带有相位光栅纳米结构的太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池，尤其涉及一种带有相位光栅纳米结构的太阳能电池。
【背景技术】
[0002] 光伏发电一直是备受关注的清洁能源解决方案，太阳能电池也是目前最具活力的 研宄领域之一。太阳能电池依靠光伏效应来实现对太阳能的有效利用，在经近一个世纪 的发展之后，太阳能电池已历经三代，第一代是基于硅材料的晶体太阳能电池，第二代是 包括非晶娃、聚晶娃（polycrystallinesilicon)、蹄化锦（CdTe)、硒化铜铟镓（CIGS)等 材料的薄膜型电池，第三代是新型高转换率太阳能电池，包括多结型（multi-junctionor tandem)、中间能带性（intermediateband)、载流子倍增型（carrier-multiplication)、光 子能量转变型（priorupordownenergyconversion)，其中只有多结型目前被应用到了实 际当中。
[0003] 目前市场上主流的太阳能电池大多为硅太阳能电池。但是硅太阳能电池的光电转 换效率极限只有24%。为了达到更高的转换效率，人们开始研制基于砷化镓材料的太阳能 电池。单结的砷化镓太阳能电池的理论极限约为27%。
[0004] 砷化镓属于III-V族化合物半导体材料，与硅不同，它是直接带隙材料，有着更好 的能量转化效率。而且，砷化镓的带隙为1.42eV，与太阳光的光谱匹配能力好，对太阳光有 非常好的吸收特性。因此，相比于硅太阳能电池通常150微米的厚度，砷化镓太阳能电池可 以做得更薄，达到5?10微米。此外，砷化镓太阳能电池具有耐高温的特性，在300°C的条 件下，硅太阳能电池已经停止运作，而砷化镓电池的转换效率仍然有10 %，这一特性使得砷 化镓电池可以被用于聚光太阳能系统。
[0005] 为突破单结太阳能电池的转换效率极限，人们开始研宄基于不同禁带宽度材料的 多结叠层太阳能电池结构。1994年，美国的清洁能源实验室（NREL)发布GalnP/GaAs聚光 多结太阳能电池，效率超过30 %。如今，多结叠层太阳能电池的已成为转换效率最高的太阳 能电池结构，并不断刷新记录。根据NREL最新的统计数据，截至本发明撰写之时，转换效率 最尚已达到44. 7 %。
[0006] 在此基础上，很多人希望通过制作表面纳米结构的方式获得进一步改良，其中包 括纳米线、纳米锥、减反层镀膜等技术，通过降低表面反射率的方法提高太阳能电池材料整 体对入射光的吸收率，从而提高光电转换效率。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种带有相位光栅纳米结构的太阳能 电池，解决传统太阳能电池反射率高、光子吸收率低、短路电流和开路电压较低等缺点，并 针对特定的吸收层进行设计优化。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0009] 一、一种带有相位光栅纳米结构的太阳能电池
[0010] 本发明包括太阳能电池；在所述太阳能电池的上表面制作透射型相位光栅，相位 光栅由一系列刻蚀槽构成，所述刻蚀槽的深度由公式h=X/ [2 (n-1)]计算得出，使得入射 光从光栅上表面传播到下表面的相位差为Ji，其中A为入射光的中心波长，n是太阳能电 池表面相位光栅材料的折射率；所述刻蚀槽的宽度和间隔根据惠更斯-菲涅尔原理设计， 由菲涅尔波带法计算得出。
[0011] 所述刻蚀槽的深度为入射光的中心波长的四分之一，使从刻蚀槽底部反射的光与 从光栅上表面反射的光的相位差为。
[0012] 所述太阳能电池表面相位光栅材料的折射率接近3。
[0013] 所述太阳能电池为三结叠层砷化镓太阳能电池，其中第一结材料为铟镓磷，第二 结材料为砷化镓，第三结材料为铟镓砷的太阳能电池。
[0014] 所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第一结的聚焦点和中心波长有相位 光栅，把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第一结的PN结区中。
[0015] 所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第二结的聚焦点和中心波长有相位 光栅，把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第二结的PN结区中。
