应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜的制作方法

本发明涉及一种太阳能应用技术，特别涉及一种应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜。

背景技术：

太阳能是重要的可再生能源。光伏电池可以将太阳能转化为电能，因此，太阳能光伏发电成为了太阳能利用的重要方式。

由于非晶硅在300-1000nm具有较高的吸收率，并且薄膜电池对硅材料的用量较少，因此非晶硅薄膜电池也是非常有潜力的光伏电池类型。在非晶硅薄膜电池中，太阳光先透过ito导电玻璃层，然后到达非晶硅层，最后到达金属背板层。因为空气和ito的折射率不同、ito和非晶硅的折射率不同，太阳光穿过不同材料交界处时产生较大的反射率，所以有部分太阳辐射会被薄膜电池反射，降低了电池对太阳辐射的吸收，从而影响电池的转换效率。

提高光伏电池的吸收率一直是光伏电池行业需要突破的关键技术之一。提高吸收率的途径包括常见的减反膜和陷光结构，近年来，也有采用微纳结构。目前微纳结构大多应用在单晶或多晶硅太阳能电池上，由于金字塔形等微纳结构的尺寸较大，不适用于硅层厚度只有1μm的太阳能薄膜电池上。

已有在太阳能薄膜电池的ito层采用周期性光栅的尝试，但ito层与空气层、ito层与非晶硅层之间依然有很大的折射率突变，两层交界面对太阳能辐射产生较大的反射。

已有研究表明蛾眼结构的减反效果优于常规的减反膜。由于微纳级别的蛾眼结构尺寸小于可见光的波长，蛾眼结构可与其周边物质共同构成一个具有折射率渐变特性的材料，从而使折射率的变化平缓，解决了折射率突变导致反射率变大的问题。在太阳能光伏电池的相关研究中，目前有在ito层上采用蛾眼结构或在非晶硅层上采用蛾眼结构，这些技术虽然可解决非晶硅薄膜电池中一个交界面的折射率突变问题，但是在另一个交界面依然有折射率突变。如果只在ito层上采用蛾眼结构，由于非晶硅和ito的折射率差值较大，会产生较大的反射率，导致吸收的太阳能辐射减少，因此非晶硅薄膜电池的反射率依然较高，这是现在亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明是针对蛾眼结构运用到太阳能上的问题，提出了一种应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜，能够有效提高太阳能薄膜电池吸收层吸收率。

本发明的技术方案为：一种应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜，从上到下分别是ito导电玻璃层、非晶硅吸收层和ag基底层，在ito导电玻璃层上有阵列排布的ito蛾眼结构，在非晶硅蛾眼结构上有与上方ito蛾眼结构对应阵列排布的非晶硅蛾眼结构，在ag基底层上有与上方非晶硅蛾眼结构位置对应的周期性ag光栅结构。

所述ito蛾眼结构、非晶硅蛾眼结构分别布满整个ito导电玻璃层、非晶硅吸收层表面。

所述ito蛾眼结构采用抛物线性形状，即z²＝-2px的曲线绕z轴旋转360°形成的图形，其中p为抛物线的焦点到准线的距离，ito导电玻璃层面与xy面平行；非晶硅蛾眼结构采用抛物线性形状，其结构应与ito蛾眼结构一样。

所述ag光栅结构采用一维光栅，周期与上面的非晶硅蛾眼结构相同，并且对应的ag光栅与非晶硅蛾眼结构的中轴线在同一个垂直于y轴平面上，z方向上的高度为90nm，x方向上ag光栅应贯通整个ag基底层。

本发明的有益效果在于：本发明应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜，本发明将双层蛾眼结构与ag光栅进行有效的结合，降低了两个界面折射率突变引起的反射损失，同时利用了800-1000nm波段的能量，有效提高太阳能薄膜电池吸收层吸收率。

附图说明

图1为本发明应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜示意图；

图2为本发明双层蛾眼结构薄膜剖视图；

图3为本发明整个结构折射率的变化图；

图4为本发明结构薄膜电池与常规薄膜电池所吸收太阳辐射的对比图。

具体实施方式

如图1、2所示应用在太阳能薄膜电池中的双层蛾眼结构薄膜示意图及剖视图，双层蛾眼结构薄膜从上到下分别是ito导电玻璃层2、非晶硅吸收层4和ag基底层6，在ito导电玻璃层2上有阵列排布的ito蛾眼结构1，在非晶硅蛾眼结构3上有与上方ito蛾眼结构1对应阵列排布的非晶硅蛾眼结构3，在ag基底层6上有与上方非晶硅蛾眼结构3位置对应有周期性ag光栅结构5。

