專利名稱：基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種光伏器件及其制備方法，尤其涉及一種利用超穎材料結構提升光吸收效率的薄膜太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域。
背景技術：
太陽能電池一直以來被視為下一代清潔能源，在全球范圍內引發了學術界和產業界極大的持續關注。然而目前太陽能電池光轉換效率和電池成本的性價比還遠高于煤、石油等其他能源，限制了其大規模的應用。第一代的晶硅太陽能電池利用近200微米厚的單晶或多晶硅片保證足夠的光吸收，使得材料成本占到了電池成本的近一半，不可避免的降低了性價比。第二代的薄膜太陽能電池只有幾個微米厚，大大降低了成本，然而由于光吸收層太薄，無法完全吸收入射光，從而其獲得的光轉換效率非常低。因此，開發同時具有低成本和高光吸收效率的增效方法是當前太陽能電池產業發展的關鍵技術。 最近基于無序金屬納米顆粒或金屬光柵的太陽能電池光吸收增強方法(參閱 CN101692469A、CN101937939A、CN102157627A 及 CN202094161U 和申請號為2011110373472.8的發明專利申請等)受到關注，此技術主要依賴于表面等離子體共振引起的近場放大效應和耦合表面波效應，因而光吸收增強的頻譜帶寬受到共振原理的限制，無法獲得寬帶吸收增強。此外，無序且形狀不規則的金屬納米顆粒引起的光吸收增強具有較差的可控性和重復性，在太陽能電池大規模的產業應用中具有不利因素。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池及其制備方法，其通過優化設計金屬平面電極層、有源層和納米結構電極層構成的超穎材料結構，實現對超穎材料結構有效電磁參數的調控，進而達成在太陽能電池光照表面的阻抗全匹配和背面的完全反射，獲得寬帶光譜范圍內近100%的光吸收。為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案
一種基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，包括從下至上依次形成在襯底上的金屬平面電極、至少一有源層、至少一納米結構電極層、透明導電薄膜和透明保護層，其中，所述納米結構電極層包括二維導電材料納米周期結構。作為優選方案之一，它包括交替設置的復數有源層和納米結構電極層。作為優選方案之一，對于主要由所述金屬平面電極層、有源層和納米結構電極層
構成的超穎材料結構,其阻抗Z等于或接近376. 7 Ω ,其中，Z, ε、μ分別為超
穎材料結構的介電常數和磁導率。進一步的，所述二維導電材料納米周期結構的周期為200_400nm，厚度為50_200nm。進一步的，所述金屬平面電極包括至少一層連續金屬薄膜，所述金屬薄膜的厚度為 50_300nm。進一步的，所述有源層厚度為50-200nm，并且所述有源層的厚度與納米結構電極層的結構相關聯，而且，通過電磁場數值分析方法優化超穎材料結構的介電常數ε和磁導率μ，使得超穎材料結構的阻抗Z等于或接近于376. 7 Ω。進一步的，所述二維導電材料納米周期結構包括一種以上周期單元，所述周期單元為一種簡單單元或在不同光譜范圍內具有光吸收增強效應的兩種以上簡單單元的組合。作為優選方案之一，所述二維導電材料納米周期結構包括在器件平面內和/或垂直于器件平面方向嵌套設置的兩種以上周期單元。作為可實施的方案之一，所述二維導電材料納米周期結構包括四方晶格或三角晶格。如上所述基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的制備方法，包括依次在襯底上 形成金屬平面電極層和有源層，其后，在有源層上形成導電材料薄膜，再通過微納加工方法制作形成納米結構電極層，而后，在納米結構電極層上依次形成透明導電薄膜和透明保護層。進一步的，如上所述基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的制備方法可以包括如下步驟
(1)在襯底上通過金屬薄膜沉積的方法制備金屬平面電極層；
(2)在金屬平面電極層上通過有源層制備方法制備有源層；
(3)在有源層上通過薄膜沉積和微納加工方法制作納米結構電極層；
