[实用新型]用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元

说明书

技术领域

本实用新型属于光伏太阳能电池技术领域，涉及一种用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元。

背景技术

能源问题是当今社会面临的重要问题之一，随着化石燃料能源的逐渐枯竭，寻找新型、可再生的能量来源成为目前科学研究领域的热门问题。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，最有潜力成为世界的主流能源，其开发和利用已得到人们广泛地关注。目前晶体硅太阳能电池技术已经较为成熟，总能量转换效率已达20%以上，是目前应用最为广泛的一种太阳能电池,然而其昂贵的价格和复杂的制作工艺限制了它的应用。因此，通过技术手段提高低成本薄膜太阳能电池的光电转换效率是扩大太阳能产业的一个重要手段。

等离子体激元波导是近年来纳米光子学研究领域中开发的新型光学器件，等离子体激元学同时也是近年来纳米光子学研究领域的新兴研究方向。等离子体激元波导外观呈条状薄膜，膜厚一般为数纳米到几十纳米，宽度一般为微米量级。制作材料可采用多种金属材料，然而考虑到材料损耗及器件的实际应用背景，一般选用损耗较小的金、银、铂等贵重金属。等离子体激元波导在入射光的电场作用下，金属与介质的边界处的电子将会产生连续起伏的纵向振荡，进而在金属与介质的表面激发起一种特殊的电磁波。根据等离子体理论，这种电磁波为一种光的横磁模，磁场分量垂直与传输方向。当等离子体激元波导被激发后，相对于传统非金属透明材料光波导，等离子体激元波导具有独特的光学局域化增强效应、亚波长光学传导特性以及光电转换特性等，这些性质促使等离子体激元波导在纳米集成光学器件技术和光电子传感等方面得到了广泛的应用。

目前，在太阳能电池技术领域，通过金属纳米颗粒为太阳能电池增效的技术手段已屡见不鲜，但是以采用等离子体激元波导阵列的方式来提高太阳能电池效率的技术还未见报道。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提高太阳能电池的光电转换效率，本实用新型提出了用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元，利用这种增效单元所产生的金属表面等离子体激元对照射到太阳能电池上的入射光产生局域化增强的作用，提高太阳能电池的光电转换效率。

技术方案： 本实用新型的用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元由长程等离子体激元波导阵列、衍射光栅、透明导电薄膜、玻璃衬底、光伏材料构成；在玻璃衬底上设置透明导电薄膜，在透明导电薄膜上处在同一平面内纵横排列分布有波导阵列，在纵向排列的两波导阵列之间设置衍射光栅，光栅具体个数不限，波导阵列与衍射光栅厚度为数纳米到几十纳米，波导阵列中任意波导都为矩形薄膜结构，长度和宽度不限；入射光经过光伏材料，被局域在波导阵列表面，并使波导阵列表面的光场强度大幅增强，显著提高光伏材料对入射太阳光的吸收效率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

制备金属波导阵列以及衍射光栅所用的金属材料为金、银、铜、镍、锌、铂等金属，或是以上材料各自的合金，或是不同金属复合材料。

该增效单元根据应用于不同太阳能电池时，光伏材料根据应用于不同的太阳能电池为不同的具体材料；应用于染料敏化太阳能电池，光伏材料为氧化还原电解质材料，如                                                和乙腈、戊腈、 32甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯等或者其混合物,；应用于其他太阳能电池，光伏材料为半导体材料，如晶体硅、非晶硅、铜铟镓硒、铜铟硒、碲化镉、砷化镓、铝镓砷、镓铟磷锗等材料。

透明导电薄膜材料为氧化铟锡（ITO）或掺氟氧化锡（FTO）透明导电薄膜材料，厚度为数纳米到几十纳米。

本实用新型从原理上看，实现如下：入射光穿过光伏材料入射到背电极上的衍射光栅上时，根据表面等离子体理论，金属衍射光栅将产生附加波矢量，当附加波矢量与自由空间波矢量之和等于相应的表面等离子体波矢量时，即可激发金属与介质表面长程传输的等离子体激元。这种作用可以把垂直照射的入射光转换成沿金属波导传输的电磁波，在金属波导周围产生强烈的局域化增强的光场。在光场分布上来看，金属表面可产生光场强度很强的光斑，范围可达数微米到几十微米。当染料太阳能电池的光阳极或其他太阳能电池的光伏材料处于这个光场范围之内时，太阳能电池吸收入射光的效率显然得到了加强。这种作用即意味着在不影响迎光面光伏材料对入射光的正常吸收的情况下，还尽可能多地利用透射后的太阳光，进一步增加太阳光的利用效率，对太阳能电池的光电转换效率有相当明显地改善。