ito蛾眼结构1应采用抛物线性形状，即z²＝-2px的曲线绕z轴旋转360°形成的图形，其中p为抛物线的焦点到准线的距离。非晶硅蛾眼结构3应采用抛物线性形状，其结构应与ito蛾眼结构1一样，并在ito蛾眼结构1正下方。ito导电玻璃层2面与xy面平行。

ito蛾眼结构1与非晶硅蛾眼结构3周期应一致，并且蛾眼结构底部的直径越接近周期效果越好。

所述ag光栅结构5采用一维光栅，周期与上面的蛾眼结构相同，并且对应的ag光栅与蛾眼结构的中轴线在同一个垂直于y轴平面上，高度即z方向上(为90nm左右)不应过高防止ag光栅吸收能量过多。蛾眼结构应布满整个表面，图1为方便展示并没有完全布满，x方向上ag光栅应贯通ag基底层6。

在上下两个材料中都采用蛾眼结构，并与底部ag光栅结构结合，可以有效地提高太阳能薄膜电池吸收率。ito蛾眼结构可以有效解决ito层与空气层界面的折射率突变；非晶硅蛾眼结构可以有效解决ito层与非晶硅层的折射率突变；同时抛物线结构使得折射率成线性变化，折射率变化平缓，从事导致反射率最低。ag光栅可以有效地激发spp(等离子共振效应)，使900nm左右波长的能量被锁在非晶硅层与ag背板交界面，使近红外波段的能量得以吸收。整个结构可以使太阳能薄膜电池的吸收率在300-1000nm得到大幅度提升。

双层蛾眼结构与常规太阳能薄膜电池的区别在于二者所使用的减反措施及底部ag结构不同。常规太阳能薄膜电池只是采用ito结构做减反膜，这使薄膜电池在300-800nm波段依然有15％左右的反射率，而单独采用ito蛾眼结构其反射率依然有10％左右，但是在非晶硅层也采用蛾眼结构后反射率基本降在2％以下。常规太阳能电池如只采用ag背板，无法有效地利用800-1000nm波长的能量。ag光栅可以在900nm左右处激发等离子体共振效应，使800-1000nm的能量也得以利用。

电池所吸收太阳辐射q定义如下：为了研究该结构的提升效果，将把非晶硅吸收层吸收率与am1.5g条件下太阳辐射强度结合起来考虑，在某一波段下非晶硅吸收层吸收的太阳辐射定义为：

q＝a(ω)f(ω)

a(ω)为非晶硅吸收层的光谱吸收率；f(ω)为某一波段的太阳辐照强度；q是某一波段下电池所吸收太阳辐射；为300-1000nm波段下电池所吸收的太阳辐射的积分，ω为波长,单位为纳米。

如图4所示本发明结构薄膜电池与常规薄膜电池所吸收太阳辐射的对比图，qtot为使用了双层蛾眼结构后所吸收太阳辐射，qref为常规太阳能电池(ito导电玻璃加非晶硅吸收层)所吸收太阳辐射。

假设ito层蛾眼结构高度为200nm、ito层厚度为200nm、非晶硅蛾眼结构1高度为200nm、ito导电玻璃2的ito材料的折射率为3.5、非晶硅材料的折射率为1.4。当太阳光入射至该结构时，先入射至ito蛾眼结构，由于ito蛾眼结构是微纳结构，具有折射率渐变的特性，使太阳光在由空气射入ito层的过程中能够经历一个平缓的折射率变化，从而使太阳光在由空气入射进ito导电玻璃的过程中反射损失变小，而抛物线形可使折射率变化平滑，反射率呈直线变化(如图3深度0-200nm所示)，因此有最好的效果。当光从ito层要进入ito层与非晶硅层交界面时，由于非晶硅层的蛾眼结构实现了反射率的渐变(如图3深度400-600nm所示)，使反射率减少，吸收率增加。

整体提升系数g为本发明所提出结构所吸收的太阳辐射在300-1000nm波段的积分与常规非晶硅电池所吸收的太阳辐射能量在300-1000nm波段的积分之比：

-本发明结构在300-1000nm波段内吸收的太阳辐射的积分；即图4中qtot在300-1000nm波段的积分。-参考结构(ito导电玻璃加非晶硅吸收层)在300-1000nm波段内吸收的太阳辐射的积分；即图4中qref在300-1000nm波段的积分。

由图4可知双层蛾眼结构不仅可以在太阳辐射较强的500nm-700nm波段增强吸收，还可以显著增强在常规太阳能电池吸收率低下的700-1000nm的吸收。通过计算，比常规太阳能电池结构相比，双层蛾眼结构的整体提升因子为2.05。