(4)在納米結構電極層上通過介質薄膜沉積方法制備透明導電薄膜和透明保護層。與現有技術相比，本發明的優點在于通過在薄膜太陽能電池中構建由金屬平面電極、有源層和納米結構電極層組成的超穎材料結構，獲得對結構有效電磁參數的可控，從而通過優化設計可實現表面的阻抗完全匹配和透射的完全抑制，最終獲得近100%的陷光方案。因此，它具有更高的光吸收效率、更高的可控性和更大的設計自由度，而且適用于各類薄膜太陽能電池。尤其是通過引入復合單元結構、多周期結構、疊層結構等設計，可以進一步擴大光吸收增強帶寬，更有效的利用全太陽光譜的入射光。


為了更好的說明本發明的目的，以下結合附圖詳細說明如后，其中
圖I為本發明基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的縱向剖面 圖2為本發明一可選實施方案中基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的俯視 圖3為本發明另一可選實施方案中基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的俯視 圖4為本發明再一可選實施方案中基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的俯視 圖5為本發明又一可選實施方案中基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的俯視圖。
具體實施例方式本發明的一個方面在于提供一種基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其從下至上依次包括襯底、金屬平面電極、有源層、納米結構電極層、透明導電薄膜和透明保護層。其中，金屬平面電極層、有源層和納米結構電極層構成亞波長超穎材料結構，通過電磁場數值分析方法優化超穎材料結構的介電常數ε和磁導率μ，使得超穎材料結構的阻抗Z = φφ等于或接近于376. 7 Ω，從而獲得表面的阻抗匹配，抑制反射損耗，獲得近100%完全陷光。前述納米結構電極層是二維的納米周期結構，既作為超穎材料的表面電磁阻抗匹配層，又作為電極層。前述納米結構電極層的材料可選自金屬和高摻雜的過渡金屬氮化物等。前述不同結構的納米結構電極層結合不同材料有源層可以在器件平面內和/或垂直于器件平面方向嵌套級聯，從而擴大光吸收增強的波段范圍，并適合多結太陽能電池。前述襯底包括玻璃、不銹鋼等，用于支撐太陽能電池結構。前述金屬平面電極是一層連續的金屬薄膜，厚度50_300nm，它既作為電極，又作為 光反射層。前述有源層可以是非晶硅/微晶硅、有機聚合物、量子點、化合物半導體和染料敏化電池等各類現有太陽能電池已應用的光吸收和載流子產生層材料，厚度為50-200nm。前述納米結構電極層是由導電材料形成的二維納米周期結構，周期為200_400nm，厚度為50-200nm，例如，該周期結構可以是四方晶格、三角晶格等各類二維周期結構。前述納米結構電極層既作為超穎材料的表面電磁阻抗匹配層，又作為電極層。前述納米結構電極層中的納米結構的每一個周期單元可以是簡單單元也可以是復合單元，復合單元是幾個在不同光譜范圍具有光吸收增強效應的簡單單元結構的疊加，且不同單元的周期一致，進一步擴大超穎材料完美吸收的帶寬。前述納米結構電極層中的納米結構可以是多周期結構，不同周期的單元嵌套起來，進一步擴大超穎材料完美吸收的帶寬。前述納米結構電極層可以在垂直于層的方向依次的多次疊加,構成一個垂直于器件平面方向級聯的超穎材料結構；通過將具有不同太陽光譜吸收帶的材料在垂直于層的方向疊加形成多結電池結構，用以提高全太陽光譜光吸收效率并增加輸出電壓；同時不同層的納米結構電極層包含針對其下有源層光吸收帶對應優化設計的納米周期結構，使得級聯的超穎材料結構具有寬帶光吸收特性。前述透明導電薄膜可以是ITO等材料，用以提高載流子捕獲效率，其厚度可以為50-100nm。對于垂直于器件平面方向級聯的超穎材料結構，透明導電薄膜僅出現在最靠近光照表面的納米結構電極層之上。前述透明保護層是對太陽光譜透明的介質材料，例如寬禁帶的金屬氧化物TiO2,SiO2等，厚度可以為3-10nm。前述金屬平面電極層和納米結構電極層中所涉及的金屬材料可以選自金、銀、鋁、銅等。作為本發明的另一個方面，前述基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的制備方法可以包括如下步驟
