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一种利用棱镜结构激发表面 等离子体的高效 太阳能 电池

阅读：589发布：2020-05-22

专利汇可以提供一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种能够激发太阳能电池表面等离子体的电池，它具体结构由金属薄膜、棱镜、石墨烯层和光伏材料构成，其特征在于利用入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波来局域强化表面的光场强度，提高太阳能电池对入射太阳光的吸收率。采用这种技术可以在正常接收入射光的情况下，又增加了太阳能电池对光强的利用，进而可以提高太阳能电池的转换效率。，下面是一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，其特征在于：包括棱镜层（1）、光伏材料层（3）；所述光伏材料层（3）与棱镜层（1）连接；它还包括金属薄膜层（2），所述金属薄膜层（2）设置于棱镜层（1）与光伏材料层（3）接触面，所述金属薄膜层（2）与棱镜层（1）配合使全反射的消逝波与金属表面等离子体波的波矢量匹配，激发出表面等离子体波，增强局域的光强。
2.如权利要求1所述一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，其特征在于：所述金属薄膜层（2）包括金属纳米颗粒层、石墨烯层，采用磁控溅射的方法镀在棱镜表面；所述金属薄膜层（2）厚度≤1mm。
3.如权利要求2所述一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，其特征在于：所述金属纳米颗粒层由以下至少一种金属构成：金、银和铂。
4.如权利要求2或3所述一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，其特征在于：所述石墨烯层为单层石墨烯片，金属纳米颗粒层沉积在石墨烯层上。
5.如权利要求4所述一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，其特征在于：所述棱镜层（1）包括具有全反射功能的棱镜，所述棱镜截面为等腰直角三角形。
6.如权利要求5所述一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，其特征在于：所述光伏材料层（3）为传统三维结构光伏材料，包括硅、碲化镉、铜铟硫、铜铟镓硫、砷化镓、氧化锌。
7.制备如权利1-6任一所述一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池的方法，包括下述步骤：
步骤1、金属纳米颗粒层采用在真空腔内，加热蒸发贵金属原材料，使其原子从固有状态表面汽化逸出，形成蒸汽后经冷却沉淀到石墨烯层表面，从而凝结成金属薄膜层（2）的物理沉积法;
步骤2、将金属薄膜层（2）利用磁控溅射的方法镀在棱镜层（1）表面，再将金属薄膜层（2）与棱镜层（1）的整体附着在光伏材料层（3）上。

说明书全文

一种利用棱镜结构激发表面 等离子体的高效 太阳能 电池

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池。

背景技术

[0002] 能源问题是当今社会面临的重要问题之一，化石燃料的能源终将枯竭。所以开发新的能源是当今社会所追求的趋势，太阳能本身无公害并且容易获得，用之不竭，因此，太阳能成为重要的主流能源。

[0003] 表面等离子体是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括材料学家，化学家，物理学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，从20世纪90年代起成为研究的热点。它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多个领域。

[0004] 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

发明内容

[0005] 本发明的内容在于，本发明提供一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振，共振时光与表面等离子体波达到波矢量的匹配，使光的能量有效传递给表面等离子体，激发出表面等离子体波，在局域上增加了光强，提高了太阳能电池对光的利用率，从而提高了电池的转换效率。

[0006] 一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，包括棱镜层、光伏材料层；所述光伏材料层与棱镜层连接；它还包括金属薄膜层，所述金属薄膜层设置于棱镜层与光伏材料层接触面，所述金属薄膜层与棱镜层配合使全反射的消逝波与金属表面等离子体波的波矢量匹配，激发出表面等离子体波，增强局域的光强。

[0007] 当光波从光密介质入射到光疏介质时，如果入射角大于临界角会产生全反射现象。此时有光波虽然不能穿过两种介质的临界面，但沿着临界面平行的方向会产生光波，其电场及磁场的复振幅随着远离临界面的距离的增大而呈现指数级的减小趋势，这部分光波被称为消逝波，或称为表面波。

[0008] 由于上述设置，在消逝波波矢的水平方向分量与表面等离子体波的波矢相等时,二者发生共振耦合，共振时光与表面等离子体波达到波矢量的匹配。使光的能量有效传递给表面等离子体，激发出表面等离子体波，在局域上增加了光强，提高了太阳能电池对光的利用率，从而提高了电池的转换效率。

