一种天线太阳能电池及其制备方法

专利名称：一种天线太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种天线太阳能电池，进一步地说，是涉及一种利用宽频接收 天线实现光电转化的太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
太阳能电池是实现光能向电能转化的装置，其从诞生到今天已经有50多年 历史。从最早出现的硅太阳能电池，到近年来各种薄膜太阳能电池等，原理上 多是利用了半导体的光电效应。具体而言，利用光的粒子性，通过太阳光粒子 撞击半导体实现正负电荷分离。利用这种"撞击"效应的太阳能电池光电转化 效率比较低，单结电池理论效率一般低于33%。低效率、高成本是目前制约太 阳能电池普及的根本原因。光具有波粒二象性，太阳光也是电磁波，遍及紫外、红外和可见光，波长 主要分布在290 2300nm之间，且各向极化。设计一种利用光波动性、通过某 种天线机制吸收转化太阳光能的太阳能电池是一种新思路。根据天线原理，阻 抗匹配的情况下，天线可以实现高效的能量转化。目前国际上还没有出现真正意义的天线太阳能电池，但己有人提出过类似 观点。Bailey最早提出了使用天线收集太阳能的思想，并给出了基本模型(Bailey R丄.(1972) A proposed new concept for a solar energy converter. Journal of Engineering for power April, 73):其基本模型中低通滤波器用于整流器与天线之间的匹配调节，而直流滤波的作用是调节脉动式直流电，使之更加平缓，但Bailey未给出详尽的设计 方案。在解决高效接收太阳光的问题上，Kraus等给出的方案比较有代表性(Kmus J. D. (1988). Antennas, 2nd Ed， McGraw-Hill, New York),其天线系统由振子天线、整流 器、传输线、电极等构成。Marks在专利中也进行了详细的阐述和计算(Maries, United States Patent, App. No.330791 )。但由于纳米科技发展所限以及趋肤损耗等设计 难点尚未解决，长期以来有效的天线太阳能电池一直未曾出现。不过近年来一 系列实验进展不断证实了发展天线太阳能电池的可行性。Christophe Fumeaux等 人实验上证实了红外波段符合传统天线理论的天线效应(Christophe Fumeaux etc. Infrared Physics &Technol。gy 41(2000)271-281， p.27L)。 Y.Wang等人发i见了碳纳米管阵 列中的天线效应(Y. Wang .etc. Appl. Phys. Lett Vol.85, No.13, 27 September 2004, p.2607.)， 通过实验证实纳米级天线同样满足经典天线理论中半波谐振等规律，但没能够 进一步往能量利用的方向发展。Lin首次报道了人工构造的天线结构吸收光波的 实验现象(Guang H. Lin .etc. J. Appl. Phys. 80 (1)， 1 July 1996, p.565. )。 Avier Alda等人阐 述了将光天线应用于传感器上的思想(Javier Alda etc. Na加technology 16 (2005) S230—S234， S230-S234.)。在电磁波电场分量的激发下，天线向传输线输出交流电(AC),经整流器变 成脉动式直流输出(DC)，直流电极与外接匹配负载相连，最终实现能量的转移。 但考虑到极高频交流电经过传输线上由于趋肤效应等原因能量将很快损失殆 尽，按照传统思路的设计实际上是不可行的。JavierAWa也指出高频交流电经过 传输线的巨大损耗是设计这种天线太阳能电池目前遇到的一个突出难点(Javier Alda etc. The International Society for Optical ngineering,lO.l 117/2.1200602.0131)。就目前技术发展情况来看，设计这种天线太阳能电池需要克服的主要难点 有1在电池任意接收点尽可能接收遍布太阳光谱各波段的、非极化的入射光波； 2天线将自由传播的光波转变成导行的高频交流电，需要避免因趋肤效应等因素 造成的巨大能量损失；3选用具有相应响应频率的整流器并与天线系统融合；4， 匹配天线和整流二极管尺度为纳米量级，需要解决这种精细结构的加工问题。

