行优化得到最佳吸收增强效率；由于周围介电环境同样能影响纳米银周期结构所激发的ＳＰＰ，为防止外界条件影响纳米银周期阵列周围的介电环境，保证ＳＰＰ的激发发生在特定波段，同时也保证金属背电极对载流子的收集效率，采用特性稳定且具有导电性能的材料——ＩＴＯ作为二维周期排布的纳米银结构阵列（２）之间的填充材料；二维周期排布的纳米ａ－Ｓｉ：Ｈ锥形结构阵列（４）及二维周期排布的纳米ＩＴＯ锥形结构阵列（５）出于工艺和物理机制考虑，两者特征尺寸保持一致，且两者纳米锥形周期阵列的填充因子保证为１，其锥形结构阵列需优化参数：锥形阵列的高度和宽度，两者锥形结构为圆锥结构或金字塔结构，由于ＩＴＯ折射率在可见光波段近似为１．８，而ａ－Ｓｉ：Ｈ材料为高折射率材料，存在一定的色散关系，在参考波段范围内折射率在３－４之间，对于平板ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜太阳能电池，自下而上分别为金属背电极（１）；光敏层ａ－Ｓｉ：Ｈ薄膜（３）；透明电极ＩＴＯ（ｃ）；当入射光进入太阳电池时，由于空气与ＩＴＯ、ＩＴＯ与光敏层界面存在折射率突变，导致阻抗不匹配，势必导致相当一部分入射光子反射，影响电池吸收效率，在引入二维周期排布的纳米ａ－Ｓｉ：Ｈ锥形结构阵列（４）和二维周期排布的纳米ＩＴＯ锥形结构阵列（５）之后，在纳米锥形周期阵列的填充因子为１的前提下，电池结构的等效折射率会从二维周期排布的纳米ＩＴＯ锥形结构阵列（５）上表面的１．０渐变到二维周期排布的纳米ａ－Ｓｉ：Ｈ锥形结构阵列（４）结构上表面的１．８，从二维周期排布的纳米ａ－Ｓｉ：Ｈ锥形结构阵列（４）结构上表面的１．８渐变到其下表面的折射率ｎａ－Ｓｉ：Ｈ（λ），其中ｎａ－Ｓｉ：Ｈ（λ）的引入是由于其存在一定的色散关系；等效折射率从空气层到光敏层的渐变保证了入射光进入光敏层的阻抗匹配，通过参数优化可以在短波段范围实现明显的抑制反射从而获得吸收增强效果。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高洪涛，李传皓，杜春雷，董小春，邓启凌，史立芳，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90
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