应用于薄膜太阳能电池的小孔阵光陷阱技术制造技术

为提高薄膜太阳能电池效率，我们研究出一种小孔阵光陷阱板技术。如图所示，我们设计在某种材料的薄板上制造出小孔阵列。薄板两面包括小孔侧壁经过镀金属反射层后再在上表面依序镀上薄膜电池所需的各种材料。在薄板上表面每个小孔顶部，有一玻璃球放置，这些紧密相依的玻璃球组成表面玻璃球阵列，能将阳光聚集成尺度微小的强光束阵列。这些光束能穿过薄板小孔，被陷入在薄板和下面的超薄光伏电池板之间，被多次吸收转换成电能，形成真正物理意义上的光陷阱。此光陷阱板的控光能力，可使光伏电池光电转换吸收层被设计得更薄，使薄膜电池产电量大幅增加并大量减少对电池材料的需求。基于同一原理，玻璃圆柱-小缝隙阵列光陷阱板技术在此一并提出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所处
为太阳能光伏发电设计，适用于超薄太阳能薄膜电池及其它各种材料的太阳能光伏电池。
技术介绍
作为ー种新兴的可再生緑色能源，太阳能光伏发电已成为人类解决能源需求，保护自然环境的重要发展方向。传统 的晶体硅材料(包括单晶硅和多晶硅)太阳能光伏电池虽然已可达到大约20%的光电转换效率，但由于其材料生产成本高昂，耗能严重，其价格ー直居高不下。因此，造价低廉的薄膜太阳能光伏电池应成为中国光电产业的重要开发项目。目前薄膜太阳能光伏电池所采用的光电转换材料主要有非晶硅，硫化镉，碲化镉，神化镓和铜铟硒等多元混合物。由硫化镉，碲化镉，神化镓和铜铟硒等多元混合物所生产的薄膜太阳能光伏电池的光谱反应好于非晶硅电池，光电转换率较高，但这些混合物的构成元素或为地球上的稀有元素，资源有限，价格高昂，或具有很强的毒性，对环境的危害值得关注。而硅是地球上储藏最丰富的材料之一。非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳电池的制作方法完全不同，エ艺过程大大简化，硅材料消耗很少，能耗更低，也无环境污染的问题。虽然光电转换率较低，非晶硅材料薄膜太阳能电池将是中国太阳能光伏产业走无污染低能耗绿色发展道路的长期必然选择。非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换率取决于非晶硅材料对太阳光的吸收。非晶硅材料对不同波长的光的吸收差别很大。非晶硅材料对蓝绿黄橙波段的光吸收很强，但对红光和红外波段的光吸收有限，这是制约非晶硅薄膜太阳能电池光电转换率的ー个重要因素。非晶硅材料对阳光的吸收厚度在I. O微米左右，这是一般非晶硅太阳能薄膜电池非晶硅吸收层厚度设为O. 5微米左右的根本原因在有金属背反射层的设计下一次正入射加反射的光程可为I. O微米。但即使在非晶硅吸收层厚度为O. 5微米的前提下，其对红光和红外波段的光吸收也并不理想。而矛盾的是，我们并不能靠增加非晶硅吸收层的厚度以增加其对红光和红外光的吸收来达到增加电流的目的。非晶硅材料受结构缺陷的影响，即使做加氢处理后其少数载流子的扩散距离也仅有100纳米左右。被吸收的光子在深于100纳米部分所产生的电子-空穴对的绝大多数在未脱离吸收层时便重新复合，对电流并无供献。因此，厚的非晶硅吸收层反而是制约非晶硅薄膜太阳能电池光电转换率的ー个原因。由于ー般的非晶硅薄膜太阳能电池无法在减小非晶硅吸收层厚度的同时保证对光的吸收量，因此光电转换效率普遍偏低，目前国际先进水平为10%左右，且随着光照时间的加长，其转换效率会有一定程度的衰减，而这种转换效率的衰减程度会因非晶硅吸收层加厚而加大。另外，虽然非晶硅材料在蓝光谱段和更小波长上具有优异的吸收能力，但蓝光以上高能光子与非晶硅分子作用所产生的电荷多为“热电子”。一般情况下，这些“热电子”无法脱离较厚的非晶硅材料的束缚，绝大多数不能形成电流，只具有发热作用。若要使蓝光以上高能光子与非晶硅材料作用所产生的“热电子”能穿过非晶硅薄膜形成电流，非晶硅薄膜的厚度必须大大减小。有研究发现，当非晶硅材料的厚度小于30纳米吋，由蓝光产生的电压会大于红光产生的电压，说明超薄的非晶硅吸收层是“热电子”能形成有效电流的必要条件。