[发明专利]一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及薄膜(有机或者是无机)太阳能电池。

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。

在太阳能电池的基底上刻蚀上金属条纹-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功能层薄膜加上上、下两层电极制备成太阳能电池，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。为了增加薄膜太阳能电池对光的吸收利用，目前通常在电极上增加了金属颗粒（能够散射太阳光，图1,其中黑色部分为金属）和金属周期型（能够反射太阳光，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。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。

最重要的是，在这些利用金属纳米颗粒或者是金属天线的电极设计中，虽然能将功能层的吸收率提高1-2倍以上，但是由于其中金属成分是非连续的，所以金属颗粒和天线组成的薄膜都不导电，不能直接用来作为太阳能电池的电极。在实际应用中是把这些纳米结构制备到一层导电膜（金属或者ITO薄膜）上，并且进一步把这个整体的复合膜作为电极。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于：其包括上层、中间层和下层，中间层是半导体功能层，半导体功能层上、下表面设置上层和下层，上层和下层为黑色的超材料电极，超材料电极是由十字交叉的金属光栅结构组成，上层和下层的金属光栅结构对称设置，金属光栅的光栅之间为介质，纵向排列的金属条的厚度We=70纳米,光栅周期Pe=190纳米，横向排列的金属条的厚度Wm=55纳米,光栅周期Pm=190纳米,半导体功能层的厚度H=50纳米，上层和下层金属光栅的金属条宽度L=60纳米，纵向排列的金属条的厚度We、纵向排列的光栅周期Pe、横向排列的金属条的厚度Wm、光栅周期Pm、金属条宽度L的数值选择在±5%内微调。

作为本发明的进一步改进，所述超材料电极是由十字交叉的银的光栅结构组成。

作为本发明的进一步改进，所述半导体功能层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，还包括基底，下层设置在基底上，所述基底为硅或者玻璃。

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，纵向排列的金属条的厚度We为67至73纳米，光栅周期Pe=181至199纳米。

作为本发明的进一步改进，横向排列的金属条的厚度Wm为53至57纳米,光栅周期Pm为181至199纳米。

作为本发明的进一步改进，半导体功能层的厚度H为48至52纳米。

作为本发明的进一步改进，上层和下层金属光栅的金属条宽度L为58至62纳米。

本发明的有益效果是：