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薄膜 太阳能 电池

阅读：735发布：2021-06-06

专利汇可以提供薄膜太阳能电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种薄膜太阳能电池，包括有正电极、负电极及用于进行光电转换的半导体介质层，半导体介质层的入射面外设置有第一金属层、出射面外设置有第二金属层，第一金属层和第二金属层的远离半导体介质层的一侧均设置有狭缝光栅结构和凹槽波导结构，狭缝光栅结构包括多个沿第一方向延伸且沿第二方向周期分布的狭缝，凹槽波导结构包括有多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的凹槽组，凹槽组和狭缝交错设置；各个凹槽组均包括有多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的凹槽；第一金属层外覆盖有凸透镜结构，且半导体介质层位于凸透镜结构的焦点处。本实用新型提供的薄膜太阳能电池可以提高对光的吸收率、提高光电转换效率。，下面是薄膜太阳能电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种薄膜太阳能电池，包括有正电极、负电极及与所述正电极和所述负电极电连接的用于进行光电转换的半导体介质层(1)，其特征在于，所述半导体介质层(1)的入射面外设置有第一金属层(2)、出射面外设置有第二金属层(3)，所述第一金属层(2)和所述第二金属层(3)的远离所述半导体介质层(1)的一侧均设置有狭缝光栅结构和凹槽波导结构，所述狭缝光栅结构包括多个沿第一方向延伸且沿第二方向周期分布的狭缝(5)，所述凹槽波导结构包括有多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的凹槽组，所述凹槽组和所述狭缝(5)交错设置；各个所述凹槽组均包括有多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的凹槽(6)且所述凹槽(6)的开口均朝向远离所述半导体介质层(1)的方向，各个所述狭缝(5)的缝宽均小于入射光的波长；所述第一金属层(2)外覆盖有凸透镜结构，且所述半导体介质层(1)位于所述凸透镜结构的焦点处。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凹槽(6)设置为V型槽。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，同一个所述凹槽组中，每相邻两个所述凹槽(6)之间的间距沿所述第二方向逐渐增大或逐渐减小。
4.如权利要求3所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，各个所述狭缝(5)两侧的所述凹槽(6)均沿所述狭缝(5)呈镜像分布。
5.如权利要求1-4任意一项所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，各个所述凹槽组均沿第二方向并排设置有五个凹槽(6)。
6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸透镜结构包括有多个沿所述第一金属层的表面延伸方向分布排列的凸透镜(4)，多个所述凸透镜(4)互相连接。
7.如权利要求6所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸透镜(4)远离所述第一金属层(2)的表面覆盖有用于减弱入射光的反射的减反射膜。
8.如权利要求6所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸透镜(4)的靠近所述第一金属层(2)的表面设置为平面。
9.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，靠近所述第二金属层(3)的电极的外侧覆盖有用于增强出射光的反射率的反光层。
10.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述第一金属层(2)及所述第二金属层(3)的材质均为银。

说明书全文

薄膜 太阳能 电池

技术领域

[0001] 本实用新型涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及一种薄膜太阳能电池。

背景技术

[0002] 薄膜太阳能电池是将一层半导体异质结薄膜加上、下两层电极制备而成，其使用的功能层极少，更容易降低成本。然而到目前为止由于功能层比较薄，薄膜太阳能电池对太阳光的利用率依然不高。在现有的薄膜太阳能电池设计中，只有少于15％的入射光能为半导体异质结吸收利用。为了优化薄膜太阳能电池的性能需要增加薄膜状的半导体异质结对光能的吸收和其光电转换效率，因此衍生出了多种技术手段。其中利用表面等离子体效应可以增强太阳能电池功能层的光吸收，同时增强的电场可促进光激子解离为载流子，在太阳发射光谱中的某些窄波段内获得高效结果，已得到学术界和产业界的广泛重视。

