[发明专利]一种二维硅基微纳光子晶体太阳能电池

说明书

技术领域：

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种新型光子晶体太阳能电池结构，特别是一种具有光子禁带和慢光效应，厚度小、陷光好、光电转换效率高的二维硅基微纳光子晶体太阳能电池。

背景技术：

太阳能电池是一种将光能转换为电能的半导体器件，是太阳能利用的重要形式，按照基体材料分，太阳能电池可分为晶体硅太阳能电池、硒光太阳能电池、化合物太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池，目前应用广泛的是硅基太阳能电池，这是因为硅原料材料丰富，光电转换效率高，光电性能稳定性和可靠性高，加工工艺技术成熟，不含有毒元素，不对环境造成污染，市场接受程度高等因素决定的。影响太阳能电池效率的主要因素可以归结为两方面，光学损失和电学损失，其中最主要因素是光学吸收，要提高太阳能电池的转换效率，就要尽可能提高电池材料对太阳光的吸收。硅基太阳能电池的实质就是一个大型的PN结，对一般的硅材料(300K，E_g＝1.12eV)，其可利用的太阳光谱为300～1100nm，硅太阳能电池的光学能量损耗不仅在于能量小于晶硅能系的红外光子不能被利用，更是因为光子能量不能有效地用于光电转换。传统太阳能电池中，这两种效应会造成电池接近70％的能量损失，人们普遍认为太阳能电池的光转换效率最大为31％，所以硅太阳能电池研究的重点方向之一提高光电转换效率，特别是材料对光子的有效吸收方面；硅太阳能电池研究的另一个重点方向是降低成本。初期的硅太阳能电池衬底厚度较厚，现在硅衬底的厚度可以从350～400μm降低到150～200μm，英国BT公司实验证明：单晶硅太阳能电池降为175μm时，电池的效率没有附加损失。德国Fraunhofer公司制作的75μm厚的太阳能电池，效率仍可达到23.1％。而有研究指出，只要厚度大于50μm带有陷光结构的硅太阳能电池就有较好的转换效率。可见，如果采用适当的结构，可以在减少材料的厚度的同时，保证不降低硅太阳能电池的光电转换效率。但是，传统的太阳能电池厚度减少时，透射光的损失随厚度的减少而增加，理论计算表明，材料薄至50μm时，由于电池厚度的减薄，结构对长波光子的吸收效率收减低。只有采用陷光结构，才能保证电池的光电转换效率。除了电池进光面减反和前电极尽量少覆盖面积外，现有的陷光方式主要是在光线射入电池体内后，增加光在吸收层的路径，使吸收层的折射率大于其上下层织构材料，使没有吸收的光再次返回电池吸收层，进行二次吸收，分为三种方式：

(1)单层或多层的1/4波长减反膜，是根据薄膜相消干涉原理，降低特定波长的反射率，这类减反膜虽然制作成本低，但其反射波段较窄，且反射率随着光波入射角增加而大幅增加；

(2)梯度折射率减反膜，是在硅表面沉积一层折射率逐渐变化的减反膜，它可以在宽频谱、广入射角范围内实现很低的反射率，但此类减反膜制备成本高，且符合折射率要求的材料难以寻找；

(3)绒面减反膜，是将减反膜技术和表面制绒技术相结合，制备出具有绒面结构的减反膜，以实现1/4波长减反膜的作用，同时改变降低反射率随入射角增加而增加，但是这类减反膜需要物理、化学甚至微电子方法相结合，制备工艺较难控制，所以多数研究处于试验阶段。

最近，有研究提出硅纳米线(或硅孔)可能最有潜力、低成本、高效太阳能电池器件材料之一，硅纳米线可以增加光吸收，而且具有载流子只需扩散很短的距离就可达到结区等优点，但是现有研究多为一维结构的纳米太阳能电池结构，采用的机理也是通过漫反射陷光，有些研究提出了径向硅纳米线二维结构，但制作工艺复杂，也没有与光子晶体结构的禁带和慢光理论结合起来。因此，寻求一种新型光子晶体太阳能电池结构，使其具有光子禁带和慢光效应，厚度小，陷光好，光电转换效率高。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种厚度小、陷光好、转换效率高、结构稳定、便于加工和规模生产的新型二维硅基微纳光子晶体太阳能电池，将光子晶体的禁带特性、慢光特性等特点与硅纳米结构的优势相结合，采用圆弓形或椭圆散射元，通过模拟计算，设计太阳能电池结构，限制光的传播路径和传播方式，并通过前接触层对入射光减反、二维硅基微纳光子晶体太阳能电池结构进行有效陷光和光电转换、前电极和背电极为搭建电路做准备、背接触层对入射光增反几个方面有机结合，达到提高电池效率的目的。