发明内容
最新的纳米科技进展为天线太阳能电池的实现提供了有效工具。本发明给 出了克服现有技术难点的方法，利用相关天线原理以及纳米科技的最新进展给
出了一整套天线太阳能电池的设计方案，并通过CST2006进行了仿真处理，给 出了与太阳波谱契合的宽频接收天线单元以及一系列优化的参数和曲线，计算表明电池单元光电转化效率可达到67.3%。本发明解决了一系列天线太阳能电池 设计中的关键问题，如避免交流电趋肤效应损耗、与天线融合的MIM二极管的 精确加工方法等。本发明的目的是提供一种天线太阳能电池，该电池可实现较高的光电转化 效率。本发明的另一个目的是提供所述天线太阳能电池的制备方法。本发明针对现有技术中太阳能电池光电转化效率比较低的问题，采用宽频 天线作为接收天线来制备太阳能电池。电磁波(太阳光)入射到匹配的接收天 线系统后，能量将被有效吸收并传递给负载。本发明提供的一种天线太阳能电池，主要包括光电转化层和基底。所述基 底为表面可生长二氧化硅薄膜的非导电性材料，其表面与二氧化硅薄膜的附着 可达为1X106 N/cr^以上。优选为单面抛光的硅片，二氧化硅薄膜可生长在抛 光面上。基底的厚度和纯度没有特殊限制，只要适合在其表面生长二氧化硅薄 膜即可。所述光电转化层主要由电池单元阵列、主电极以及填充其间的二氧化硅构 成。所述电池单元阵列是由电池单元组成的并联阵列串联后再并联而成。其中 电池单元是由单个宽频接收天线和与其相邻的次级电极以及将次级电极与宽频 接收天线相连的桥式整流电路构成。其中电池单元阵列的电极分别与主电极相 连，并且和外接的辅助电极相连。领结形天线是一种基本的宽频天线。本发明所述的天线太阳能电池，其电 池单元中的宽频接收天线优选领结形天线。领结形天线的领结片材料为金属C。其领结角优选为60° 120°，更优选为80° 90°。单个领结片长度优选为150 500nm，更优选为200 300nm。两个领结片尖端之间的相对距离优选为10 30nm，更优选为10 20nm。领结形天线的厚度优选为50 150nm，更优选为 80 100nm。 以上所述的电池单元中次级电极为排布在领结型天线上下两侧的金属条， 次级电极延伸方向与领结型天线两个领结片尖端连线方向相一致。所述次级电极的金属条宽度为20 100nm，优选为30 60nm，厚度与所述领结型天线厚度 相同。所述领结形天线与相邻次级电极围成的区域内由次级电极金属条向空白 处延伸填充，次级电极与天线不接触，次级电极边缘与领结片边缘之间留有间 隙，间隙宽度为14 50nm,优选为14 30nm。所述次级电极材料同领结片材 料一致，亦为金属C。本发明突破传统设计思路，将通常电池单元中间的低通滤波器去掉，将以上 所述的桥式整流电路直接与所述宽频接收天线相连。表面上这种设计会造成阻 抗失配、效率降低的后果，但考虑到特定天线太阳能电池中的天线和负载已经 确定，通过调整相关阻抗参数，可以避免效率大幅降低。同时该设计为避免致 命的趋附损耗和批量加工与天线契合的具有足够响应频率的二极管提供了可 能。而避免趋附损耗和批量加工与天线契合的具有足够响应频率的二极管是以 往研究者对此类天线太阳能电池仅有探讨、无法给出可行性方案的主要原因。 由于天线太阳能电池的电池单元要处理极高频交流电，因此整流器需要有极高 的响应频率(1014 1015HZ)。本发明采用高响应频率的MIM隧穿二极管 (Metal-Insulatar-Metal Diode)构成电池单元中将次级电极与宽频接收天线相连 的桥式整流电路，所述宽频接收天线在输出端直接接有MIM二极管，从而避免 了极高频交流电经过传输线的趋肤损耗问题。