一種帶有菲涅爾透鏡納米結構的太陽能電池的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及太陽能電池，尤其涉及一種帶有菲涅爾透鏡納米結構的太陽能電池。
【背景技術】
[0002] 太陽能光伏發電是一種非常環保的發電方式。在經歷了將近一個世紀的發展過程 后，光伏能源正在逐步成為世界上最受關注的新能源之一，也逐步成為最具活力的研宄領 域之一。目前市場上主流的太陽能電池為硅太陽能電池。但是硅太陽能電池的轉換效率極 限只有24%。為了達到更高的轉換效率，砷化鎵被用于制作太陽能電池。單結的砷化鎵太 陽能電池的理論極限約為27 %。實驗室制作三結的砷化鎵太陽能電池轉換效率甚至達到了 40%以上。
[0003] 砷化鎵屬于III-V族化合物半導體材料。它是直接帶隙材料，帶隙為1. 42eV，與 太陽光的光譜匹配能力好，對太陽光有非常好的吸收特性。因此，相比于硅太陽能電池通常 150微米的厚度，砷化鎵太陽能電池可以做的很薄，達到5~10微米。此外，砷化鎵太陽能 電池具有耐高溫的特性，在300攝氏度的條件下，硅太陽能電池已經停止運作，而它的轉換 效率仍然有10%，因此非常適合用于聚光太陽能電池系統。
[0004] 首次發現砷化鎵太陽能電池具有光伏效應是在1954年，發展至今已有將近60年 的時間了。在1980年之前，實驗室制作的單結砷化鎵太陽能電池的效率最高僅為16%。在 1980年之后，隨著砷化鎵太陽能電池的制作技術從LPE到MOVPE，從同質外延到異質外延， 并伴隨著電池結構的不斷變化和完善，其效率也在不斷提升。1984年，美國可再生能源實驗 室（NERL)研制出Gaa5Ina5P/GaAs疊層雙結太陽能電池。在AM0G的測試條件下，1985年，它 的效率達到5%，1987年達到10%，1988年達到21. 8%，1990年達到27. 3%。在1994年， 它的效率更是達到了 25.7 % (AM0)，29.5 % (AM1. 5) ,30. 2 % (AMUD)。
[0005] 在此基礎上，很多人希望通過制作表面納米結構的方式獲得進一步改良，其中包 括納米線、納米錐、減反層鍍膜等技術，通過降低表面反射率的方法提高太陽能電池材料整 體對入射光的吸收率，從而提高光電轉換效率。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術的不足，本發明的目的是提出一種帶有菲涅爾透鏡納米結構的太陽 能電池，解決了傳統太陽能電池反射率高、光子吸收率低、短路電流和開路電壓較低等缺 點，并針對太陽能電池結層的第一結PN結區和第二結PN結區進行設計優化。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
[0008] 本發明包括太陽能電池，在所述太陽能電池的上表面設有菲涅爾透鏡，菲涅爾透 鏡由一系列同心圓環刻蝕槽構成，所述同心圓環刻蝕槽的深度由公式h=x/[2(n-l)]計 算得出，使得入射光從菲涅爾透鏡上表面傳播到下表面的相位差為n，其中A為入射光的 中心波長，n是太陽能電池表面菲涅爾透鏡材料的折射率；所有同心圓環刻蝕槽兩側邊緣 的半徑向外依次根據惠更斯-菲涅爾原理設計，由菲涅爾波帶法計算得出。
[0009] 所述同心圓環刻蝕槽的深度為入射光的中心波長的四分之一，使從同心圓環刻蝕 槽底部反射的光與從菲涅爾透鏡上表面反射的光的相位差為n。
[0010] 所述太陽能電池表面菲涅爾透鏡材料的折射率接近3。
[0011] 所述太陽能電池為三結疊層砷化鎵太陽能電池，其中第一結材料為銦鎵磷，第二 結材料為砷化鎵，第三結材料為銦鎵砷。
[0012] 所述三結疊層砷化鎵太陽能電池上表面，針對第一結的聚焦點和中心波長有菲涅 爾透鏡，把入射光聚焦在三結疊層砷化鎵太陽能電池的第一結的PN結區發射極底部。
[0013] 所述三結疊層砷化鎵太陽能電池上表面，針對第二結的聚焦點和中心波長有菲涅 爾透鏡，把入射光聚焦在三結疊層砷化鎵太陽能電池的第二結的PN結區發射極底部。
[0014] 本發明具有的有益效果是：
[0015] 1.本發明的帶有菲涅爾透鏡納米結構的太陽能電池利用一個新的結構機制將菲 涅爾透鏡與太陽能電池集成，實現高性能、小尺寸高效率光伏系統。
[0016] 2.本發明的菲涅爾透鏡可以有效降低太陽能電池表面的反射率。
[0017] 3.本發明的透射型菲涅爾透鏡可以有效增加光子在太陽能電池PN結區的吸收長 度。
[0018] 4.本發明的菲涅爾透鏡可以有效增加入射光在太陽能電池的PN結區的光場強 度。
[0019] 5.本發明的菲涅爾透鏡可以有效提高太陽能電池的PN結區對光子的有效吸收。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明帶有表面菲涅爾透鏡的太陽能電池的示意圖。
[0021] 圖2是本發明的菲涅爾透鏡設計示意圖。
[0022] 圖3是本發明的針對三結疊層砷化鎵電池的實施例設計的500納米波長焦平面在 第一結PN結區吸收層底部的菲涅爾透鏡（簡稱第一種透鏡）的示意圖。
[0023] 圖4是當透菲涅爾透鏡聚焦面設定在電池第一結的PN結結區發射極底部時，500 納米波長入射光在聚焦面處的光強分布。
[0024] 圖5是在三結疊層砷化鎵電池表面制作了第一種透鏡后的反射率與未制作第一 種透鏡時反射率的對比曲線圖。
[0025] 圖6是在多結疊層砷化鎵電池表面制作了第一種透鏡后的第一結PN結區的吸收 率與未制作第一種透鏡時第一結PN結區吸收率的對比曲線圖。
[0026] 圖7是本發明提出的針對750納米波長設計的焦平面在第二結PN結區發射極底 部的菲涅爾透鏡（簡稱第二種透鏡）的示意圖。
[0027] 圖8是當菲涅爾透鏡聚焦面設定在電池第二結的PN結結區發射極底部時，750納 米波長入射光在聚焦面處的光強分布。
[0028]圖9是在多結疊層砷化鎵電池表面制作了第二種透鏡后的反射率與未制作第二 種透鏡時反射率的對比曲線圖。
[0029] 圖10是在多結疊層砷化鎵電池表面制作了第二種透鏡后的第二結PN結區的吸收 率與未制作第二種透鏡時第二結PN結區吸收率的對比曲線圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0031] 如圖1所示，本發明是在太陽能電池的上表面制作透射型菲涅爾透鏡形成新的太 陽能電池，菲涅爾透鏡由一系列同心圓環刻蝕槽構成，所述刻蝕槽的深度h由公式h=V [2(n_l)]計算得出，使得入射光從菲涅爾透鏡刻蝕槽上表面傳播到下表面的相位差為31， 其中A為入射光的中心波長，n是太陽能電池表面菲涅爾