[发明专利]一种光吸收复合结构及其应用

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池表面减反系统领域，更具体地，涉及一种光吸收复合结构及其应用。

背景技术

太阳能电池是一种可以直接将太阳能转换成电能的装置，随着能源及环境问题的凸显，光伏发电技术的应用变得越来越广泛。太阳能电池的应用可以追溯到20世纪50年代，太阳能电池的材料、结构及工艺等均会影响到光能的吸收及向电能的转换，经过半个多世纪的发展，太阳能电池的类型已经有很多，且其吸收率及转换率也有了较大的提高。转换率的提高是太阳能电池的技术关键，可以从材料及结构等方面提高太阳能电池对光的吸收率及光电转换率。其中，微纳米技术在太阳能电池上的应用，极大地促进了光的吸收率。

硅材料太阳能电池的成本较低，且易于加工，因此，在实际应用中太阳能电池大量采用硅材料。锗材料有较大的电子和空穴的迁移速率，且其禁带宽度比较小,有利于发展低电压器件，施主/受主的激活温度远低于硅,有利于节省热预算等。为了提高太阳能电池的吸收率，研究人员提出了各种具有较高吸收率的微纳米结构，并将其应用到太阳能电池的表面。二维光栅和纳米柱是太阳能电池中最常用的两种表面结构，并且研究人员已对其光学性能做了大量的研究。

硅材料的光栅结构或纳米柱结构的太阳能电池存在多种问题：一、简单光栅的光学吸收率较小，且吸收率随波长的变化具有较大的波动；二、一维简单光栅在TE波下的吸收率比TM波下的小得多，即对TE波敏感；三、为了保证高吸收率，纳米柱的轴向长度必须很长，一般都是微米级别，这使得成本提高，且结构的稳定性下降。四、硅材料本身的电子和空穴迁移速度较低，难以满足更高性能器件的需求。五、硅材料禁带宽度较大，不能吸收较低能量的光子。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光吸收复合结构及其应用，能够有效解决硅太阳能电池光吸收率不高的问题，并提高太阳能电池内部的电子和空穴的迁移速率，提高光电转换效率，该复合结构能够降低纳米柱的制备成本，提高复合结构的整体稳定性；此外，通过调节该复合结构内部二维光栅和纳米柱阵列的排列组成方式，能够调控硅太阳能电池表面的光吸收率，减小由于光波段不同造成的光吸收率的波动。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光吸收复合结构，其特征在于，该复合结构包括硅基底及设置在硅基底上的多个光栅纳米柱结构，并且这些光栅纳米柱结构呈行列分布，其中，

每个所述光栅纳米柱结构均包括二维光栅和纳米柱，其中，所述二维光栅呈长方体形状并且所述纳米柱均呈圆柱形，所述纳米柱的中心线经过所述二维光栅的中心点，所述二维光栅的底面与所述硅基底的顶面接触并且这两个面固定连接在一起，所述二维光栅的顶面与所述纳米柱的底面接触并且这两个面固定连接在一起；

每行光栅纳米柱结构中，相邻两个纳米柱的中心线的间距相等并且该间距均为Λ；每列光栅纳米柱结构中，相邻两个纳米柱的中心线的间距相等并且该间距也均为Λ；

每行光栅纳米柱结构中，相邻两个二维光栅的中心点的间距相等并且该间距均为Λ；每列光栅纳米柱结构中，相邻两个二维光栅的中心点的间距相等并且该间距也均为Λ。

优选地，每个所述二维光栅的长度W均为85～95nm，宽度B均为85～95nm，高度h均为65～75nm，并且W＝B。

优选地，每个所述纳米柱的直径d均为55～65nm，高度L均为95～105nm。

优选地，Λ＝95～105nm。

优选地，所述硅基底为本征单晶硅。

优选地，所述复合结构的二维光栅的材料为本征单晶硅。

优选地，所述复合结构的纳米柱部分的材料为锗。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种硅太阳能电池，其特征在于，包括光吸收复合结构。

优选地，所述硅太阳能电池为单晶硅太阳能电池。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)复合结构对光子的吸附表面积增大，更多的光子可以被复合结构捕获；

(2)复合结构的表面更加复杂，光子在结构内部可以进行更强的多次反射、衍射和吸收；

(3)复合结构是由二维光栅和纳米柱两种结构组成，可以形成多种效应，增强了其对太阳光的吸收性能；

(4)复合结构的高度为170nm，纳米柱阵列内的单一纳米柱(即对应一个圆柱体)的轴向长度则更小，因此该结构的稳定性较好；

(5)复合结构的纳米柱部分采用的锗材料，可以提高太阳能电池内部的电子和空穴的迁移速率，及光电转换效率；