具体来说，当宽频接收天线为所 述领结形天线时，其每个领结片尖端分别由两个MIM二极管同两侧的次级电极 相连接。目前这种二极管被广泛应用于通讯领域，响应频率遍及几个G到 150THZ (0. Acef, L. Hilico, M. Bahoura， F. Nez, P. De Natale, Optics Communications 109, 428-434, (1994); B.Berland "Photovoltaic Technologies Beyond the Horizon: Optical Rectenna Solar Cell", NREL/SR-520-33263, February 2003)，其结构是两侧由不同材质的金属层构成，中间夹有一薄层绝缘层。为达到必要的响应频率，本发明太阳能电池 中电池单元中MIM 二极管的金属层与绝缘层的接触面积小于等于400nm2，优
选为36 400nm2，更优选为250 260nm2。两金属层间的绝缘层厚度小于等于 5nm，优选为0.5 4nm。绝缘层材料选自现有技术中的各种绝缘材料，优选二 氧化硅。如上所述本发明的天线太阳能电池中，将每个宽频接收天线作为相应的MIM 二极管的一部分可以大大简化加工难度。进一步来说，在所述领结形天线的领 结片上表面生长有一层绝缘层，优选为二氧化硅。绝缘层厚度不超过5nm，优 选为0.5 4nm。每个领结片的尖端分别与两侧的次级电极之间桥搭有窄金属条， 所述窄金属条桥搭在次级电极金属上表面和天线领结片绝缘层的上表面。窄金 属条与天线领结片绝缘层的搭接部分面积为36 400m^，优选为250 260nm2。 窄金属条的宽度为6 43nm，优选为10 20nm;窄金属条厚度为20 100nm， 优选为30 50nm。由此，窄金属条、领结片以及与窄金属条接触的领结片上表 面绝缘层共同构成了 MIM二极管。所述电池单元中领结形天线的领结片尖端与 两侧相邻的次级电极之间共桥搭有四个所述窄金属条，同一次级电极一侧的窄 金属条材料相同，但同一电池单元不同次级电极连接的窄金属条材料不同，分 别为金属A和金属B。所述的金属A、 B、 C满足如下条件①电阻率均小于等 于lXl(y7Q.m;②三种金属材料的功函数关系符合f (A) >f (C) >f (B)或者 f (B) >f (C) >f (A)的条件。以上所述电极可选有现有技术中的导电材料，比如铜等。 一般主电极、宽 频接收天线及次级电极的材质相同，便于加工。以上所述的单个电池单元的输出电压、电流是比较小的，需要进行合理的 串、并联处理。本发明所述的天线太阳能电池，所述电池单元阵列由如下方式 构成先由若干个所述电池单元按照其次级电极延伸方向排布，并将相邻电池 单元的同侧次级电极连通，构成电池单元的并联阵列，电池单元并联阵列中， 两个相邻电池单元之间的间距为10 500nm，优选为30 100nrn;将以上所述 的若干个电池单元的并联阵列通过相邻阵列共享一条次级电极的方式按照垂直 于次级电极延伸方向排布而构成一个串联阵列，串联阵列的目的是防止输出电
压过小；再将以上所述若干串联阵列在主电极之间按照主电极延伸的方向排布并联后构成整个电池单元阵列，将部分串联阵列再并联的原因是防止输出过大 电压。串联阵列最外侧的两个次级电极同时也分别是该串联阵列的正、负电极， 其中串联阵列正电极一端与正主电极相连，串联阵列负电极一端与负主电极相连，电池串联阵列中的其他次级电极都不与主电极相连。所述电池单元阵列的 电池单元个数、串联阵列数没有具体规定，安全范围内不同的组合将对应不同 的输出电流、电压。以上所述串联阵列最外侧的作为阵列正电极的次级电极，其不与主电极相连的一端与外接的正辅助电极相连；所述串联阵列最外侧的作为阵列负电极的 次级电极，其不与主电极相连的一端与外接的负辅助电极相连。所述正负辅助 电极分别外接与正负主电极相连。外接的辅助电极主要用于降低串联阵列电极 的电阻损耗。由于太阳光是各向极化的，而本发明的光电转化层中，电池单元的天线只 能对应一个最大接收方向，不难得出，如果仅依靠这种单一水平结构，天线最 多只能吸收一半入射波能量。 