[0016] 所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，分别针对第一结和第二结的聚焦点和中 心波长有各自的相位光栅，两个相位光栅正交，同时把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳 能电池的第一结和第二结PN的结区中。
[0017] 二、另一种带有相位光栅纳米结构的太阳能电池，
[0018] 本发明包括太阳能电池；在太阳能电池的上表面制作透射型相位光栅，相位光栅 光栅由一系列具有的周期性刻蚀槽构成，其周期等于结区材料的中心波长，将垂直于结区 入射的光转为沿着结区水平方向传播的光。
[0019] 所述刻蚀槽深度为中心波长的四分之一，使从刻蚀槽底部反射的光与从光栅上表 面反射的光的相位差为n。
[0020] 所述太阳能电池表面构成光栅材料的折射率接近3。
[0021] 本发明具有的有益效果是：
[0022] 1.本发明的透射型相位增强聚焦光栅利用一个新的原理机制将相位光栅与太阳 能电池集成，实现尚性能、小尺寸尚效率光伏系统，。
[0023] 2.本发明的透射型相位光栅可以有效降低太阳能电池表面的反射率。
[0024] 3.本发明的透射型相位光栅可以有效增加光子在太阳能电池PN结区的吸收长 度。
[0025] 4.本发明的透射型相位光栅可以有效增加入射光在太阳能电池的PN结区的光场 强度。
[0026] 5.本发明的透射型相位光栅可以有效提高太阳能电池的PN结区对光子的有效吸 收。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明带有透射型表面相位光栅的太阳能电池的示意图。
[0028] 图2是本发明的相位光栅设计示意图。
[0029] 图3是本发明的针对三结叠层砷化镓电池的实施例设计的500纳米波长焦平面在 第一结PN结区吸收层底部的相位光栅（简称光栅1)的示意图。
[0030] 图4是当透射型光栅聚焦面设定在电池第一结的PN结结区（吸收层底部）时，500 纳米波长入射光在聚焦面处的光强分布。
[0031] 图5是在三结叠层砷化镓电池表面制作了光栅1后的反射率与未制作光栅1时反 射率的对比曲线图。
[0032] 图6是在多结叠层砷化镓电池表面制作了光栅1后的第一结PN结区吸收层的吸 收率与未制作光栅1时第一结PN结区吸收层吸收率的对比曲线图。
[0033] 图7是本发明提出的针对750纳米波长设计的焦平面在第二结PN结区吸收层底 部的相位光栅（简称光栅2)的示意图。
[0034] 图8是当透射型光栅聚焦面设定在电池第二结的PN结结区（吸收层底部）时，750 纳米波长入射光在聚焦面处的光强分布。
[0035] 图9是在多结叠层砷化镓电池表面制作了光栅2后的反射率与未制作光栅2时反 射率的对比曲线图。
[0036] 图10是在多结叠层砷化镓电池表面制作了光栅2后的第二结PN结区吸收层的吸 收率与未制作光栅2时第二结PN结区吸收层吸收率的对比曲线图。
[0037] 图11是本发明提出的同时针对500纳米波长和750纳米波长设计的焦平面分别 在第一、二结PN结区吸收层底部的正交相位光栅（简称光栅3)的示意图。
[0038] 图12(a)是500纳米波长的光入射到制作了光栅3的多结叠层砷化镓电池表面 后，电池第一结的PN结结区（吸收层底部）的光强分布；(b)是750纳米波长的光入射到 制作了光栅3的多结叠层砷化镓电池表面后，电池第二结的PN结结区（吸收层底部）的光 强分布。
[0039] 图13是在多结叠层砷化镓电池表面制作了光栅3后的反射率与未制作光栅3时 反射率的对比曲线图。
[0040] 图14是在多结叠层砷化镓电池表面制作了光栅3后的第一结PN结区吸收层的吸 收率与未制作光栅3时第一结PN结区吸收层吸收率的对比曲线图。
[0041] 图15是在多结叠层砷化镓电池表面制作了光栅3后的第二结PN结区吸收层的吸 收率与未制作光栅3时第二结PN结区吸收层吸收率的对比曲线图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0043] 如图1所示，本发明包括太阳能电池；其特征在于：在所述太阳能电池的上表面 制作透射型相位光栅，