(1)在襯底上通過金屬薄膜沉積的方法制備金屬平面電極層；
(2)在金屬平面電極層上通過有源層制備方法制備有源層；
(3)在有源層上通過薄膜沉積和微納加工方法制作納米結構電極層；(4)在納米結構電極層上通過介質薄膜沉積方法制備透明導電薄膜和透明保護層。進一步的，前述步驟(I)中的金屬薄膜沉積方法為熱蒸發、磁控濺射或電子束蒸發等物理沉積方法。進一步，前述步驟(2)中的有源層可以是非晶硅/微晶硅、有機聚合物、量子點、化合物半導體或染料敏化多孔材料等；不同材料體系的有源層中包括同質或異質的Pn結，以實現光生載流子的分離。進一步，前述步驟(2 )中的有源層制備方法針對不同有源層材料有所不同，包括化學氣相沉積(硅材料)、旋涂(有機聚合物、量子點、染料敏化多孔材料)或外延/鍵合(化合物半導體)等方法。進一步，前述步驟(3)中的微納加工方法，包括光刻/剝離、光刻/刻蝕或納米壓 印等方法。進一步，前述步驟(4)中的介質薄膜沉積方法為磁控濺射、化學氣相沉積等方法。進一步，前述步驟(3)中的薄膜沉積方法為上述提到的金屬薄膜沉積方法和介質薄膜沉積方法。不同于以前基于無序金屬納米顆粒或金屬光柵的光吸收增強方法，本發明中利用的超穎材料結構不依賴于表面等離激元光學效應，而是通過在亞波長尺度下構建優化的多層金屬/介質結構獲得電磁參數的調控，實現表面的阻抗完全匹配和透射的完全抑制，從而獲得近100%的陷光方案。下面結合一較佳實施例及相關附圖對本發明的技術方案進行詳細說明
參閱圖I所示系本實施例基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池縱向剖面圖，其包括襯
底11、金屬平面電極層22、有源層33、納米結構電極層44、透明導電薄膜55和透明保護層66，圖中fif頭A所不系入射光。該基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的制備工藝包括首先在襯底11上通過金屬薄膜沉積法制備金屬平面電極層22，其中金屬平面電極層22可以是金、銀、鋁和銅，優選銀，因為其損耗最小。金屬平面電極層22厚度要保證對透射光有足夠的抑制作用，同時保證良好的電極特性，厚度為50-300nm。然后在金屬平面電極層22上制備有源層33，此層包括Pn結，是光吸收層，也是光生載流子產生層。根據材料體系不同，有源層33可以是非晶硅/微晶硅、有機聚合物、量子點、化合物半導體或染料敏化多孔材料等。對于硅材料，采用化學氣相沉積法；對于有機聚合物、量子點和染料敏化多孔材料，采用化學合作方法制作出固體材料，隨后分散到溶液，并采用旋涂的方法制備到金屬平面電極層22上。利用數值計算方法優化有源層33厚度和納米結構電極層44結構參數，獲得最小的太陽光譜光反射和光透射損耗，這里的結構包括復合單元結構、多周期結構、級聯結構等。最后在器件表面沉積透明導電薄膜55和透明保護層66。參閱圖2所示(略去透明保護層和透明導電薄膜，下同)，作為一種可選的實施方案，前述納米結構電極層44是二維的周期結構(兩個垂直方向周期分別為/71和/72)，可以是四方晶格、三角晶格等，單元結構可以是圓孔、圓盤、方形孔、直條、網格等。參閱圖3所示，作為另一種較佳的實施方案，前述納米結構電極層44可以是復合單元的二維周期結構。每個單元由不同簡單單元組成，也可以看作是相同周期的簡單單元二維周期結構嵌套形成。
參閱圖4所示，作為再一種較佳的實施方案，前述納米結構電極層44可以是多周期的二維結構，由不同周期的二維周期結構嵌套形成(兩個垂直方向周期分別為/71和/72，
和/ 4)。參閱圖5所示，作為又一種較佳的實施方案，該基于超穎材料的多結薄膜太陽能電池的有源層33和納米結構電極層44可以在垂直于器件平面方向依次重復疊加形成多層超穎材料結構，進而構成多結太陽能電池。每一有源層33材料可以具有不同的太陽光譜吸收帶，例如有源層33-1為窄帶隙的微晶硅，有源層33-2為寬帶隙的非晶硅，有源層33-3可為更寬帶隙材料；每一層納米結構電極層44可以具有不同結構，針對性的優化設計使得相應波段的太陽光主要局域在下面緊臨的有源層中，例如納米結構電極層44-1將最低能量的入射光局域在有源層33-1內，納米結構電極層44-2將中等能量的入射光局域在有源層33-2內，納米結構電極層44-3將最高能量的入射光局域在有源層33-3內。