一个有效的解决方案是构造上下平行相继，天线 延伸方向互相垂直的两个电池单元阵列，此结构可以实现太阳光的有效吸收转 化。故本发明所述的天线太阳能电池包括两层上下平行排布的所述光电转换层。 上下两层光电转换层的结构相同，其中电池单元阵列的电池单元排布方向互相 垂直。下层光电转化层上表面生长有一层介质薄膜作为保护膜，所述介质薄膜 光谱透明范围包含400 2300nm。所述介质薄膜由耐酸腐蚀、表面与二氧化硅 薄膜的附着力为lXl(^N/cm2以上的绝缘材料构成，优选为氟化镁、氟化铪、氟 化镧、氟化铝等中的至少一种。介质薄膜的厚度可以控制在50 2000nm。上层 光电转换层生长在下层光电转换层的保护膜上；将所述上下光电转化层的主电 极并联或串联后对外引出成为整个天线太阳能电池的正、负电极。本发明的天线太阳能电池在具体应用的时候优选配合聚光器使用。聚光器 会聚的太阳光照射在光电转化层中的电池单元阵列上，主电极和辅助电极不在
光照区域内。应当指出，满足本发明天线太阳能电池要求的MIM 二极管结构目前虽然实 验室条件下可以实现，但工业化批量加工、以及整合到所述宽频接收天线上颇 有难度，本发明利用最新的低成本的纳米压印技术，给出了批量加工此结构的 方法。本发明所述的一种天线太阳能电池的制备方法，包括以下步骤a. 备片选择所述表面可生长二氧化硅薄膜的非导电性材料作为基底，优选 为硅片。b. 在基底上表面生长一层二氧化硅薄膜，其厚度不小于所述宽频接收天线的 厚度。该生长二氧化硅薄膜的方法为现有技术的方法，如低压化学气象电 积法(LPCVD)、平板型等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、分子束 外延法(MBE)等。c. 通过纳米压印的方法在二氧化硅层上加工所述主电极、电池单元阵列中宽 频接收天线和次级电极的图形。d. 在上述步骤得到的相应图形位置上腐蚀掉多余的二氧化硅，在腐蚀掉二氧 化硅的位置生长金属C，金属C的厚度同所述宽频接收天线的厚度，形成 所述的主电极、宽频接收天线和次级电极。其中腐蚀的方法可采用现有技 术中的腐蚀方法，如缓冲氢氟酸法(Buffer HF)等。生长金属C的方法 可采用现有技术中的方法，如溅射法、电镀、无电镀、蒸发法等。e. 在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述绝缘层，优选为二氧化硅； 厚度同所述MIM二极管绝缘层的厚度一致。生长绝缘层的方法，可采用 现有技术的方法，如低压化学气象电积法(LPCVD)、分子束外延法(MBE) 等。f. 通过纳米压印法区别出所述次级电极位置，将次级电极上表面的绝缘层腐 蚀掉。腐蚀方法同上所述。g. 在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述厚度的金属A的薄膜，通过 纳米压印法区分出构成材料为金属A的窄金属条图形位置，将该图形以外
其余部分的金属A薄膜腐蚀掉得到如下结构金属A构成的窄金属条一 端搭接在宽频接收天线上表面的绝缘层上，另一端搭接在宽频接收天线一 侧的相邻次级电极金属表面上。生长金属A的方法同上述生长金属C的 方法。腐蚀方法采用现有技术中腐蚀金属A的方法。h. 在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述厚度的金属B的薄膜，通过 纳米压印法区分出构成材料为金属B的窄金属条图形位置，将该图形以外 其余部分的金属B薄膜腐蚀掉得到如下结构金属B构成的窄金属条一端搭接在宽频接收天线上表面的绝缘层上，另一端搭接在宽频接收天线另一侧的相邻次级电极金属表面上。生长金属B的方法同上述生长金属C 的方法。腐蚀方法采用现有技术中腐蚀金属B的方法。i. 通过双层铜互连的方法将以上所述电池单元阵列中串联阵列的正电极不 与主电极相连的一端连通，连通后引出外接连线与所述的正辅助电极相 连；通过双层铜互连的方法将以上所述电池单元阵列中串联阵列的负电极不与主电极相连的一端连通，连通后引出外接连线与所述的负辅助电极相 连。