[发明专利]一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池

说明书

本发明公开了一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，本发明的结构是：在硅太阳能薄膜电池硅有源层上下表面均设置有沿两个方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅，每个周期内有两个硅材料的光栅齿,以及两个材料为空气的光栅沟槽。通过调控硅有源层上下表面微纳二维多齿谐振光栅的结构尺寸、光栅齿位置以及光栅厚度，理论分析表明，该硅太阳能薄膜电池对入射光的吸收效率可达81.8%以上，这能使得硅有源层与太阳光之间的相互作用能力得到明显提升，从而能提高硅太阳能薄膜电池光电转化效率。

技术领域

本发明属于光学领域，具体为一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池。

背景技术

太阳能薄膜电池因其制作工艺相对简单，能耗低、体积小而倍受研究者的关注。然而，目前困扰太阳能薄膜电池一个重要的难题就是其光电转换性能问题。有研究表明，通过改进太阳能薄膜电池表面结构，可以提高其对太阳光的捕获吸收能力，使更多的光子参与光电转换过程，从而能提高太阳能薄膜电池的光电转换性能。这其中，因光栅结构简单、易于集成、制作工艺简便等优点，因而它常被置于太阳能薄膜电池表面，以降低太阳能薄膜电池表面光反射率，并通过光栅衍射效果来改善入射光在太阳能薄膜电池内部的传输光程，增强对太阳光子的吸收率。

由光栅衍射理论可知，常规均匀光栅（一个周期内光栅齿数为1）对入射光的偏振态、入射角度以及波长都较敏感，这使得常规均匀光栅在太阳能薄膜电池中的应用受到了限制，而与常规均匀相比，多齿光栅（一个周期内有2个或以上不等宽光栅齿）在设计自由度，控制光栅区域内光场分布，操控光栅中泄漏模的传输，实现宽谱、大角度响应等具有巨大优势，从而使得该结构可以实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收，能够获得光电转换效率的明显提升。

发明内容

根据上述内容，利用微纳多齿光栅独有特性，本发明设计了一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，得益于该双层微纳二维多齿谐振光栅，此硅太阳能薄膜电池可以实现对太阳光的宽带、大角度、全偏振的捕获与吸收，能够使得光电转换性能得到提升。

本发明采用的技术方案如下：一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，其特征在于：在薄膜电池硅有源层上下表面均设置有沿X、Y轴方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅（可使得硅有源层对入射光的吸收效率大大提高，增强了硅太阳能薄膜电池光电转化性能。），且每个周期内有两个硅材料的光栅齿,以及两个材料为空气的光栅沟槽，光栅层厚度沿Z轴方向。

① 硅有源层上表面微纳二维多齿谐振光栅：

沿X轴方向光栅周期为1200纳米(T_x1=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wx₁₁和wx₁₂),以及两个材料为空气的光栅沟槽(kx₁₁和kx₁₂)，且wx₁₁=130纳米，wx₁₂=54纳米，kx₁₁=306纳米，kx₁₂=710纳米；

沿Y轴方向光栅周期为1200纳米(T_y1=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wy₁₁和wy₁₂),以及两个材料为空气的光栅沟槽(ky₁₁和ky₁₂)，且wy₁₁=51纳米，wy₁₂=838纳米，ky₁₁=261纳米，ky₁₂=50纳米；

沿Z轴方向光栅厚度为340纳米；

② 硅有源层下表面微纳二维多齿谐振光栅：