一種用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構的制作方法
【專利摘要】本發明一種用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是：主要由二維光子晶體陷光層以及一維光子晶體反射結構組成；其中：所述二維光子晶體陷光層由分別設置在薄膜太陽能電池吸收層上、下方的二維光子晶體組成，兩層二維光子晶體的結構參數相同；本發明的雙層二維光子晶體陷光結構充分利用了二維光子晶體大傾角散射入射光的光學特性，上下兩層二維光子晶體將入射光以大傾角反射到電池吸收層內部，大大的延長了光子的傳輸路徑，同時，大傾角反射光會在電池吸收層分界面上發生全反射再次反射回吸收層，達到捕獲光的效果，提高了薄膜太陽能電池對入射光的吸收效率，提高了太陽能電池的性能。
【專利說明】
一種用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構
技術領域
[0001]本發明屬于太陽能電池技術領域，特別是薄膜太陽能電池光捕獲結構的設計，本發明提出一種雙層二維光子晶體陷光結構，提高薄膜太陽能電池的光捕獲效率，進而提高電池的光電轉換效率。
【背景技術】
[0002]太陽能作為一種解決能源危機以及環境問題的重要途徑被各國廣泛關注。太陽能電池光電轉化效率太低以及生產成本過高的問題一直制約著太陽電池的發展。針對上述兩個問題，太陽能電池一代一代的迅速發展，電池轉化效率不斷提高，生產成本不斷降低。薄膜太陽能電池的出現大大降低了太陽能電池的制造成本，但是其轉化效率卻低于傳統太陽能電池。這是由于薄膜太陽能電池在大幅度減小電池厚度的同時，過薄的吸收層嚴重限制了電池對長波長太陽光的吸收。
[0003]目前提高薄膜太陽能電池光電轉換效率的主要方法是在薄膜太陽能電池背部增加反射結構，將透過電池吸收層的入射光再反射回吸收層，增加入射光在電池吸收層的傳輸路徑。薄膜太陽能電池普遍在電池背部增加Ag/ZnO反射層和Al/ZnO反射層作為電池的反射結構，這兩種金屬太陽能電池反射結構可在較寬頻域內對入射光具有較高的反射率，同時金屬反射結構還具有優越的電學特性。但是金屬反射結構的表面對光有較大的吸收損耗，入射太陽光在金屬表面平均每發生一次反射就會損失3%?8%的能量，同時，金屬具有趨膚效應以及金屬元素易于擴散的特定嚴重影響電池的性能與穩定性。以上存在的問題不利于電池的轉換效率和穩定性的提高以及電池生產成本的降低。
[0004]金屬反射結構無法克服以上問題，而基于波動光學的光子晶體反射結構以其優越的反射以及陷光特性被越來越多的應用到提高太陽能電池光電轉換效率上來。光子晶體是由兩種或兩種以上不同介電常數的介質材料在空間成周期排布而成的微型結構，按不同介電常數材料的空間周期性排列方式不同可分為一維光子晶體、二維光子晶體以及三維光子晶體。一維光子晶體可在特定波長范圍獲得接近100%的反射率，將一維光子晶體反射結構應用到薄膜太陽能電池中，可以在獲得較高反射率的同時有效的避免金屬反射層給太陽能電池帶來的所有負面影響。但由于太陽能電池的吸收光譜范圍較寬，一般為300?11OOnm，電池對長波長入射光的吸收長度較大，如非晶硅吸收層對波長為I 10nm入射光的吸收長度為3mm，顯然如果只通過在太陽能電池背部的反射結構來增加有限次數的反射對長波長入射光的吸收效率的提高不是很明顯。為了解決以上問題，本發明提出一種雙層二維光子晶體薄膜太陽能電池陷光結構，將雙層二維光子晶體陷光結構與一維光子晶體反射結構結合起來，形成一種多層混合陷光結構，通過多層結構在增加電池背部反射效率的同時減少底層反射光在頂層頂層的透射，真正達到陷光。這種理念對于提高薄膜太陽能電池光捕獲效率具有重要的意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對上述存在的問題，提供一種雙層二維光子晶體組成的高效太陽能電池陷光結構，該陷光結構充分利用二維光子晶體大傾角反射入射光的特點結合一維光子晶體高性能反射結構組成了一種多層高效光子晶體光捕獲結構。本發明彌補了薄膜太陽能電池反射結構的不足，充分延長了入射光在電池吸收層的傳播路徑，同時還減少了電池上層對反射光的透射，增加了電池的光捕獲效率。
[0006]實現本發明目的技術方案是:
一種用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其主要由二維光子晶體陷光層以及一維光子晶體反射結構組成;其中:
