[发明专利]底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池应用技术领域，尤其涉及一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池。

背景技术

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％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池，能够解决传统的太阳能电池光电转换效率较低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池，包括：

金属电极；

硅基薄膜，形成在所述金属电极表面；

周期性金属纳米颗粒，形成在所述金属电极和硅基薄膜的交界面。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述硅基薄膜的材料为单晶Si。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述硅基薄膜的厚度为100nm～500nm。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述金属电极的材料为Cu、Ag或Au。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒的周期为正方形。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒的周期长度为200nm～400nm。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒的材料为Cu、Ag或Au。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒的形状为圆柱体、半球体或圆球体。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒的直径为80nm～300nm。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒的高度为20nm～60nm。

进一步的，在上述底部具有金属纳米颗粒结构的硅基薄膜太阳能电池中，所述周期性金属纳米颗粒和硅基薄膜的形成方法为磁控溅射沉积方式。

与现有技术相比，本发明在太阳能电池中引入金属纳米颗粒结构，将金属纳米颗粒所激励的局域表面等离子体激元效应与太阳能电池的光电效应相结合，设计出一种底部具有金属纳米颗粒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底部的金属纳米颗粒处，会激励出局域表面等离子体激元(LSP)。局域表面等离子体激元的近场增强效应和光汇聚作用可以有效地增强硅基薄膜的光吸收能力，从而提高太阳能电池的光电转换效率。本发明具有结构紧凑、光电转换效率高的特点。

附图说明