[0003] 金属表面等离子体由局域表面等离子体和表面等离子体激元两部分组成。表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons，SPPs)是由金属表面的自由电子随入射光的光子集体共振，产生在金属-介质界面的一种非辐射表面电磁模式。SPPs在垂直于界面方向上呈指数衰减，将光波束缚在金属表面传播，具有表面局域和近场增强的特性。现有技术中，采用在薄膜太阳能电池的金属电极层刻蚀上金属光栅或者各种波导可以实现激发SPPs。但是这种方式仅仅提高了对于逃逸太阳光的反射、将太阳光的路径增加一倍，对太阳光的聚焦能力不强，吸收效果并不佳。

[0004] 有鉴于此，本实用新型旨在解决如何增加对太阳入射光的聚焦和束缚能力、以提高功能层对入射光的吸收率，从而提高光电转换效率的问题。实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的在于提供一种薄膜太阳能电池，其利用狭缝-凹槽的金属结构，能够在金属-介质层面激发表面等离子体激元的基础上将太阳入射光聚焦到功能层，增加功能层对入射光的吸收率，从而提高光电转换效率。

[0006] 本实用新型提供的一种薄膜太阳能电池，包括有正电极、负电极及与所述正电极和所述负电极电连接的用于进行光电转换的半导体介质层，所述半导体介质层的入射面外设置有第一金属层、出射面外设置有第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层的远离所述半导体介质层的一侧均设置有狭缝光栅结构和凹槽波导结构，所述狭缝光栅结构包括多个沿第一方向延伸且沿第二方向周期分布的狭缝，所述凹槽波导结构包括有多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的凹槽组，所述凹槽组和所述狭缝交错设置；各个所述凹槽组均包括有多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的凹槽且所述凹槽的开口均朝向远离所述半导体介质层的方向，各个所述狭缝的缝宽均小于入射光的波长；所述第一金属层外覆盖有凸透镜结构，且所述半导体介质层位于所述凸透镜结构的焦点处。

