[发明专利]高效薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏器件，尤其涉及薄膜(有机或者是无机)太阳能电池的改进。

背景技术

氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜电极和其他掺杂透明导电电极－仅有导电功能，并且制备工艺要求比较高。

在太阳能电极的基底上增加单层金属（大小几十纳米）颗粒－仅仅利用颗粒的散射，对光的吸收增加能力有限。

在太阳能电池的背反射层刻蚀上金属网膜－仅仅提高了反射，将太阳光的路径增加一倍，但是对太阳光的束缚能力不强。

由于太阳能发电具有火电、水、核电所不能比拟的清洁性、安全性、资源的广泛和充足性等，使其成为21世纪各个国家主力开发的最美妙、最长寿、最有潜力和最可靠的新一代能源技术。

薄膜太阳能电池顾名思义就是将一层半导体异质结薄膜加上上、下两层电极制备而成，其使用的功能层（有机半导体或者无机半导体）极少，因此更容易降低成本。它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。然而到目前为止薄膜太阳能电池由于功能层比较薄，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半导体异质结对光能的吸收并增加其光电转换效率。为了增加薄膜太阳能电池对光的吸收和转换利用，目前已经有各种各样的办法。包括在背电极上增加了金属颗粒（以增加散射太阳光，图1，其中黑色部分为金属）和金属周期型（以增加反射太阳光，图2，其中黑色部分为金属）结构。

其中，利用随机分布的金属纳米粒子用作亚波长散射元素把平面太阳光波耦合和限制在吸收层中，比如利用在太阳能电池的表面随机散布的金属纳米颗粒多次散射入射太阳光，延长太阳光在功能薄膜层中的路径。但是纳米颗粒束缚光的能力比较差，对太阳光吸收率提高的程度仍然远远小于实际应用的需要，比如目前为止通过金属颗粒激发局域等离子体波的办法仅仅能将吸光效率提高1.7倍左右。

而利用金属纳米粒子用作亚波长天线，通过近场效应把局域等离子体波耦合到功能层，从而增加功能层的吸收截面。但是这种方式对制备的技术要求非常高，而且有效耦合到功能层的太阳光仅增加一倍左右。

在薄膜太阳能电池的电极刻蚀上金属光栅或者各种波纹，从而把太阳光耦合成金属和功能层界面处的等离子体基元，等离子基元会沿着界面传播并被功能层转化为光生载流子，从而增加其被功能层吸收的几率。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，但是对太阳光的束缚能力不强，效果并不佳。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种高效薄膜太阳能电池，太阳能电池的主体结构是由超材料组成，超材料结构由三层结构组成，其中上层和下层是金属光栅结构，金属光栅的光栅之间为介质，中间层是介质结构，其中上层的金属和下层的金属相互对准，上层的介质和下层的介质相互对准，中间层为半导体异质结，金属光栅的所有金属条的末端通过金属条连接起来，半导体异质结的厚度H为50-70纳米，金属光栅的金属条宽度Wd为55至65纳米，金属光栅周期p为140至160纳米，金属光栅的金属条厚度L为55至65纳米。

作为本发明的进一步改进，所述半导体异质结为有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。

作为本发明的进一步改进，所述上层和下层是金属光栅为银光栅。

作为本发明的进一步改进，上层的介质和下层的介质为空气或者是聚合物。

作为本发明的进一步改进，金属光栅的金属条厚度L的范围在58至63纳米之间。

作为本发明的进一步改进，金属光栅的金属条厚度范围是Wd范围在58至63纳米之间。

作为本发明的进一步改进，光栅周期p范围在145至155纳米之间。

作为本发明的进一步改进，半导体异质结的厚度H必须范围在55-65纳米之间。

作为本发明的进一步改进，还包括基底，所述下层设置在基底上。

本发明的有益效果是：

高效：该结构能够保证至少50%以上的入射太阳能背薄膜太阳能电池的功能层吸收利用转化成电能。

节能：该结构避免了剩余的入射太阳光在器件内部或者外部转换成热能，造成实际器件的不稳定。

节省材料：相比在薄膜太阳能电池的电极刻蚀上金属光栅或者各种波纹，本结构节省了一半的金属成分，并且很大的减轻了器件的重量，在实际应用和施工过程中带来了很大的轻便。

附图说明

图1是现有的金属颗粒作为背面电池上的散射源结构示意图；