[0035]本实施例所述蜂窝状太阳能电池结构3采用市售的二维硅片，其微加工工艺技术成熟，前后电极、前后接触层材料均采用常规的市售产品。
[0036]实施例1:
[0037]本实施例涉及的蜂窝状太阳能电池结构3为空气孔状结构，蜂窝状太阳能电池结构3的上层N型硅半导体层6是带有禁带和慢光效应两种子结构周期性排列的结构，禁带构建基元8采用六边形空气孔；蜂窝状太阳能电池结构3的空间排列为三角晶格结构，禁带的中心波长λ = 700nm,由六边形构成禁带构建基元8的过程如图2所示，蜂窝状太阳能电池结构3的立体图和俯视图分别如图3(a)和图3(b)所示，根据现有的平面波展开法可以求得:空气孔状结构对TM模式电磁波有很好的禁带，特别是参数β在0.37—0.53之间时，TM模式相对禁带超过40%，TE相对禁带超过7%，分别如图4 (a)和(b)所示，将蜂窝状太阳能电池结构3禁带的中心波长设在700nm，蜂窝状太阳能电池结构3的晶格常数为a =
0.4 λ = 280nm，参数β =0.40、1= β a = 112.0nm时，禁带和慢光都有较好的效果，此时结构的相对禁带为:(0.499-0.301)/0.4 = 0.495，接近中心波长的50%，如图5，这样结构的禁带在353.5?1046.5nm之间，这一范围包括了太阳光光谱的较大区域，为保证禁带的陷光效果，每个结构单元的边长不少于9个基元的长度(此时每个单元有252个基元)或更多，以便入射光或其分量不能向垂直于空气孔的方向传播。
[0038]本实施例由线缺陷波导10组合构成的网状线缺陷波导具有耦合波导结构的性质，其群折射率ng随工作频率的变化范围很大，在参数β = 0.40,a = 0.4 λ = 280nm时，对于归一化频率在0.3362-0.3380 (波长在828_833nm)光的群折射率ng大于20，在833nm时，其最大值大于11，000，如图6，这一波长段的慢光效应，对促进光子吸收、保证载流子的稳定性和方向性具有重要作用。
[0039]本实施例的工作原理为:入射光通过前接触层1，几乎无反射的照射在蜂窝状太阳能电池结构3上，由于禁带和慢光效应，蜂窝状太阳能电池结构3具有很好的陷光作用，能有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应保证了载流子流动的方向性和稳定性；前电极2和背电极4为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层5对入射光增反，进一步提高电池效率，前接触层I和背接触层5保护光子晶体太阳能电池。
[0040]实施例2:
[0041]本实施例涉及的蜂窝状太阳能电池结构3为介质柱状结构，N型硅半导体层的禁带构建基元8采用六边形介质柱；蜂窝状太阳能电池结构3的空间排列为三角晶格结构；禁带的中心波长λ = 700nm，蜂窝状太阳能电池结构3的立体图和俯视图分别如图7 (a)和图7(b)所示，由平面波展开法可以求得:介质柱状结构对TE模式电磁波有很好的禁带，特别是参数β在0.13—0.29之间时，TE模式相对禁带超过40%，但是这一区域的TM模式的禁带很小，其TM模式相对禁带超过7%的区域是0.33 — 0.47，分别见图8(a)和(b)，将蜂窝状太阳能电池结构3的禁带中心波长设在700nm，晶格常数为a = 0.4 λ = 280nm，参数β = 0.20、I = β a = 56.0nm时，禁带和慢光都有较好的效果，此时蜂窝状太阳能电池结构3的相对禁带为:(0.498-0.299)/0.3985 = 0.499，接近中心波长的50%，见图9，这样蜂窝状太阳能电池结构3的禁带就在350?1050nm，这一范围包括了太阳光光谱较大的区域，为了保证禁带的陷光效果，每个结构单元的边长不少于9个基元的长度(此时每个单元有252个基元)或更多，以便入射光或其分量不能向垂直于介质柱的方向传播。
[0042]本实施例由线缺陷波导10组合构成的网状线缺陷波导具有耦合波导结构的性质，其群折射率ng随工作频率的变化范围很大，在参数β =0.20、a = 0.4A = 280nm时，结构对于归一化频率在0.440-0.477 (波长在837-857nm)光的群折射率ng大于10，在857nm时，其最大值大于156.2，参见图10，可见，相对于空气孔状结构对TM模式电磁波，介质柱状结构对TE模式电磁波的慢光效应差些。但是，这一频率段光的慢光效应，对促进光子吸收、保证载流子的稳定性和方向性具有重要作用。