由于这个发现，有预测说如果非晶硅吸收层远薄于目前薄膜电池的话则光电转换率有可能达到 50-60% (请參考 Kempa K. et al. SPIE doi 10. 1117/2. 1201003. 002630)。减小非晶硅吸收层的厚度可带来几个好处(I)增加开路电压研究表明，在非晶硅吸收层的厚度小到一定程度后非晶硅太阳电池的开路电压随非晶硅吸收层的厚度减小呈指数增高；(2)减小体积损耗非晶硅吸收层的厚度减小能使电子-空穴对重新复合的机会降低，从而減少了体积损耗；(3)增加稳定性研究表明，非晶硅太阳电池的光电转换效率随时间衰减的问题在非晶硅吸收层超薄时变小；(4)可能收集到“热电子”，增大电流；減少对硅材料的需求，缩短镀硅过程的加工时间，大大降低成本。减小非晶硅吸收层的厚度虽然可带来上述好处，但非晶硅吸收层厚度的减小直接导致其对光的吸收下降。若要显著增加非晶硅材料薄膜电池的光电转换效率，就只能通过看似矛盾的理想的处理办法在减小非晶硅薄膜厚度的同时增加光子在非晶硅吸收层内的光程。对单层结构的薄膜电池而言，解决这ー矛盾的唯一办法就是采用光陷阱技木，以使入 射光能被非晶硅太阳能电池结构控制并多次利用。传统的V形太阳能电池板设计；在电池正面加防反射层；在电池板上増加粗糙度；在电池底面加背反射层；在电池底面背反射层上制造纳米光栅结构；在电池正面防反射层上方或内部加纳米贵金属颗粒；以及近年来出现的纳米线光伏电池等，都有这一目的。然而，这些做法除了 V形太阳能电池板设计有一定可取之处，其它或由于加工エ艺要求太高而且昂贵(如在电池背反射层上制造光栅结构的光干涉纳米刻印技木)，或由于不能在超薄非晶硅光伏电池上有良好的表现(如在太阳能电池板上加防反射层，增加粗糙度，加纳米贵金属颗粒，或制造纳米线等)，并不能达到制造廉价高效超薄(非晶硅吸收层厚度小于100纳米)光伏电池的目的。因此，我们必须开发出基于常规技术和材料的高效的光陷阱技木，以适应大規模生产超薄非晶硅光伏电池的需要。
技术实现思路
为提高薄膜太阳能电池光电转换效率，我们设计出了如图I和2所示的小孔阵光陷阱板。我们设计在某种材料的薄板上制造出如图3所示的小孔阵列。如图4所示，薄板两面包括小孔侧壁经过镀金属反射层后再在上表面依序镀上薄膜电池所需的各种材料，构成辅薄膜光伏电池。在薄板上表面每个小孔顶部，有一玻璃球放置，这些紧密相依的玻璃球组成表面玻璃球阵列。玻璃球阵列由压在其上的平板玻璃固定。此小孔阵光陷阱板将被覆盖在主超薄光伏电池上，能使其下的主超薄光伏电池光电转换效率大幅提高。我们采用有限元差分时域法计算了小玻璃球阵列的光学特性，发现小玻璃球阵列能将入射的平面平行太阳光聚集成尺度微小的光束阵列(见图5-7并參考Sun etal. Applied Optics 46，1150-1156，2007)。我们的电磁场计算证明，这些微小光束能穿过薄板小孔阵列，在薄板后面发散，由于小孔总面积占整个薄板面积的几率很小，所以仅有少量透射光能被薄板下方的电池板反射回来。这些被陷入光在光陷阱板和下面的超薄光伏电池板之间的空腔内被金属反射镀层往复反射的同时，被超薄光伏电池的吸收层多次吸收并转换成电能，形成真正物理意义上的光陷阱。此光陷阱板的控光能力，可使光伏电池光电转换吸收层被设计得更薄，从而大量減少对电池材料的需求，増加电压并減少体积损耗，可使薄膜光伏电池产电量大幅增加。应用在非晶硅薄膜电池上，此技术应可使100纳米厚的非晶硅薄膜对太阳光的总吸收量达到500纳米厚的非晶硅薄膜的吸收水平。由于非晶硅材料少数载流子的扩散距离在100纳米左右，在保持光吸收量不变的情况下非晶硅薄膜厚度从500纳米减至100纳米就意味着由红光和红外光产生的可形成电流的电子-空穴对增加大约200%，因此能使红光和红外波段光产生的电量为薄膜厚度500纳米情况下的约3倍，使电池总的光电转换效率比500纳米吸收层厚度的平板非晶硅薄膜电池增大约100%。应用在多晶硅光伏电池上，此技术也可使多晶硅厚度大大减小，从而使多晶硅的少数载流子的扩散距离大于多晶硅厚度而显著提高光电转换效率并大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘慧英，
申请(专利权)人：潘慧英，潘会娟，
类型：发明
国别省市：