[0009] 进一步的，所述金属薄膜层包括金属纳米颗粒层、石墨烯层，采用磁控溅射的方法镀在棱镜表面；所述金属薄膜层厚度≤1mm。

[0010] 进一步的，所述金属纳米颗粒层由以下至少一种金属构成：金、银和铂。

[0011] 进一步的，所述石墨烯层为单层石墨烯片，金属纳米颗粒层沉积在石墨烯层上。

[0012] 由于采用上述设置，因为石墨烯良好的物理性能，整个金属薄膜层稳定性较好。同时，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，其更加符合太阳能电池板的使用情况。并且，因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，更加符合使用需要。

[0013] 进一步的，所述棱镜层包括具有全反射功能的棱镜，所述棱镜截面为等腰直角三角形。

[0014] 由于采用上述设置，使用具有全反射功能的棱镜，其横截面是等腰直角三角形。利用Kretschmann结构：金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。

[0015] 进一步的，所述光伏材料层为传统三维结构光伏材料，包括硅、碲化镉、铜铟硫、铜铟镓硫、砷化镓、氧化锌。

[0016] 综上所述，由于采用了上诉技术手段，本发明的有益效果为：1、结构简单、设计独特，针对太阳能电池板的能量转化效率提升较大，具有较好的实用性和良好的推广前景。

[0017] 2、在不影响太阳能电池对入射光的正常吸收的情况下，利用反射光活激活表面等离子体，提高了电池的转换效率。

[0018] 3、制备方法简单，成本低，对太阳能电池增效明显。附图说明

[0019] 图1为本发明的示意图；图2为为利用Kretschmann结构的棱镜折射示意图；
图3为经过薄面表面反射的消逝波示意图；
图中标记：1、棱镜层;2、金属薄膜层；3、光伏材料层；M、金属薄膜；d、厚度；n1、光密介质折射率；n2、光疏介质折射率。

具体实施方式

[0020] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1至图3对本发明的结构作详细的描述。

[0021] 实施例1：如图1所示，一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池，包括棱镜层1、光伏材料层3；
所述光伏材料层3与棱镜层1连接；
所述棱镜层1包括具有全反射功能的棱镜，所述棱镜截面为等腰直角三角形；
所述光伏材料层3为传统三维结构光伏材料，包括硅、碲化镉、铜铟硫、铜铟镓硫、砷化镓、氧化锌；
它还包括金属薄膜层2，所述金属薄膜层2设置于棱镜层1与光伏材料层3接触面，所述金属薄膜层2与棱镜层1配合使全反射的消逝波与金属表面等离子体波的波矢量匹配，激发出表面等离子体波，增强局域的光强。

[0022] 所述金属薄膜层2包括金属纳米颗粒层、石墨烯层，采用磁控溅射的方法镀在棱镜表面；所述金属薄膜层2厚度≤1mm。

[0023] 所述金属纳米颗粒层由以下至少一种金属构成：金、银和铂；所述石墨烯层为单层石墨烯片，金属纳米颗粒层沉积在石墨烯层上。

[0024] 实施例2：如图2至3所示，如图2所示，为Kretschmann结构的棱镜，M为金属薄膜，d为其厚度，光线入射至棱镜内，经过全反射的消逝波能实现与金属薄膜的表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激活表面等离子体。

[0025] 如图3所示，当光波从光密介质入射到光疏介质时，如果入射角大于临界角会产生全反射现象。此时有光波虽然不能穿过两种介质的临界面，但沿着临界面平行的方向会产生光波，其电场及磁场的复振幅随着远离临界面的距离的增大而呈现指数级的减小趋势，这部分光波被称为消逝波，或称为表面波；在消逝波波矢的水平方向分量与表面等离子体波的波矢相等时,二者发生共振耦合，共振时光与表面等离子体波达到波矢量的匹配。使光的能量有效传递给表面等离子体，激发出表面等离子体波，在局域上增加了光强，提高了太阳能电池对光的利用率，从而提高了电池的转换效率。

[0026] 实施例3：制备一种利用棱镜结构激发表面等离子体的高效太阳能电池的方法：步骤1、金属纳米颗粒层采用在真空腔内，加热蒸发贵金属原材料，使其原子从固有状态表面汽化逸出，形成蒸汽后经冷却沉淀到石墨烯层表面，从而凝结成金属薄膜层的物理沉积法;
步骤2、将金属薄膜层利用磁控溅射的方法镀在棱镜层表面，再将金属薄膜层与棱镜层整体附着在光伏材料层上。

[0027] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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