基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池的制作方法
【專利摘要】一種用于可見光波段(300-800nm)的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池，該太陽能電池的頂部減反薄膜厚度為55～60納米，中間的光柵吸收層周期為505～515納米、厚度和占空比分別為為95～105納米、0.7～0.75，波導(dǎo)吸收層的厚度為45～55納米。當光垂直入射時，其在300-800nm波段的平均積分吸收效率高于66％，并且平均積分吸收效率有著很大的角度無關(guān)性，其在0-66°的入射角范圍內(nèi)高于60％。本發(fā)明基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池由電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝加工而成，取材方便，造價小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實用前景。
【專利說明】基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及薄膜非晶硅太陽能電池，特別是一種用于可見光波段的基于減反結(jié)構(gòu) 和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] -般情況下，有兩種完美的吸收器：一種是在較寬的波帶范圍內(nèi)均有著很高的吸 收，稱為寬帶吸收器，它主要應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域；另一種是在較窄的帶寬內(nèi)有著完美的 吸收，稱為選擇性吸收器，主要用于設(shè)計高靈敏度的探測器、熱成像器件以及窄帶吸收/熱 輻射器。目前，對薄膜太陽能電池的研究已經(jīng)成為一個研究熱點，它是未來光伏器件發(fā)展的 一個重要方向。它的主要優(yōu)勢就是可以有效地減小成本并且可以沉積在柔性襯底上，但是 目前，太陽能電池中所使用的薄膜非晶硅材料的吸收效率很低，因而增強非晶硅吸收層的 吸收效率是極為重要的。目前，人們提出了采用微納結(jié)構(gòu)來增強吸收的方案，這些微納結(jié)構(gòu) 主要包括周期性光柵、金屬納米粒子和超材料結(jié)構(gòu)等等。在所有這些結(jié)構(gòu)中，一維的周期性 光柵作為一種重要的和簡單的器件，可以有效地增加薄膜非晶硅太陽能電池中的光吸收。
[0003]Sheng等人最先提出了基于光柵結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池中的波長選擇性 增強吸收的一般原理【在先技術(shù)1 :P.Shengetal.，Appl.Phys.Lett. 43, 579 -581(1983)】。Park等人提出了在吸收層中刻蝕一維光子晶體來增強吸收的概念，并得 出了S偏振和P偏振的理論積分吸收效率（45% )【在先技術(shù)2:Y?Parketal?，0pt? Expressl7, 14312 - 14321 (2009)】。Daif等人從理論和實驗上驗證了氫化的一維非晶硅平 板光子晶體的吸收【在先技術(shù)3:0.E1Daifetal.，0pt.Expressl8，A293 -A299(2010).】。 Khaleque等人報道了基于導(dǎo)模諧振的周期性非晶硅薄膜的增強吸收，并發(fā)現(xiàn)在400_950nm 的波長范圍內(nèi)其積分吸收增強因子可以達到50%，但是他們并沒有分析積分吸收的角度相 關(guān)性【在先技術(shù)4 :T.Khalequeetal.，inIntegratedPhotonicsResearch,Siliconand Nanophotonics，OSATechnicalDigest(CD)(2011)，paperITUD3.LWU等人設(shè)計了吸收層 厚度在360nm左右的基于導(dǎo)模諧振的光柵基太陽能電池，其積分吸收在300-750nm帶寬內(nèi) 為66%【在先技術(shù)5 :W.Wuetal.，Opt.Lett. 37, 2103-2105 (2012)】。采用更厚的吸收層 可以實現(xiàn)更高的吸收，但是它遠大于獲得最優(yōu)電特性所要求的吸收層厚度（<200nm)。
[0004] 矩形光柵是利用微電子刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。亞 波長矩形光柵的衍射理論，不能由簡單的標量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式 的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地計算出結(jié)果。Moharam 等人已給出了嚴格f禹合波理論的算法【在先技術(shù)6:M.G.Moharametal.，J.0pt.Soc. Am.A. 12, 1077(1995)】，可以解決這類亞波長光柵的衍射問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于可見光波段的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧 振的薄膜非晶硅太陽能電池。當光垂直入射時，其在300-800nm波段的平均積分吸收效率 高于66%，并且平均積分吸收效率有著很大的角度無關(guān)性，其在0-66°的入射角范圍內(nèi)高 于60%。因此，所提出的薄膜非晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)具有重要的實用價值。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種用于可見光波段（300_800nm)的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶娃太 陽能電池，其特點在于，包括由上至下的減反薄膜、光柵吸收層和波導(dǎo)吸收層，所述的減反 薄膜的厚度為55?60納米，所述的光柵吸收層的周期為505?515納米、厚度為95?105 納米、占空比為0. 7?0. 75,所述的波導(dǎo)吸收層的厚度為45?55納米。