[0007] 优选地，所述凹槽设置为V型槽。

[0008] 优选地，同一个所述凹槽组中，每相邻两个所述凹槽之间的间距沿所述第二方向逐渐增大或逐渐减小。

[0009] 优选地，各个所述狭缝两侧的所述凹槽均沿所述狭缝呈镜像分布。

[0010] 优选地，各个所述凹槽组均沿第二方向并排设置有五个凹槽。

[0011] 优选地，所述凸透镜结构包括有多个沿所述第一金属层的表面延伸方向分布排列的凸透镜，多个所述凸透镜互相连接。

[0012] 优选地，所述凸透镜远离所述第一金属层的表面覆盖有用于减弱入射光的反射的减反射膜。

[0013] 优选地，所述凸透镜的靠近所述第一金属层的表面设置为平面。

[0014] 优选地，靠近所述第二金属层的电极的外侧覆盖有用于增强出射光的反射率的反光层。

[0015] 优选地，所述第一金属层及所述第二金属层的材质均为银。

[0016] 本实用新型提供的技术方案中，薄膜太阳能电池包括正电极、负电极和用于进行光电转换的半导体介质层，半导体介质层与正、负电极电连接，半导体介质层的两个外表面一个是接收入射光的入射面、另一个是出射面。且半导体的入射面外覆盖有第一金属层、出射面外覆盖有第二金属层。第一金属层和第二金属层的远离半导体介质层的一侧上均设置有能够激发表面等离子体激元的狭缝光栅结构和能够聚焦光波的凹槽波导结构。多个沿第一方向延伸且沿第二方向周期分布的狭缝形成狭缝光栅结构，则半导体介质层的两侧均能够激发表面等离子体激元，可以减弱两侧的光波的反射率、对光波起到一定的约束作用，增加在金属-介质层的界面处的光波，增强半导体介质层对光的吸收率。同时，第一金属层和第二金属层之间的距离比表面等离子体激元波衰减距离小很多，两界面的表面等离子体激元相互耦合叠加，降低了光波的传输损耗，使得半导体介质层能够获得更大的光波强度、增强对光波的吸收。而凹槽波导结构由多个沿第二方向分布的凹槽组组成，凹槽组由多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的多个凹槽组成，凹槽组和狭缝交错设置，则凹槽波导结构可以把表面等离子体激元约束的光波进行不同角度的相位延迟、进行不同角度的衍射，起到聚拢光波的作用。第一金属层将入射光束缚、聚拢到半导体介质层，第二金属层将出射光的反射光束缚并聚拢到半导体介质层，极大的提高了对光的束缚和聚拢作用、减小了光的反射和逸散，显著增强了半导体介质层的光吸收率。进一步地，第一金属层外还设置有凸透镜结构，可以首先对入射光起到聚焦作用，将光聚焦到第一金属层或半导体介质层上，提高进入薄膜太阳能电池的入射光强度。如此设置，凸透镜首先提高进入薄膜太阳能电池的入射光的强度，第一金属层和第二金属层激发表面等离子体激元并将照射到自身的光波束缚、聚拢到半导体介质层，且第一金属层和第二金属层的表面等离子体激元可以互相耦合，从而本实用新型提供的薄膜太阳能电池可以显著的增强对光的吸收率、提高光电转换效率。附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1为本实用新型实施例中薄膜太阳能电池的结构示意图；

[0019] 图2为本实用新型实施例中狭缝光栅结构和凹槽波导结构的示意图；

[0020] 图3为本实用新型实施例中狭缝光栅结构和凹槽波导结构的剖视图；

[0021] 图4是本实用新型实施例中四种不同截面形状的狭缝光栅-凹槽波导结构的光场分布图。

[0022] 图1-图3中：

[0023] 半导体介质层-1、第一金属层-2、第二金属层-3、凸透镜-4、狭缝-5、凹槽-6。

具体实施方式

[0024] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

[0025] 本具体实施方式的目的在于提供一种薄膜太阳能电池，其利用狭缝-凹槽的金属结构，能够在金属-介质层面激发表面等离子体激元的基础上将太阳入射光聚焦到功能层，增加功能层对入射光的吸收率，从而提高光电转换效率。

[0026] 以下，结合附图对实施例作详细说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的实用新型的内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的实用新型的解决方案所必需的。

[0027] 请参考附图1-3，本实施例提供的一种薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池包括正电极、负电极和用于进行光电转换的半导体介质层1，半导体介质层1与正、负电极电连接，半导体介质层1的两个外表面一个是接收入射光的入射面、另一个是出射面。如图1所示，且半导体介质层1的入射面外覆盖有第一金属层2、出射面外覆盖有第二金属层3。第一金属层2和第二金属层3的远离半导体介质层1的一侧上均设置有能够激发表面等离子体激元的狭缝光栅结构和能够聚焦光波的凹槽波导结构。

[0028] 如图2所示，多个沿第一方向延伸且沿第二方向周期分布的狭缝5形成狭缝光栅结构，狭缝5的宽度小于入射波的波长、以对入射光进行衍射。第一金属层2可以将入射到自身表面的太阳光进行陷光并激发表面等离子体激元，经表面等离子激元增强的入射光部分被半导体介质层1吸收，部分会透射出去，透射而出的光中会有部分光被反射回至第二金属层3的远离半导体介质层1的表面上。第二金属层3可以将反射回来的光再次激发表面等离子体激元，将光波能量约束在半导体介质层1界面处。则半导体介质层1的两侧均有被激发的表面等离子体激元，可以减弱两侧的光波的能量损耗、对光波起到一定的约束作用，增加在金属-介质层的界面处的光波，增强半导体介质层1对光的吸收率。同时，第一金属层2和第二金属层3之间的距离比表面等离子激元衰减的距离小很多，两界面的表面等离子激元相互耦合叠加，降低了光波的传输损耗，此时激发频率远低于金属等离子体特征频率，共振波长会出现红移现象，能捕获太阳光波谱中的红外线波段以及近红外微波段，使得半导体介质层1大大提高了对太阳光的吸收率。