为了更好的吸收太阳光能量，本发明提供的天线太阳能电池的制备方法中， 优选在所述步骤i完成之后将所得制品的上表面生长一层所述介质薄膜做为下 层光电转化层的保护膜，之后重新按照步骤b i的方法生长所述上层光电转化 层。将所述上下光电转化层的主电极并联或串联后对外引出成为整个天线太阳 能电池的正、负电极。本发明的天线太阳能电池，通过采用纳米尺度宽频天线接收太阳光，并激发交流电经MIM二极管构成的整流电路后变成脉动式直流输出，能量流入负载。 具有相应响应频率的MIM 二极管与天线系统的直接融合避免了因趋肤效应等因 素造成的巨大能量损失。天线具有较宽的带宽，可以涵盖大部分太阳光波段。 单个电池单元输出的电压可以通过感应电压公式计算。本发明利用电脑仿真计算
得出最终单个电池单元光电转化效率可达67.3%。考虑到电阻损耗，整个天线太 阳能电池光电转化效率可以达到50%以上。该天线太阳能电池与跟踪聚光系统 配合使用可用于高效发电，商业价值巨大。本发明天线太阳能电池的制备方法 也易于工业化批量生产。


图1为本发明天线太阳能电池的电池单元结构示意图。 图2为本发明天线太阳能电池的串联阵列的结构示意图。 图3为本发明天线太阳能电池的电池结构示意图。 图4本发明天线太阳能电池的电池单元太阳光谱吸收曲线。 图5本发明天线太阳能电池制备步骤流程示意图。
具体实施例方式下面结合实施例，进一步说明本发明。 实施例.-天线太阳能电池主要包括光电转化层和基底(图5-1中8)。光电转化层主 要由电池单元阵列、正负主电极(图3中4， 5)和正、负辅助电极(图3中6， 7)以及填充其间的二氧化硅构成。其中电池单元阵列的电极分别与主电极相连， 并和外接的辅助电极相连(见图3)，正负辅助电极分别外接与正负主电极相连。 所述电池单元阵列是由电池单元组成的并联阵列串联后再并联而成(见图2、图 3)。太阳能电池基底为200nm单面抛光的硅片(其表面与二氧化硅薄膜的附着 力为1Xl(^N/cr^以上)。天线太阳能电池基底上排布有光电转换层。如图1所示本实施例天线太阳能电池中电池单元的宽频接收天线为领结 形天线1。电池单元是由单个领结形天线1和与其相邻的次级电极2以及将次级 电极与宽频接收天线相连的MIM 二极管3构成。该领结形天线的领结角为90°， 单个领结片长度250nm，两个领结片尖端之间的相对距离为20nm。领结形天线 1的厚度为100nm。电池单元中的次级电极系排布在领结型天线上下两侧的金属 条，次级电极延伸方向与领结型天线两个领结片尖端连线方向相一致；金属条 宽度为30nm，厚度为100nm。领结形天线与相邻次级电极围成的区域内由次级 电极金属条向空白处延伸填充，次级电极边缘与领结片边缘之间留有间隙，间 隙宽度为30nm。但次级电极与天线之间留有间隙，间隙宽度为30nm。本实施 例选用的金属铜Cu (功函数4.5eV，电阻率1.7xl(T8Q，m)作为天线、次级电极、 主电极和辅助电极的材料。本实施例的天线太阳能电池其领结形天线的领结片上表面生长有一层二氧 化硅薄膜的绝缘层，其厚度即为MIM二极管绝缘层的厚度，为2nm。每个领结 片的尖端分别与两侧的次级电极之间桥搭有窄金属条，窄金属条与天线领结片 绝缘层的搭接部分面积为256nm2。窄金属条的宽度为16 nm，厚度为50nm。与 同一侧次级电极桥搭的窄金属条材料为金属铝Al (功函数4.26eV，电阻率 2.9x10—8!>m)，另一侧为金属金Au (功函数5.1eV，电阻率2.4x10—8Q'm)。如图2、图3所示，本实施例天线太阳能电池的电池单元阵列由如下方式构 成先由若干个所述电池单元按照其次级电极延伸方向排布，并将相邻电池单 元的同侧次级电极连通，构成电池单元的并联阵列，电池单元并联阵列中，两 个相邻电池单元之间的间距为30nm。将以上所述的若干个电池单元的并联阵列 通过相邻阵列共享一条次级电极的方式按照垂直于次级电极延伸方向排布而构 成一个串联阵列(见图2);再将以上所述若干串联阵列在主电极之间按照主电 极延伸的方向排布并联后构成整个电池单元阵列(见图3)。