[发明专利]一种二维硅基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，涉及一种新型的光子晶体太阳能电池结构，特别是一种蜂窝状团簇、六边形区域分割、厚度小、结构特性好、光子相对禁带较宽、前电极沿分割区域嵌入、遮光少、具有一定慢光效应、载流子光电转换效率高的二维硅基光子晶体太阳能电池。

背景技术：

太阳能作为一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的能源，是新能源开发的重要方面。世界气象组织公布的太阳常数是1367±4W·m^-2，每年到达地球表面的太阳能且便于人类利用的能量约为1.9×10²²J，这些辐射主要集中在可见光区域(400-750nm)。太阳能已在电力、交通、航海、航空等很多领域有广泛应用。2010年我国的太阳能电池产量已达到8000兆瓦，占全球产量的50％。2030年以后，常规的石化能源消费将逐渐减少，新能源的占比会逐步增大，到2050年新能源会成为能源消费的主流。

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等，影响太阳能光电转化效率的因素很多，例如材料厚度、电池接线、表面光的反射率等，具体包括以下因素：

(1)半导体材料因素：研究表明半导体材料的带隙宽度为E_g＝1.4eV时，太阳能电池具有最高的转换效率，由于硅材料300K时，带隙宽度为E_g＝1.12eV，而且其可利用的太阳光谱为300～1100nm，所以硅材料是一般太阳能电池首选的材料，另外，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；

(2)光强因素：光强对太阳能电池的转换效率有较大影响，通过增强光线投射或者聚光等方式，可以提高单位面积上的太阳能电池的输出效率。太阳能电池前表面的金属栅线不能透光，在结构表面，会降低光的利用率和短路电流，为了提高太阳能电池的转换效率，一般采用减少金属栅线占有面积的方法；

(3)光生载流子复合寿命：非平衡载流子产生后，不是稳定的，往往有复合发生。半导体材料的光生载流子复合寿命越长，短路电流就会越大，太阳能电池的转换效率就越高，一是在硅太阳能电池中，即使距离PN结在100μm处的光生载流子，只要其寿命大于1μs，也会被PN结收集，从而提高载流子的收集率；二是长寿命的光生载流子能够增大开路电压，从而提高太阳能电池的转换效率；

(4)表面复合速率：在半导体材料的表面，由于晶格结构的不连续性或者非本征杂质的影响，会在表面形成晶体缺陷和杂质能级，从而形成表面复合中心。半导体材料表面低的复合效率，会极大提高太阳能电池的短路电流，并使开路电压有所升高，从而提高太阳能电池的转换效率，现在多采用表面钝化层来降低表面复合速率；

另外，温度因素、串联电阻(金属栅线、体电阻和引线等都会产生串联电阻)等因素，也会对太阳能电池的转换效率产生影响，这些影响太阳能电池效率的主要因素又可以归结为光学损失和电学损失两方面，其中最主要因素是光学吸收，在传统太阳能电池中，这光学损失和电学损失两种效应会造成电池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％。而有的研究指出，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。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。