所述二維光子晶體陷光層由分別設置在薄膜太陽能電池吸收層上、下方的二維光子晶體組成，兩層二維光子晶體的結構參數相同；
所述二維光子晶體由圓柱體介質按照正方晶格排列方式排布在與其折射率不同的等厚透明導電介質中組成；
所述組成二維光子晶體的圓柱體介質與薄膜太陽能電池吸收層介質相同，透明導電介質為氧化銅錫(ΙΤ0)；
所述二維光子晶體的結構參數與薄膜太陽能電池吸收材料的種類有關，可通過改變二維光子晶體厚度、填充因子和晶格常數等參數調整雙層二維光子晶體的陷光性能；
所述二維光子晶體陷光結構可以應用到單晶硅、多晶硅以及非晶硅薄膜太陽能電池中。其中:以非晶硅薄膜太陽能電池為例，二維光子晶體的厚度為l1nm，填充因子為0.45，晶格常數為500nm，上層和下層二維光子晶體圓柱體材料分別為η型和P型非晶硅材料；
所述一維光子晶體反射結構由兩種折射率不同且比值較大的介質材料呈周期交替堆積而成，兩種介質的周期厚度由光子晶體中心波長決定，通過改變中心波長以及周期數可以調節光子禁帶范圍，可以獲得較寬的光子禁帶；
所述組成一維光子晶體的周期介質分別為折射相差較大的二氧化硅和氫化非晶硅；所述一維光子晶體周期厚度與材料折射率有關，其中:二氧化硅的厚度為130nm，氫化非晶硅的厚度為50nm，周期數為5。
[0007]通過改變雙層二維光子晶體陷光結構和一維光子晶體反射結構的參數可以改變整體的陷光特性，可以應用到不同吸收材料的薄膜太陽能電池上。
[0008]本發明的有效效益是:
I通過調整二維光子晶體層的填充因子、晶格常數以及厚度使二維光子晶體層獲得最高的衍射效率，從而使雙層二維光子晶體陷光結構獲得最佳的光捕獲效果。該陷光結構的陷光特性與反射結構增加的有限次的反射相比，大幅度提高了入射光在電池吸收層的傳播路徑，同時減少了上層反射光的透射，提高了整體的光捕獲效率。
[0009]2通過調整一維光子晶體中心波長、介質折射率比值、周期數與周期厚度使一維光子晶體特定波長范圍的反射率接近100%，波長范圍可以根據不同薄膜太陽能電池的需要來調整，反射效果優于反射層的95%。
[0010]3本發明充分利用了二維光子晶體大傾角反射入射光的特點，采用上下兩層二維光子晶體形成了高效的陷光結構。將該陷光結構與一維光子晶體高效的反射特性相結合，即將具有不同陷光特點的多層光子晶體結構結合起來形成一種多層混合陷光結構，通過雙層二維光子晶體結構在增加電池陷光效率的同時減少底層反射光在頂層的透射，真正達到陷光。這種理念對于提高薄膜太陽能電池光捕獲效率具有重要的意義。
【附圖說明】
[0011 ]為了使本發明的內容與優點表述的更加清晰，下面將附圖進行詳細說明。
[0012]圖1為本發明實施例的結構示意圖；
圖2為二維光子晶體層結構示意圖；
圖3為一維光子晶體反射結構和Ag反射層在空氣中的反射率對比圖。
[0013]圖4為具有雙層二維光子晶體和一維光子晶體陷光結構與具有Ag反射層的非晶硅薄膜太陽能電池對垂直入射光的吸收效率對比圖。
[0014]圖5為具有雙層二維光子晶體和一維光子晶體陷光結構與具有Ag反射層的非晶硅薄膜太陽能電池在AMl.5地表太陽光譜垂直入射時的光電流密度對比圖。
[0015]圖中:1.一維光子晶體2.下層二維光子晶體3.非晶硅薄膜太陽能電池吸收層
4.上層二維光子晶體5.上電極或增透膜6.下電極7.低折射率介質層8.高折射率介質層9.透明導電層10.二維光子晶體圓柱體。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖與實施例，進一步闡述本發明。但應理解，下述實施例僅用于說明本發明，而不是限定本發明的范圍，一切從本發明的構思出發，不經過創造性勞動所作出的結構變換均落在本發明的保護范圍內。
[0017]實施例:
一種適用于非晶硅薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，如圖1所示，該非晶硅薄膜太陽能電池是由一維光子晶體1、下層二維光子晶體2、氫化非晶硅吸收層3、上層二維光子晶體4、增透膜以及上電極5和下電極6組成。下層二維光子晶體2和上層二維光子晶體4分別處在薄膜太陽能電池吸收層的上方和下方。其中:
二維光子晶體陷光結構如圖2所示，分別由兩種不同介質的透明導電層9和二維光子晶體圓柱體10組成，二維光子晶體圓柱體10以正方晶格排列在等厚的透明導電層9中。一維光子晶體1、下層二維光子晶體2以及上層二維光子晶體4組成了電池的光子晶體陷光結構。上電極5和下電極6為高透光、低吸收的透明導電膜。
