[发明专利]一种双层周期不匹配旋转矩形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池

说明书

本发明公开了一种双层周期不匹配旋转矩形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池，其包括从上至下依次设置的AZO抗反射层、单晶硅吸收层、SiO₂钝化层和Ag背反射层，在单晶硅薄膜太阳能电池中还设置有上旋转矩形光栅层和下旋转矩形光栅层。本发明的单晶硅薄膜太阳能电池通过引入上密下疏的双层周期不匹配旋转矩形光栅结构，提高了光吸收率、减小了光反射率，通过诱导光散射、光衍射、光波导模式和局部表面等离激元共振等多种模式提升了光捕获效果。

技术领域

本发明涉及单晶硅薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种用于提升太阳能电池光捕获能力的双层周期不匹配旋转矩形光栅结构。

背景技术

考虑到非再生能源的紧缺，清洁能源一度扮演着不可或缺的角色，其中太阳能电池的研究在这一领域占据着重要地位。在光伏市场中，单晶硅太阳能电池的光吸收效果较好，但相比于其他太阳能电池它的材料成本较高，故而降低单晶硅活性层的厚度仍然是这个行业的研究热点问题。由于c-Si材料具有较宽的吸收带和间接带隙的特点，活性层的厚度与少数载流子扩散长度相当的太阳能电池一般支持很少的光波导模式，特别是在近红外区域内，由于缺乏共振导致光耦合到这些波导模式的光捕获方案效果不佳。

为了增加共振从而增强光吸收效率，研究人员设计了多种光捕获纳米结构，例如活性层表面纹理结构、Ag纳米粒子结构、双层金字塔型结构、双层余弦型光栅结构以及双层周期不匹配光栅结构等。研究发现通过在吸收层的上层设置光栅结构诱导入射光发生散射以不同的角度进入吸收层，能够提升光的有效传播路径。另一方面，在很多薄膜太阳能电池中，吸收层的下层与相应的金属表面相邻，表面区域自由电子和光子相互作用形成电磁模式，也就是局部表面等离激元共振(LSPRs)。

在薄膜太阳能电池的研究中，设计不同的光栅结构来提升光捕获效果，并通过多个参数的优化来得到最优结构以达到更高的短路电流密度，具有重要的研究意义。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题，本发明提供了一种双层周期不匹配旋转矩形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

一种双层周期不匹配旋转矩形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池，其特点在于：所述单晶硅薄膜太阳能电池包括从上之下依次设置的AZO抗反射层、单晶硅吸收层、SiO₂钝化层和Ag背反射层；在所述单晶硅薄膜太阳能电池中还设置有上旋转矩形光栅层和下旋转矩形光栅层；

所述上旋转矩形光栅层是以构成光栅结构的各截面呈矩形的单晶硅条绕其中心逆时针旋转角度R₁而获得，且各单晶硅条的旋转最高点与所述AZO抗反射层的上表面平齐；旋转后，各单晶硅条部分嵌入在AZO抗反射层中、部分与单晶硅吸收层呈一体结构且不超出单晶硅吸收层的下表面；

所述下旋转矩形光栅层是以构成光栅结构的各截面呈矩形的Ag条绕其中心逆时针旋转角度R₂而获得；旋转后，各Ag条部分嵌入在单晶硅吸收层中且不超出单晶硅吸收层的上表面、部分穿过SiO₂钝化层并与Ag背反射层呈一体结构且不超出Ag背反射层的下表面。

进一步地：所述单晶硅条截面矩形的宽度为W₁、高度为H，所述上旋转矩形光栅层的光栅周期为Q₁、占空比为ω_dc1，W₁＝Q₁×ω_dc1，AZO抗反射层的厚度T_AZO满足式(1)：

所述Ag条截面矩形的宽度为W₂、高度为H，所述下旋转矩形光栅层的光栅周期为Q₂、占空比为ω_dc2，W₂＝Q₂×ω_dc2；Q₂＝m×Q₁，m＞1。