串联阵列最外侧的 两个次级电极同时也分别是该串联阵列的正、负电极，其中串联阵列正电极一 端与正主电极4相连，串联阵列负电极一端与负主电极5相连，电池串联阵列 中的其他次级电极都不与主电极相连。以上串联阵列的正、负电极，其不与主 电极相连的一端分别与外接的正、负辅助电极(6、 7)相连。本实施例天线太阳能电池包括有两层上下平行排布的所述光电转换层，两 层光电转换层的结构相同，但其中的电池单元排布方向相互垂直。下层光电转 化层上表面生长有一层介质薄膜作为保护膜。介质薄膜厚度为100nm。该介质 薄膜选用氟化镁(MgF2)，其熔点1395°C，氟化镁薄膜的光谱透明范围为 210 10000nm。氟化镁薄膜表面与二氧化硅薄膜的附着力可达1 X 103N/cm2以上。 上层光电转换层生长在下层光电转换层的保护膜上。将上下光电转化层的主电 极并联后对外引出成为整个天线太阳能电池的正、负电极。本实施例中所用材料均可通过市售而得。本实施例天线太阳能电池的具体制备步骤如下a. 备片如图5-l所示，选择单面抛光的硅片作为基底8。b. 如图5-2所示，在硅片抛光面上以PECVD法生长一层二氧化硅9薄膜，其 厚度与所述领结形天线的厚度一致。c. 通过纳米压印的方法在以上步骤得到的二氧化硅层上加工所述主电极、电 池单元阵列中宽频接收天线和次级电极的图形。d. 如图5-3所示，在上述纳米压印加工的相应图形位置上利用缓冲氢氟酸法 腐蚀掉多余的二氧化硅(Si02)，之后去光刻胶、清洗。如图5-4所示，在 腐蚀掉二氧化硅的位置溅射铜10形成所述电池单元的宽频接收天线、次级 电极、主电极。e. 如图5-5所示，在上述步骤得到的中间制品表面采用分子束外延法生长二 氧化硅9薄膜作为绝缘层，其厚度即为MIM 二极管绝缘层的厚度。f. 通过纳米压印法区别出所述次级电极位置。如图5-6所示，用缓冲氢氟酸 法将次级电极上表面的绝缘层腐蚀掉，之后去光刻胶、清洗。g. 在上述步骤得到的中间制品表面溅射一层所述厚度的金属金11的薄膜。通 过纳米压印法区分出构成材料为金属金11的窄金属条图形位置。如图5-7 所示，将该图形以外其余部分的金属金11薄膜用碘(I)和碘化钾(KI) 溶液腐蚀掉得到如下结构金属金11构成的窄金属条一端搭接在宽频接收 天线上表面的二氧化硅绝缘层上，另一端搭接在其一侧的相邻次级电极金 属铜表面上。
h.如图5-8所示，在上述步骤得到的中间制品表面去光刻胶，清洗，溅射一 层所述厚度的金属铝12的薄膜。通过纳米压印法区分出构成材料为金属铝 12窄金属条图形位置。如图5-9所示，将该图形以外其余部分的金属铝薄 膜通过磷酸腐蚀(AMF)得到如下结构金属铝12构成的窄金属条一端搭 接在宽频接收天线上表面的二氧化硅绝缘层上，另一端搭接在其另一侧的 相邻次级电极金属铜表面上。如图5-10所示通过双层铜互连的方法将以上所述电池单元阵列中串联阵列 的正电极不与主电极相连的一端连通，连通后引出外接连线(连线采用钨和铝 金属材料)与所述的正辅助电极相连；通过双层铜互连的方法将以上所述电池 单元阵列中串联阵列的负电极不与主电极相连的一端连通，连通后引出外接连线与所述的负辅助电极相连。双层铜互连的方法为现有技术的常用的分层连线 方法，此方法连线后得到的中间制品的表面为一层二氧化硅薄膜。在以上所得中间制品的上表面生长一层所述厚度的氟化镁薄膜作为下层光 电转化层的保护膜，之后重新按照步骤b i的方法生长所述上层光电转化层。 将两层光电转换层主电极并联后引出连线作为整个电池的电极。将上述本发明所述天线太阳能电池的实施例方案，通过CST2006计算机仿 真计算，单个电池单元的光电转化效率为67.3%。考虑到正常电阻损耗，计算 整个天线太阳能电池光电转化效率至少可达50%。图4反映了电池单元对太阳 光的吸收转化情况，其中Ll表示AM1.5标准太阳光谱，L2表示电池单元在 AM1.5标准太阳光谱下的吸收转化情况。由图可知，本发明的天线太阳能电池 在红外波段有极佳的吸收转化特性，有效弥补了传统太阳能电池在红外波段不 能很好吸收的缺点，同时对可见光，该太阳能电池也能实现很好的吸收转化。
