一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池

摘要

一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，包括一个具有表面等离子激元增强特性的复合三维纳米微腔和一个PIN或NIP型薄膜太阳电池。其中具有表面等离子激元增强特性的复合三维纳米微腔由氧化物三维纳米结构与金属纳米颗粒构成；其中薄膜太阳电池包括无机薄膜太阳电池、有机薄膜太阳电池及由以上两种中至少一种构成的叠层太阳电池。本发明有益效果是：将金属纳米颗粒的表面等离子激元作用引入三维纳米微腔陷光结构中，获得具有定域化高能电场的纳米微腔结构，以增强光程拓展、提升光子剪裁与调制效果，获得良好陷光效果，并优化电荷收集性能，该结构能够获得提高电池有效光学吸收效率及降低光生载流子复合几率的良好效果，可应用于各类薄膜太阳电池中，利于电池光学及电学特性的同步提升。

权利要求

1.一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，包括一个具有表面等离子激元增强特性的复合纳米结构和一个PIN或NIP型薄膜太阳电池，其特征在于：所述薄膜太阳电池直接沉积于复合纳米结构之上，构成三维纳米微腔结构；所述表面等离子激元增强型纳米微腔的太阳电池具有显著的光吸收增强效果；复合纳米结构由氧化物三维纳米阵列与金属纳米颗粒构成，其中三维纳米阵列包括纳米柱、纳米锥、纳米球阵列中的至少一种，其中金属纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒中至少一种材料；其制备方法为：在透明玻璃衬底上制备一层单分散性SiO2小球，并在SiO2小球上附着纳米Ag颗粒，随后沉积一层透明导电ZnO:Al作为前电极，从而构成表面等离子增强型SiO2 NS/Ag NPs/ZnO:Al复合纳米结构，在SiO2 NS/Ag NPs/ZnO:Al复合纳米结构之上依次沉积p/i/n型功能薄膜材料，构成PIN型非晶硅薄膜太阳电池，在n型功能层上制备ZnO/Ag背电极。

2.根据权利要求1所述的表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，其中所述具有表面等离子激元增强特性的复合纳米结构有导电特性，能够实现电子或空穴的有效传输。

3.根据权利要求1所述的表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，其中所述薄膜太阳电池包括无机薄膜太阳电池、有机薄膜太阳电池及由以上两种中至少一种构成的叠层太阳电池。

说明书

一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池

技术领域

[0001] 本发明属于薄膜太阳电池领域，尤其是一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池。

背景技术

[0002] 太阳电池要成为未来主力能源形式，必须实现高效与低成本，其中薄层化一直是非常重要的发展趋势之一。此外，对于非晶硅薄膜电池，有源层厚度的降低，还有利于降低光致衰退效应，提升器件稳定性。而对于铜铟镓硒、碲化镉等化合物太阳电池，厚度的降低，可减少有毒及微量元素的使用量，同样有利于提升产业竞争力。然而材料的减薄，因其有限吸收系数（特别在带隙附近），则必须借助于高效的光管理结构，以薄的“物理厚度”获得厚的“光学厚度”，实现对太阳光子的有效吸收。

[0003] 随着对太阳电池研究的深入，人们逐渐认识到高效光管理结构的重要性。近年来基于三维纳米微腔结构的太阳电池因其优异的性能，受到越来越多的关注。入射光子可在三维纳米微腔结构界面处实现多重散射，为光子提供了多重入射路径，大大降低了有源层吸收特性与入射角分布间的束缚关联，可在宽光谱范围内获得高吸收性能，参见文献：M. D. Kelzenberg, S. W. Boettcher, J. A. Petykiewicz, et al, Nature Mater. 9(2010) 239-44、J.Y. Jung, Z. Guo, S.W. Jee, et al, A strong antireflective solar cell prepared by tapering silicon nanowires, Opt. Express 18(2010) A286-92。此外，纳米尺度的金属结构，其表面大量的自由电子能够与光子相互作用产生持续的共有化振荡，将形成一种称之为表面等离子激元 (Surface Plasmon Polariton: SPP)的自由电子和光子的混合激发态，具有显著的远场与近场光电特性。一方面，利用纳米金属结构表面等离子激元的远场光学特性，通过与光子的远场耦合作用，激发出光子的光波导传输模式，已经获得薄膜太阳电池中的良好陷光特性，实现吸收限附件光子吸收的显著增强；另一方面，利用纳米金属结构的近场电学特性，激发的表面等离子激元能够改变周围空间的电磁场分布特性，从而获得有机太阳电池中电子传输层功函数的有效调控，实现电荷的高效输运，参见文献：H. A. Atwater, A. Polman Nature Materials 9 (2010) 205-213、S. Trost, T. Becker, K. Zilberberg, et al, Scientific Reports 5(2015) 
7765。