[0029] 而凹槽波导结构由多个沿第二方向分布的凹槽组组成，凹槽组由多个沿第一方向延伸且沿第二方向分布的多个凹槽6形成，凹槽6的宽度和深度均小于入射光的波长。凹槽组和狭缝5交错设置，则凹槽波导结构可以把表面等离子激元约束的光波进行不同角度的相位延迟、进行不同角度的衍射，导致光的相位不同，使光波在狭缝5处进行汇聚，汇聚的光再经狭缝5透射到半导体介质层1上，从而增强了入射光强度，起到聚拢光波的作用、减弱了入射光的散逸。第一金属层2将入射光聚拢、束缚到半导体介质层1，第二金属层3将出射光的反射光聚拢并束缚到半导体介质层1，极大的提高了对光的聚拢和束缚作用、减小了光的反射和逸散，显著增强了半导体介质层1的光吸收率。

[0030] 需要说明的是，第一方向和第二方向指的是同一平面的两个不同方向，如图2所示，第一方向和第二方向可以是互相垂直的两个方向。

[0031] 进一步地，如图1所示，第一金属层2外还设置有凸透镜结构，当太阳光照射到薄膜太阳能电池上时，凸透镜结构可以首先对入射光起到聚焦作用，将光聚焦到第一金属层2或半导体介质层1上，提高进入薄膜太阳能电池的入射光的强度。

[0032] 如此设置，凸透镜4首先提高进入薄膜太阳能电池的入射光的强度，第一金属层2和第二金属层3激发表面等离子体激元并将入射到自身的光波聚拢、束缚到半导体介质层1，且第一金属层2和第二金属层3的表面等离子体激元可以互相耦合，从而与现有技术中的薄膜太阳能电池相比，本实施例提供的薄膜太阳能电池可以显著的增强对光的吸收率、提高光电转换效率。

[0033] 具体地，形成凹槽波导结构的凹槽6的横截面可以是矩形、V型、等腰梯形或直角梯形等各种形状。对具有不同凹槽形状的狭缝光栅-凹槽波导结构进行FDTD仿真试验：设置模拟入射光波长为630nm,第一金属层2和第二金属层3厚度为300nm，狭缝5宽度为200nm；(a)凹槽6的截面为矩形，深度为100nm。(b)凹槽6的截面为V形，底宽200nm，深度为100nm。(c)凹槽6的截面为等腰梯形，梯形上底宽200nm，下底宽为100nm，深度为100nm。(d)凹槽6的截面为直角梯形，梯形上底宽200nm，下底宽为100nm，深度为100nm；(a)(b)(c)(d)四种形状的凹槽组成的狭缝光栅-凹槽波导结构其余参数相同，如狭缝5之间的间距和凹槽6之间的间距。试验得出如图4所示的四种光场分布图。对四种光场分布图进行对比，可以得知(b)中聚拢的光束的最密集，则凹槽6的横截面形状为V形的狭缝光栅-凹槽波导结构在狭缝5处对光的聚拢效果最好，光的散逸最小。从而凹槽6可以设置为V型槽、以对光起到最显著的聚拢作用。

[0034] 而为了更好地将光聚拢到狭缝5处，各个凹槽6产生的衍射角度需不一致，可以设置同一个凹槽组中的每相邻两个凹槽6之间的间距沿第二方向逐渐增大或逐渐减小，使凹槽波导结构呈非周期性分布，便于将入射光衍射到同一位置处进行聚拢。

[0035] 由于每一条狭缝5的两侧都有凹槽6，每条狭缝5透射的光都是经该狭缝5两侧的凹槽6聚拢的，如图3所示，则可以设置各个狭缝5两侧的凹槽组均沿狭缝5呈镜像分布，即每条狭缝5两侧的凹槽6镜像分布，可以将光集中聚拢到中心的狭缝5处、尽可能地减弱其它角度的衍射。