权利要求
1.一种天线太阳能电池，主要包括基底和光电转化层，其特征在于所述基底由表面与二氧化硅薄膜的附着力为1×103N/cm2以上的非导电材料构成；所述光电转化层排布在基底上表面，主要由电池单元阵列、主电极以及填充其间的二氧化硅构成，电池单元阵列的正负电极分别与正负主电极相连，并且外接与正负辅助电极相连，正负辅助电极分别外接与正负主电极相连；所述电池单元阵列是由电池单元组成的并联阵列串联后再并联而成，其中电池单元是由单个宽频接收天线和与其相邻的次级电极以及将次级电极与宽频接收天线相连的桥式整流电路构成，所述桥式整流电路由MIM二极管组成，MIM二极管直接连在天线输出端上。
2. 根据权利要求1所述的天线太阳能电池，其特征在于所述基底为硅片。
3. 根据权利要求l所述的天线太阳能电池，其特征在于所述宽频接收天线是领 结形天线，其领结片材料为金属C，领结角为60° 120°，单个领结片长度150 500nm，两个领结片尖端之间的相对距离为10 30nm，领结形天线的厚度为50 150nm;所述次级电极为排布在领结型天线上下两侧的金属条，次级电极延伸方 向与领结型天线两个领结片尖端连线方向相一致；所述次级电极的金属条宽度 为20 100nm，厚度与所述领结型天线厚度相同；领结形天线与相邻次级电极 围成的区域内由次级电极金属条向空白处延伸填充，次级电极边缘与领结片边 缘之间留有间隙，间隙宽度为14 50nm;所述次级电极材料同领结片材料一致;所述领结形天线的每个领结片尖端与相邻两侧的次级电极之间分别接有 MIM二极管，MIM 二极管绝缘层厚度小于等于5nm， 二极管金属层与绝缘层的 接触面积为36 400nm2。
4. 根据权利要求3所述的天线太阳能电池，其特征在于所述领结形天线领结角 为80。 100°，单个领结片长度200 300nm，两个领结片尖端之间的相对距离 为15 25nm;领结形天线的厚度为80 100nm;所述次级电极金属条的宽度为30 60nm，所述次级电极边缘与领结片边缘之间的间隙宽度为20 30nm。
5. 根据权利要求3所述的天线太阳能电池，其特征在于所述领结形天线的领结 片上表面生长有一层绝缘层薄膜，优选为二氧化硅；绝缘层厚度不超过5nm， 优选为0.5 4nm;每个领结片的尖端分别与两侧的次级电极之间桥搭有窄金属 条，所述窄金属条桥搭在次级电极金属上表面和天线领结片绝缘层的上表面， 窄金属条与天线领结片绝缘层的搭接部分面积为36-400nm2，优选为250 260 nm2;窄金属条的宽度为6 43nm，优选为10 20nm;窄金属条厚度为20 100nm，优选为30 50nm;所述电池单元中领结形天线的领结片尖端与两侧相 邻的次级电极之间共桥搭有四个所述窄金属条，同一次级电极一侧的窄金属条 材料相同，但同一电池单元不同次级电极连接的窄金属条材料不同，分别为金 属A和金属B;所述的金属A、 B、 C满足如下条件①电阻率均小于等于1X 10-7Q'm;②三种金属材料的功函数关系符合f (A) >f (C) >f (B)或者f (B) >f (C) >f (A)的条件。
6. 根据权利要求1所述的天线太阳能电池，其特征在于所述电池单元阵列由如 下方式构成先由若干个所述电池单元按照其次级电极延伸方向排布，并将相 邻电池单元的同侧次级电极连通，构成电池单元的并联阵列，电池单元并联阵列中，两个相邻电池单元之间的间距为10 500nm，优选为30 100nm;将以上所述的若干个电池单元的并联阵列通过相邻阵列共享一条次级电极的方式按 照垂直于次级电极延伸方向排布而构成一个串联阵列；再将以上所述若干串联 阵列在主电极之间按照主电极延伸的方向排布并联后构成整个电池单元阵列； 串联阵列最外侧的两个次级电极同时也分别是该串联阵列的正、负电极，其中 串联阵列正电极一端与正主电极相连，串联阵列负电极一端与负主电极相连， 电池串联阵列中的其他次级电极都不与主电极相连；所述串联阵列的正、负电极，其不与主电极相连的一端分别外接与正、负辅助电极相连。