[0004] 基于此，本发明提出一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，提出将金属纳米颗粒的表面等离子激元作用引入三维纳米微腔陷光结构中，获得具有定域化高能电场的纳米微腔结构，以增强光程拓展、提升光子剪裁与调制效果，获得良好陷光效果，并优化电荷收集性能，该结构能够获得提高电池有效光学吸收效率及降低光生载流子复合几率的良好效果，可应用于各类太阳电池中，利于电池光学及电学特性的同步提高。

发明内容

[0005] 本发明目的旨在进一步提升太阳电池性能，提出一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，将纳米颗粒的表面等离子激元作用引入三维纳米微腔陷光结构，获得具有定域化高能电场的纳米微腔结构的太阳电池，该结构能够获得提高电池有效光学吸收效率及降低光生载流子复合几率的良好效果，可应用于各类薄膜太阳电池中，利于薄膜电池的光学及电学特性的同步提高。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，包括一个具有表面等离子激元增强特性的复合纳米结构和一个PIN或NIP型薄膜太阳电池，其特征在于：所述薄膜太阳电池直接沉积于复合纳米结构之上，构成三维纳米微腔结构；所述表面等离子激元增强型纳米微腔太阳电池具有显著的光吸收增强效果。

[0008] 所述具有表面等离子激元增强特性的复合纳米结构由氧化物三维纳米阵列与金属纳米颗粒构成，其中三维纳米阵列包括纳米柱、纳米锥、纳米球阵列中的至少一种，其中金属纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒中至少一种材料。

[0009] 所述表面等离子激元增强特性的复合纳米结构具有导电特性，可以实现电子或空穴的有效传输。

[0010] 所述薄膜太阳电池包括无机薄膜太阳电池、有机薄膜太阳电池及由以上两种中至少一种构成的叠层太阳电池。

[0011] 【附图说明】

[0012] 图1为表面等离子激元增强型纳米微腔结构太阳电池结构示意图。

[0013] 图2为实施例1中表面等离子激元增强型纳米微腔结构非晶硅薄膜太阳电池外量子效率测试曲线。

[0014] 【具体实施方式】

[0015] 实施例1:

[0016] 一种表面等离子激元增强型纳米微腔结构的太阳电池，结构如下：

[0017] 1）在透明玻璃衬底之上制备一层粒径为300 nm的单分散性SiO2小球，并在SiO2小球之上附着粒径为20 nm的纳米Ag颗粒，随后沉积一层厚度为500 nm的透明导电ZnO:Al作为前电极，使得整体结构的方块电阻达15 Ω/□。以上三种材料构成表面等离子增强型复合纳米结构。

[0018] 2）在SiO2 NS/Ag NPs/ZnO:Al复合纳米结构之上依次沉积p/i/n型a-Si:H材料，构成PIN型非晶硅薄膜太阳电池，厚度分别为15 nm / 250 nm / 15 nm。

[0019] 3）在n型a-Si:H之上制备ZnO / Ag背电极。

[0020] 应用结果显示：与仅具有平面ZnO:Al前电极的非晶硅薄膜电池相比，表面等离子激元增强型纳米微腔结构非晶硅薄膜太阳电池在350 nm - 800 nm波长范围内积分电流由2 2
11.64 mA/cm提升至14.07 mA/cm ，外量子效率提高20.87%，具有明显的光吸收及载流子收集增强效果。

[0021] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。