本發明所揭示的乃較佳實施例的一種或多種，凡是局部的變更或修飾而源于本發明的技術思想而為熟習該項技術的人所易于推知的，俱不脫離本發明的專利權范圍。
權利要求
1.一種基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，它包括從下至上依次形成在襯底上的金屬平面電極、至少一有源層、至少一納米結構電極層、透明導電薄膜和透明保護層，其中，所述納米結構電極層包括二維導電材料納米周期結構。
2.根據權利要求I所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，它包括交替設置的復數有源層和納米結構電極層。
3.根據權利要求I所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，對于主要由所述金屬平面電極層、有源層和納米結構電極層構成的超穎材料結構，其阻抗Z等于臟376.7Ω，其中，2 =羅U分別為超穎材料結構的介電獅磁導率。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，所述二維導電材料納米周期結構的周期為200-400nm，厚度為50_200nm。
5.根據權利要求4所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，所述納米結構電極層的材料至少選自金屬和高摻雜的過渡金屬氮化物中的任意一種。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，所述有源層厚度為50-200nm。
7.根據權利要求1-3中任一項所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，所述二維導電材料納米周期結構包括一種以上周期單元，所述周期單元為一種簡單單元或在不同光譜范圍內具有光吸收增強效應的兩種以上簡單單元的組合。
8.根據權利要求7所述的基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池，其特征在于，所述二維導電材料納米周期結構包括在器件平面內和/或垂直于器件平面方向嵌套設置的兩種以上周期單元。
9.如權利要求1-8中任一項所述基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括依次在襯底上形成金屬平面電極層和有源層，其后，在有源層上形成導電材料薄膜，再通過微納加工方法制作形成納米結構電極層，而后，在納米結構電極層上依次形成透明導電薄膜和透明保護層。
10.如權利要求9所述基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于，它包括如下步驟 (1)在襯底上通過金屬薄膜沉積的方法制備金屬平面電極層； (2)在金屬平面電極層上通過有源層制備方法制備有源層； (3)在有源層上通過薄膜沉積和微納加工方法制作納米結構電極層； (4)在納米結構電極層上通過介質薄膜沉積方法制備透明導電薄膜和透明保護層。
全文摘要
一種基于超穎材料結構的薄膜太陽能電池及其制備方法。該電池主要由襯底、金屬平面電極層、有源層、納米結構電極層、透明導電薄膜和透明保護層組成；其制備方法包括依次在襯底上形成金屬平面電極層和有源層，其后在有源層上形成導電材料薄膜，再加工形成納米結構電極層，而后在納米結構電極層上依次形成透明導電薄膜和透明保護層。本發明通過將金屬平面電極層、有源層和納米結構電極層構成超穎材料結構，可獲得有效電磁參數的調控，從而獲得近100%完全陷光，尤其是通過將不同結構的納米結構電極層結合不同材料的有源層在器件平面內和/或垂直于器件平面方向嵌套級聯，可以進一步擴大光吸收增強的波段范圍，并適合多結太陽能電池。
文檔編號H01L31/18GK102881728SQ20121036956
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者陳沁 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所