[0043]本实施例的工作原理是:入射光通过前接触层1，几乎无反射的照射在二维硅基蜂窝状团簇、六边形区域分割的光子晶体太阳能电池结构3上，由于禁带和慢光效应，这一结构具有很好的陷光作用，可有效进行光电转换，激发出载流子，而且慢光效应保证了载流子流动的方向性和稳定性；前电极2和背电极4为光伏效应的载流子构成电路做准备，背接触层5对入射光增反，进一步提高电池效率，前接触层I和背接触层5能同时保护光子晶体太阳能电池。
【主权项】
1.一种二维硅基光子晶体太阳能电池，其特征在于主体结构包括前接触层、前电极、蜂窝状太阳能电池结构、背电极和背接触层；透明导电氧化物材料制成的前接触层的下侧面上设有前电极；前电极和背电极之间设有蜂窝状太阳能电池结构，蜂窝状太阳能电池结构的上层为N型硅半导体层，下层为P型硅半导体层，N型硅半导体层和P型硅半导体层形成PN结；背电极的底部设有背接触层，背接触层的材料与前接触层的材料相同；铝薄层结构的背电极设置在P型硅半导体层的慢光区域或禁带区域，背电极的形状与前电极的形状相同，均为条形状；入射光通过前接触层照射在蜂窝状太阳能电池结构上，前电极和背电极为光伏效应的载流子构成电路，背接触层增强入射光的反射，提高电池效率。
2.根据权利要求1所述二维硅基光子晶体太阳能电池，其特征在于所述N型硅半导体层为有禁带和慢光效应的纳米光子晶体介质柱或空气孔结构，包括禁带区构建基元、禁带区构建基元间隙和线缺陷波导；禁带区构建基元之间为均匀分布的禁带区构建基元间隙，19行以上的禁带区构建基元和禁带区构建基元间隙组成禁带区，以便入射光或其分量不能向垂直于介质柱或空气孔的方向传播，相邻禁带区构建基元交接处为线缺陷波导，线缺陷波导则构成网状慢光波导结构，前电极嵌入网状慢光波导结构的底部；纳米光子晶体介质柱或空气孔结构的加工高度或深度为50 μ m，整个N型硅半导体层的厚度为70 ym ;P型硅半导体层的结构与N型娃半导体层的结构相同，或为单一的半导体结构，P型娃半导体层与N型娃半导体层的结构相同时，其厚度为70 μπι ;P型娃半导体层为单一的半导体结构时，其厚度为200 μπι;Ρ型硅半导体层与背电极在同一平面上，背电极为网状结构，与前电极的结构对应。
3.根据权利要求1所述二维硅基光子晶体太阳能电池，其特征在于所述蜂窝状太阳能电池结构由具有禁带和慢光效应的六边形空气孔或介质柱结构构成的二维硅基光子晶体蜂窝状团簇结构排列组成，蜂窝状太阳能电池结构由内外完全对称的两个六边形组成，或由外面六边形、内部同心圆形组成，禁带区构建基元形成的每个结构单元的边长不少于禁带区构建基元边长的9倍，每个结构单元有252个以上禁带区构建基元；每个结构单元之间留有一行间隙形成线缺陷波导，其基元和晶格常数能够调节，以便光子禁带包括300?IlOOnm的区域；在光线入射时，禁带的存在使结构不允许光在平行于介质柱方向传播，从而有利于材料对光子的吸收和利用。
【专利摘要】本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种二维硅基光子晶体太阳能电池，前接触层的下侧面上设有前电极；前电极和背电极之间设有蜂窝状太阳能电池结构，蜂窝状太阳能电池结构的上层为N型硅半导体层，下层为P型硅半导体层，N型硅半导体层和P型硅半导体层形成PN结；背电极的底部设有背接触层，背接触层的材料与前接触层的材料相同；背电极设置在P型硅半导体层的慢光区域或禁带区域，背电极的形状与前电极的形状相同，均为条形状；入射光通过前接触层照射在蜂窝状太阳能电池结构上；其结构规整，灵活多变，加工和复合技术成熟，可成为新一代最有潜力、低成本、高效太阳能电池器件。
【IPC分类】H01L31-0224, H01L31-0352, H01L31-042
【公开号】CN104867991
【申请号】CN201510191657
【发明人】万勇, 孙彬, 贾明辉, 孙蕾, 高竞
【申请人】青岛大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月22日