[发明专利]一种底部具有金属凹槽结构的硅基薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池应用技术领域，更具体地，本发明涉及一种底部具有金属凹槽结构的硅基薄膜太阳能电池。

背景技术

随着纳米技术和纳米电子技术的快速发展,表面等离子体激元（Surface Plasmon polaritons,SPPs）在近年来成为一个新兴的研究方向。SPPs是当电磁波入射到金属与介质表面，在交界面处产生的表面电磁波振荡，其电场强度在金属表面最大，随着垂直于交界面的距离的增大而呈指数衰减。因此，SPPs是一种表面波，它的电磁场被约束在金属与介质交界面附近的范围内。SPPs具有增强透射效应，通过设计金属亚波长阵列的结构参数，即可以实现对特定频率点放大、对其它频率段滤波。此外，它还可以突破衍射极限，把电磁波约束在亚波长尺寸范围内传播。金属材质、亚波长结构及金属表面介质都会对SPPs产生影响，SPPs还具有二维空间（表面）传播的特性，这些都易于对其进行操控。目前，SPPs效应已经应用在滤波、波导传输、谐振腔、激光放大、传感和成像等多个领域。

太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特效应将太阳能转化为直流电能的光电器件，它通常也被称为光伏电池，太阳能电池单元是大面积光伏应用设施的基础。据国际能源组织估计，2012年世界光伏生产总量已经超过40千兆瓦（GW）,预计到2050年，光伏电池的发电量将会占到全球发电量的11%从而使得二氧化碳的全球排放量每年降低2.3亿吨（Gt）。目前，用来发电的半导体材料主要有：单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、多元化合物、有机半导体、氧化钛纳米晶、敏化染料等等。

由太阳能电池的工作原理可知，任何一种衬底材料的极限光电转换效率是考虑了自身本征特性（能带间隙）之后的理想效果，为了趋近其极限转换效率，应该做到以下两个方面：一方面是减少电学损失，即选择合适的衬底材料，采用高质量的制造技术（如低缺陷、低光生载流子的复合）和精细的器件结构设计（有利于光生载流子的产生、分离与收集）；另一方面是充分吸收太阳光谱中的能量，即充分利用每一个光子的能量，要求电池表面无反射损失及采用理想的陷光技术以达到最大光吸收。虽然砷化镓（GaAs）材料的吸收谱与太阳光谱（300nm～900nm）最匹配的，基于GaAs的单接面太阳能电池的极限光电转换效率最高，但考虑到它的毒性及加工技术的复杂性，一般将单晶硅、非晶硅等硅基材料作为研究的重点。

太阳能电池的成本、材料毒性、转换效率及应用波段等制约了其大规模推广。近年来提出的硅基薄膜太阳能电池是只有几百纳米厚度的半导体材料，它可以降低成本、减少原料消耗，便于大规模推广。但由硅材料的本征吸收特性可知，单晶硅在600nm～1100nm波段的吸收率较低（文献1，Harry A.Atwater and Albert Polman，表面等离子体激元增强光伏电池，自然材料，9（205），2010），其光电转换效率只有约10%。近几年，新西兰和澳洲的科学家提出在电池表面放置金属纳米颗粒阵列来有效地增强光的吸收。来有效的增加太阳光的入射能量，使得光在电池内部被多次反射，能量充分吸收，从而提高太阳能电池的转换效率。

本申请的发明人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，在太阳能电池中引入金属凹槽结构。将金属与介质交界面处激励的表面等离子体激元效应与太阳能电池的光电效应相结合，设计一种底部具有金属凹槽结构的硅基薄膜太阳能电池。当太阳光入射至该结构并穿透硅基薄膜到达太阳能电池结构底部，在硅基薄膜和金属电极上的周期性凹槽的交界面处激发出金属表面等离子体激元（SPPs）。SPPs具有二维空间（表面）传播的特性，波长满足SPPs矢量匹配条件的光会形成波导模式，沿硅基薄膜和金属凹槽交界面定向传播。通过设计金属凹槽的结构参数，即可以增加太阳光光谱中特定波长的光在硅基薄膜中的光程，增大光吸收，从而提高太阳能电池的光电转换效率。本发明所设计的太阳能电池结构具有结构紧凑、光电转换效率高的特点。

发明内容

本发明是针对现有技术中，所述传统太阳能电池光电转换效率较低的不足，提供一种结构紧凑、光电转换效率高的硅基薄膜太阳能电池。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种底部具有金属凹槽结构的硅基薄膜太阳能电池，其包括：具有周期性凹槽的金属电极以及硅基薄膜，其中所述硅基薄膜形成在具有周期性凹槽的金属电极表面，并且所述具有周期性凹槽的金属电极位于硅基薄膜底部。

优选地，所述硅基薄膜的材料为单晶Si。

优选地，所述硅基薄膜厚度在纳米级别。

优选地，所述硅基薄膜厚度为100nm～500nm。