[0008] 優(yōu)選的，所述的減反薄膜的厚度為57. 4納米，光柵吸收層的周期為509納米、厚度 為100納米、占空比為0. 724,波導(dǎo)吸收層的厚度為50納米。
[0009]所述的減反薄膜的材料為氧化銦錫（以下簡稱IT0)，光柵吸收層光柵脊的材料為 非晶硅、光柵槽的材料為IT0，波導(dǎo)吸收層的材料為非晶硅。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0011] ⑴當300-800nm波段的光垂直入射到時，其平均積分吸收效率高于66%，并且平 均積分吸收效率有著很大的角度無關(guān)性，其在0-66°的入射角范圍內(nèi)高于60%，在0-74° 的入射角范圍內(nèi)高于50%。
[0012] (2)具有使用靈活方便、積分吸收效率較高和積分吸收的角度無關(guān)性較大等優(yōu)點， 是一種非常理想的薄膜光伏元件，利用電子束直寫裝置結(jié)合微電子刻蝕工藝，可以大批量、 低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的太陽能電池性能穩(wěn)定、可靠，具有重要的實用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的用于可見光波段的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽 能電池的幾何結(jié)構(gòu)。
[0014] 圖中，1代表區(qū)域1(折射率為1〇,2代表減反薄膜，通常也用于透明電極，材料 為（IT0,折射率為2)，3代表光柵吸收層，光柵脊的材料為非晶硅（a-Si)，光柵槽的材料為 IT0,4代表波導(dǎo)吸收層，材料為a-Si，5代表區(qū)域5 (折射率為n2)，6代表太陽光入射，包括 TE和TM偏振光。d為光柵周期，f為光柵占空比，hph2和h3分別為減反薄膜、光柵吸收層 和波導(dǎo)吸收層的厚度，n'2。
[0015] 圖2是本發(fā)明要求范圍內(nèi)一個實施例的太陽光垂直入射時的平均吸收效率隨波 長變化的曲線。
[0016] 圖3是圖2中實施例的平均積分吸收效率隨入射角的變化。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范 圍。
[0018] 先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明的用于可見光波段的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄 膜非晶硅太陽能電池的幾何結(jié)構(gòu)。圖中，區(qū)域1、5都是均勻的，分別為空氣（折射率ni = 1)和熔融石英（折射率n2 = 1. 46)。太陽光（包括TE和TM偏振光）以一定角度0入射 到該器件，TE偏振光對應(yīng)于電場矢量的振動方向垂直于入射面，TM偏振光對應(yīng)于電場矢量 的振動方向平行于入射面。由圖可見，本發(fā)明用于可見光波段的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振 的薄膜非晶硅太陽能電池，頂部減反薄膜厚度為55?60納米，中間的光柵吸收層周期為 505?515納米、厚度和占空比分別為為95?105納米、0. 7?0. 75,波導(dǎo)吸收層的厚度為 45?55納米。
[0019]表1給出了本發(fā)明一系列實施例，表中d為光柵周期，f為光柵占空比和h3 分別為減反薄膜、光柵吸收層和波導(dǎo)吸收層的厚度。為了評估器件的光學(xué)性能，我們利用積 分吸收作為品質(zhì)因子，在所研究的波段范圍內(nèi)，TM和TE偏振的積分吸收效率分別定義為：
【權(quán)利要求】
1. 一種用于可見光波段的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池，其特征 在于，包括由上至下的減反薄膜（2)、光柵吸收層（3)和波導(dǎo)吸收層（4)，所述的減反薄膜的 厚度為55?60納米，所述的光柵吸收層的周期為505?515納米、厚度為95?105納米、 占空比為0. 7?0. 75,所述的波導(dǎo)吸收層的厚度為45?55納米。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池，其特征 在于，所述的減反薄膜的厚度為57. 4納米，光柵吸收層的周期為509納米、厚度為100納 米、占空比為0.724,波導(dǎo)吸收層的厚度為50納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于減反結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模諧振的薄膜非晶硅太陽能電池，其特征 在于，所述的減反薄膜的材料為ITO,光柵吸收層光柵脊的材料為非晶娃、光柵槽的材料為 IT 0，波導(dǎo)吸收層的材料為非晶硅。
【文檔編號】G02B5/18GK104362184SQ201410499763
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】吳俊 , 周常河 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所