一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法与流程

本发明属于薄膜太阳电池领域，尤其是一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法。

背景技术：

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。

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,etal,naturemater.9(2010)239-44、j.y.jung,z.guo,s.w.jee,etal,astrongantireflectivesolarcellpreparedbytaperingsiliconnanowires,opt.express18(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(surfaceplasmonpolariton: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.polmannaturematerials9(2010)205-213、s.trost,t.becker,k.zilberberg,etal,scientificreports5(2015)7765。

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。

技术实现要素：

本发明目的旨在进一步提升太阳电池性能，提出一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法，将纳米银颗粒的表面等离子激元作用引入二氧化硅纳米球阵列陷光结构中，获得具有定域化高能电场的纳米微腔结构的薄膜太阳电池，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。

本发明的技术方案：

一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法，包括在衬底之上依次制备一个二氧化硅纳米球阵列/银纳米颗粒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；所述表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池具有显著的光吸收增强效果。

所述二氧化硅纳米球阵列/银纳米颗粒复合纳米结构中二氧化硅纳米球采用浸渍提拉法及等离子体刻蚀技术制备获得，银纳米颗粒结构制备工艺为蒸发、溅射、溶胶凝胶、聚焦离子束刻蚀或电子束刻蚀方法制备中至少一种。

所述二氧化硅纳米球粒径为100nm–2000nm，并采用等离子刻蚀工艺对微球粒径进行修饰，选用cf4为刻蚀气体，刻蚀后纳米球阵列占空比在50%-100%之间可调。

所述银纳米颗粒粒径为10nm–200nm，直接沉积于二氧化硅纳米球之上。

所述薄膜太阳电池包括前电极、p型空穴传输层、i型吸收层、n型电子传输层及背电极。

所述前电极为透明导电氧化物材料。

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。

所述背电极包括透明导电氧化物材料或金属电极材料中至少一种导电材料。

所述透明导电氧化物材料包括zno:al，zno:ga,zno:h，in2o3:sn，in2o3:h材料中至少一种，并采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发或mocvd中的一种或几种技术制备获得。

所述金属电极材料包括al、ag、au材料中至少一种，并采用磁控溅射或热蒸发技术制备获得。

所述表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳的衬底材料为硬衬底（如玻璃衬底）或柔性衬底（如不锈钢、聚合物）材料。

【附图说明】

图1为表面等离子激元增强型纳米结构pin型薄膜太阳电池结构示意图。

图2为不同尺度复合纳米结构对本征非晶硅薄膜光吸收特性的影响。

图3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。

图4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电流-电压测试曲线。

【具体实施方式】

实施例1:

一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法，步骤如下：

1）在透明玻璃衬底之上采用浸渍提拉法制备一层粒径为350nm的单分散性sio2纳米球。

2）采用等离子体刻蚀工艺对sio2纳米球进行干法刻蚀，选用cf4作为刻蚀反应气，刻蚀气压1.0pa，刻蚀功率50w，刻蚀时间3min，刻蚀后sio2纳米球粒径减小至260nm，间距115nm，占空比为69%。

3）在sio2纳米球之上采用射频磁控溅射技术制备纳米ag颗粒，采用ar气作为溅射气源，气压0.13pa，功率50w，时间20s，衬底温度为50^oc，获得粒径为10nm的纳米ag颗粒。

4）采用射频磁控溅射技术在复合纳米结构之上沉积一层zno:al透明导电薄膜，厚度为500nm，方块电阻为15ω/□。

5）采用pecvd技术进行pin型非晶硅薄膜太阳电池的制备，其中p/i/n层厚度分别为15nm/250nm/15nm。

6）在n型a-si:h之上制备zno/ag背电极，其中zno背电极采用mocvd技术，厚度为100nm，ag背电极采用热蒸发技术，厚度为120nm。

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350nm-800nm波长范围内积分电流由11.64ma/cm²提升至14.07ma/cm²，外量子效率提高20.87%，效率由4.72%提高至6.63%，具有明显的光吸收及载流子收集增强效果。

实施例2:

一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法，步骤如下：

1）在聚酰亚胺衬底之上采用浸渍提拉法制备一层粒径为1500nm的单分散性sio2纳米球。

2）采用等离子体刻蚀工艺对sio2纳米球进行干法刻蚀，选用cf4作为刻蚀反应气，刻蚀气压8.0pa，刻蚀功率90w，刻蚀时间10min，刻蚀后sio2纳米球粒径减小至1100nm，间距800nm，占空比为55%。

3）在sio2纳米球之上采用热蒸发技术制备纳米ag颗粒，采用热蒸发制备技术，衬底温度为60ºc，本底真空为9.8х10^-4pa，蒸发速率为1å/s，采用晶体探头在线探测的等效厚度为5nm，获得粒径为25nm的纳米ag颗粒。。

4）采用mocvd技术在复合纳米结构之上沉积一层zno透明导电薄膜，厚度为100nm，随后采用热蒸发技术沉积银电极材料，厚度为100nm，组成背电极。

5）采用pecvd技术进行nip型微晶薄膜太阳电池的制备，其中n/i/p层厚度分别为15nm/250nm/15nm。

6）在p型µc-si:h之上采用热蒸发技术制备in2o3:sn前电极，厚度为120nm。

应用结果显示：与仅具有平面zno/ag背电极的微晶硅薄膜电池相比，表面等离子激元增强型纳米微腔结构微晶硅薄膜太阳电池在350nm-1100nm波长范围内积分电流由23.28ma/cm²提升至27.61ma/cm²，外量子效率提高18.60%，具有明显的光吸收及载流子收集增强效果。

综上，本发明提供了一种实现表面等离子激元增强型纳米结构薄膜太阳电池的方法，将纳米银颗粒的表面等离子激元作用引入二氧化硅纳米球阵列陷光结构中，获得具有定域化高能电场的纳米微腔结构的薄膜太阳电池，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。

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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。