[0036] 进一步地，还可以设置每个凹槽组的凹槽6个数以优化对光的聚拢效果。因为狭缝5两侧的凹槽6数从一个逐渐增多，会增加对入射光的衍射数量和衍射角度，可以增强聚拢效果、使经狭缝5透射而出的光增强。但表面等离子体激元的能量会随传播距离而衰减，如果凹槽6距离狭缝5比较远，凹槽6激发的表面等离子体激元传播到狭缝5时大部分能量都衰减了，所以凹槽6的数量增加到一定程度之后可以达到最佳的聚拢效果，之后再增加凹槽6的数量对聚拢已经没有影响。设置不同的凹槽6个数进行FDTD试验，如，设置入射光波长
650nm,第一金属层2和第二金属层3的厚度为300nm，狭缝5的宽度为200nm，凹槽口的宽度和凹槽6的深度都为200nm，通过软件计算出不同凹槽6个数时的透射谱线如下表所示：

[0037]每个凹槽组的凹槽6数目 1 2 3 4 5 6 7
透射增强倍数 3.5 5.2 5.8 5.9 6.2 6.1 6.1

[0038] 依据表中数据得知，狭缝5两侧的凹槽6，随着凹槽6的数量增加，透射强度也会逐渐上升，并在凹槽6数量为5时透射达到一个最大值并稳定的饱和态。设置每个狭缝5两边各5个凹槽6，即各个凹槽组沿第二方向并排设置有5个凹槽6，以突破衍射极限、使聚焦效果更优。

[0039] 第一金属层2和第二金属层3的材质可以设置为银。在众多金属中，银对光波的吸收损耗最小，使用银制备第一金属层2和第二金属层3，可以减弱金属层本身对光波的损耗，增大被半导体介质层1吸收的光波比例。同时，第一金属层2和第二金属层3分别位于半导体介质层1的两侧，可以作为薄膜太阳能电池的正电极和负电极，可以减少额外制作电极的环节。

[0040] 如图1所示，本实施例提供的薄膜太阳能电池，设置在第一金属层2外侧的凸透镜结构可以是由覆盖在第一金属层2表面的凸透镜4形成。凸透镜4可以是较大尺寸的一个凸透镜4，也可以是较小尺寸的互相连接的多个凸透镜4。由于半导体介质层1位于凸透镜结构的焦点处，半导体介质层1和金属层均呈薄膜状，为了减小凸透镜4的焦距、缩小薄膜太阳能电池的尺寸，优选凸透镜结构由多个互相连接的小尺寸的凸透镜4形成。而为了便于连接、增强凸透镜结构的稳固性，各个凸透镜4可以均设置为平凸透镜4，球面作为入射面，平面作为出射面、更靠近第一金属层2。

[0041] 太阳光照射在凸透镜4上，部分被反射出去，部分穿过透镜到达第一金属层2和半导体介质层1。减小被反射出去的光波可以增加穿过透镜的光波量，如此，本实施例提供的薄膜太阳能电池，在凸透镜4的入射面即远离第一金属层2的表面上覆盖有减反射膜、以减弱对入射光的反射作用。减反射膜的材质可以是SiO2或掺锡氧化铟(Indium TinOXide，ITO)。

[0042] 同样地，入射光经过凸透镜4、第一金属层2进入半导体介质层1，大部分被吸收转换成电能，部分光会透射出去，第二金属层3的狭缝光栅-凹槽波导结构会将透射过来的光反向聚焦到半导体介质层1，但聚焦并不能实现所有光波的百分之百聚焦，仍然会有部分光透射过第二金属层3、被浪费掉。如此，本实施例提供的薄膜太阳能电池在靠近第二金属层3的电极的外侧覆盖有用于增强出射光的反射率的反光层，如铝金属层，以将透射出来的出射光反射回电池内，减弱光的损耗。

[0043] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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