[0018]一維光子晶體I是由低反射率介質層7和高反射率介質層8成周期交替排列構成，周期數為5。
[0019]該實施例中，一維光子晶體反射結構低折射率介質層7的材料為二氧化硅，折射率為1.46，厚度為130nm，高折射率介質層8的材料為氫化非晶硅，折射率為4，厚度為50nm，周期數為5。二維光子晶體圓柱體10的材料為氫化非晶硅，透明導電層9的材料為氧化銦錫(ITO)，厚度為llOnm，填充因子為0.45，晶格常數為500nm。上電極5和下電極8的材料為氧化銦錫(IT0)，上電極5厚度為lOOnm，下電極8厚度為50nm。所述的氫化非晶硅吸收層的厚度為500nm，可對波長小于600nm的入射光進行有效的吸收，因此一維光子晶體反射結構的光子禁帶應落在600?I 10nm范圍。
[°02°]如圖3所不，一維光子晶體反射結構在空氣中的反射率在600?I 10nm波長范圍，一維光子晶體反射結構的平均反射率略大于Ag的平均反射率。
[0021]所述的雙層二維光子晶體及一維光子晶體陷光結構非晶硅薄膜太陽能電池對入射光的吸收率如圖4所示。具有該陷光結構的非晶硅薄膜太陽能電池較具有Ag反射結構的非晶硅薄膜太陽能電池的吸收率幾乎在整個電池吸收光譜范圍(300?IlOOnm)都有一定提高，其中對波長范圍為7 O O?110 O n m的長波長的吸收率的提高最明顯。總的吸收效率從54.67%提高到76.00%，提高了將近22%。
[0022]所述的雙層二維光子晶體及一維光子晶體陷光結構非晶硅薄膜太陽能電池在AMl.5地球表面太陽光譜下的光電流密度如圖5所示。具有該陷光結構的非晶硅薄膜太陽能電池較具有Ag反射結構的非晶硅薄膜太陽能電池的光電流密度幾乎在整個電池吸收光譜范圍(300?IlOOnm)都有一定提高，其中對波長范圍為700?IlOOnm的長波長的光電流密度的提高最明顯。短路電流密度從21.14mA/cm2提高到了 30.94mA/cm2。
【主權項】
1.一種用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:主要由二維光子晶體陷光層以及一維光子晶體反射結構組成;其中: 所述二維光子晶體陷光層由分別設置在薄膜太陽能電池吸收層上、下方的二維光子晶體組成，兩層二維光子晶體的結構參數相同； 所述二維光子晶體由圓柱體介質按照正方晶格排列方式排布在與其折射率不同的等厚透明導電介質中組成； 所述一維光子晶體反射結構由兩種折射率不同且比值較大的介質材料呈周期交替堆積而成，兩種介質的周期厚度由光子晶體中心波長決定，通過改變中心波長以及周期數可以調節光子禁帶范圍，可以獲得較寬的光子禁帶。2.根據權利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:所述組成二維光子晶體的圓柱體介質與薄膜太陽能電池吸收層介質相同，透明導電介質為氧化銦錫(ITO)03.根據權利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:所述二維光子晶體的結構參數與薄膜太陽能電池吸收材料的種類有關，可通過改變二維光子晶體厚度、填充因子和晶格常數等參數調整雙層二維光子晶體的陷光性能。4.根據權利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:所述二維光子晶體陷光結構可以應用到單晶硅、多晶硅以及非晶硅薄膜太陽能電池中。5.根據權利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:所述組成一維光子晶體的周期介質分別為折射相差較大的二氧化硅和氫化非晶硅。6.根據權利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:所述一維光子晶體周期厚度與材料折射率有關，其中:二氧化硅的厚度為130nm，氫化非晶硅的厚度為5011111，周期數為507.根據權利要求1所述的用于薄膜太陽能電池的光子晶體陷光結構，其特征是:通過改變雙層二維光子晶體陷光結構和一維光子晶體反射結構的參數可以改變整體的陷光特性，可以應用到不同吸收材料的薄膜太陽能電池上。
【文檔編號】H01L31/0445GK105870220SQ201610320350
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】武振華, 李思敏, 張文濤, 熊顯名, 高鳳艷
【申請人】桂林電子科技大學