7. 根据权利要求1 6之一所述的天线太阳能电池，其特征在于所述天线太阳能电池包括有两层上下平行排布的所述光电转换层，两层光电转换层的结构相 同，但其中的电池单元排布方向相互垂直；下层光电转化层上表面生长有一层 介质薄膜作为保护膜，所述介质薄膜的光谱透明范围包含400 2300nm，所述 介质薄膜由耐酸腐蚀、表面与二氧化硅薄膜的附着力为1 X 103N/cm2以上的绝缘 材料构成，优选为氟化镁、氟化铪、氟化镧、氟化铝中的至少一种；上层光电 转换层生长在下层光电转换层的保护膜上；将所述上下光电转化层的主电极并 联或串联后对外引出成为整个天线太阳能电池的正、负电极。
8. 根据权利要求7所述的天线太阳能电池，其特征在于所述天线太阳能电池的 下层光电转化层上表面的介质薄膜的厚度为50 2000nm。
9. 根据权利要求1 8之所述的一种天线太阳能电池的制备方法，包括以下 步骤a. 备片选择所述非导电性材料作为基底；b. 在基底上表面生长一层二氧化硅薄膜，其厚度不小于所述宽频接收天线的 厚度；c. 通过纳米压印的方法在二氧化硅层上加工所述主电极、电池单元阵列中宽 频接收天线和次级电极的图形；d. 在上述步骤得到的相应图形位置上腐蚀掉多余的二氧化硅，在腐蚀掉二氧 化硅的位置生长金属C，金属C的厚度同所述宽频接收天线的厚度，形成 所述的主电极、宽频接收天线和次级电极；e. 在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述绝缘层，优选为二氧化硅； 厚度同所述MIM 二极管绝缘层的厚度一致；f. 通过纳米压印法区别出所述电极位置，将电极上表面的绝缘层腐蚀掉；g. 在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述厚度的金属A的薄膜，通过 纳米压印法区分出构成材料为金属A的窄金属条图形位置，将该图形以外 部分的金属A薄膜腐蚀掉得到如下结构金属A构成的窄金属条一端搭 接在宽频接收天线上表面的绝缘层上，另一端搭接在宽频接收天线一侧的 相邻次级电极金属表面上；h. 在上述步骤得到的中间制品表面生长一层所述厚度的金属B的薄膜，通过 纳米压印法区分出构成材料为金属B的窄金属条图形位置，将该图形以外 部分的金属B薄膜腐蚀掉得到如下结构金属B构成的窄金属条一端搭 接在宽频接收天线上表面的绝缘层上，另一端搭接在宽频接收天线另一侧 的相邻次级电极金属表面上；i. 通过双层铜互连的方法将以上所述电池单元阵列中串联阵列的正电极不 与主电极相连的一端连通，连通后引出连线与所述的正辅助电极相连；通 过双层铜互连的方法将以上所述电池单元阵列中串联阵列的负电极不与 主电极相连的一端连通，连通后引出外接连线与所述的负辅助电极相连。
10.根据权利要求9所述的一种天线太阳能电池的制备方法，其特征在于在所述 步骤i完成后将所得制品的上表面生长一层所述介质薄膜做为下层光电转化层 的保护膜，之后重新按照步骤b i的方法在下层光电转化层保护膜上加工所述 上层光电转化层。
全文摘要
一种天线太阳能电池，涉及利用宽频接收天线实现光电转化，包括光电转化层和基底。所述光电转化层主要由电池单元阵列、主电极以及填充其间的二氧化硅构成。电池单元阵列是由电池单元组成的并联阵列串联后再并联而成。电池单元阵列的电极分别与主电极和外接的辅助电极相连，正负辅助电极分别外接与正负主电极相连。其中电池单元是由单个宽频接收天线和与其相邻的次级电极以及将次级电极与宽频接收天线输出端相连的桥式整流电路构成，所述桥式整流电路由MIM二极管组成。本发明天线太阳能电池的电池单元光电转化效率可达67.3％。整个电池光电转化效率至少50％，可用于高效发电。本发明给出了批量加工这种天线太阳能电池的方法。
文档编号H01L31/04GK101211991SQ20071030410
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者杰 高 申请人:杰 高