光伏电池、特别是太阳能电池、以及制造光伏电池的方法
【专利摘要】本发明涉及一种光伏电池，特别是太阳能电池，包括吸收层(12)，防反射层(16)被布置在所述吸收层的前方，其中防反射层(16)包括纳米结构层(20)，所述纳米结构层具有周期性布置的由导电材料形成的天线元件(22)，所述纳米结构层被布置在与吸收层(12)相距1纳米至50纳米的距离(d)处。
【专利说明】
光伏电池、特别是太阳能电池、从及制造光伏电池的方法
技术领域
[0001] 本发明设及光伏电池，特别是太阳能电池，其包括吸收层，防反射层定位在吸收层 前方。
[0002] 本发明还设及制造光伏电池的方法。
【背景技术】
[0003] 在太阳能电池的制造过程中，数年来全世界已经尝试改善效率。直到现在，太阳能 电池主要由娃制备，其中标准的厚层太阳能电池通常具有约达到200微米的厚度，并且由单 晶娃制备。尽管在单晶太阳能电池中，娃必须是具有较高质量的并且没有缺陷，但是近来也 正在研制具有几微米或甚至更少厚度的薄层太阳能电池。
[0004] 关于大幅提高太阳能电池的效率，设及如下独立的物理过程：
[0005] -首先，需要将光最佳禪合进入电池中，并且尽可能长时间地保持在电池中，即在 电池内尽可能多地吸收光子。因此，优化的光子管理是个问题。
[0006] -另一方面，（在光吸收之后)所生成的电荷必须尽可能好地从电池提供至消费者。 意图是最小化损耗过程，即改进的电子管理是个问题。
[0007] 光子管理的任何改进直接地导致太阳能电池内被吸收光子的数量的增加。因而， 光子管理越好，太阳能电池的效率越高，而不依赖于电池内的实际电子管理。
[000引为了改进太阳能电池的吸收，通常使用防反射层(AR层），防反射层被几何地构造， 尤其是被构造成棱锥结构或倒棱锥结构的形式。从而，太阳能电池的光子管理的较大改进 可W被实现，并且从而效率因子可W被(相对地)大致提高10%，即，例如，具有20%的效率 因子的太阳能电池通过使用具有棱锥结构的AR层可W被改进到22%的效率因子。
[0009] AR层通常由氮化娃组成，并且被构造成正棱锥结构，其中二次方形棱锥的基部通 常为2微米到10微米长。具有二次基部表面的锥体的顶锥角约是70°。
[0010] 该AR层特别具有W下缺点，即，该结构仅在太阳光谱的非常小的波长范围内才能 最佳地工作。
[0011] 由于该原因，已经尝试通过等离子结构实现改进的光子管理。
[0012] 根据 V.E.Ferry, J.M.Munday，H.A.Atwater 的 "Design Considerations for Plasmonic F*hotovoltaics(等离子光伏的设计考虑)"，Advanced Materials(《高级材料》） 20104(^.1曰16'.2010,22,4794-4808，通过包括等离子纳米结构，特别地在薄层电池中的吸 收问题将被避免。表面等离子激元被位于金属和电介质材料之间的界面表面处的电子的电 磁振荡限定。表面等离子激元可W引导光并且在较小的容积内聚积。
[0013] 因而，通过等离子结构增加太阳能电池的第一方法是，纳米粒子被施加于现有技 术的娃太阳能电池的表面，运通过沉积薄金属层和通过在氮气环境下退火而实现，使得结 构被转换成离散的岛状结构。然而，所产生的结构是不规则的。根据第二方法，胶态的银和 金纳米粒子被用作分散性元件的源。运导致粒子在表面处的均匀的量和单一的密度分布。 该沉积方法与晶体娃、非晶娃一起使用，并且用于InPAnGaAsP电池中。已经发现，通过使用 银纳米粒子，效率因子部分地增加了8%。另外还研究了，在将作为蒸发掩膜的AAO掩膜("阳 极氧化侣"）用作用于控制被沉积的纳米粒子的高度和密度的装置的同时，GaAs太阳能电池 的纳米粒子的量和密度分布的影响。通过采用粒子的密集的、高量布置，发现了效率因子的 最大增加，运与粒子之间的近场禪合有关。
[0014] 还研究了在娃表面上的银纳米结构AR层的影响。纳米结构的分散性物体是从电池 的背面进入半导体中的100纳米宽和50纳米高的肋部。研究了 6微米W及300纳米的距离，并 且本文中发现了特定的吸收改进。
[0015] 根据H.A.Atwater和A.Polman的 "Plasmonics for improved photovoltaic devices(用于改进的光伏器件的等离子体)"，Nature Materials!；《自然材料》），Vol .9， 2010年3月，205-213,等离子太阳能电池结构被考虑，其中在金属纳米粒子周围采用强近场 振幅W用于改进周围半导体材料的吸收的同时，在薄膜太阳能电池中进行谐振等离子激 励。然后，纳米粒子用作入射太阳光的天线，入射太阳光W局域表面等离子模式被存储。运 对于5纳米至20纳米直径的较小的粒子将特别有效。
[0016] 对于等离子太阳能电池结构的较大表面制备，考虑通过该金属层的热蒸发形成金 属纳米粒子，金属纳米粒子随后被加热W在表面上形成附聚物。运导致具有100纳米至150 纳米直径的不规则定位的纳米粒子。通过冲头使用光刻法，其中借助于软光刻法的溶胶-凝 胶-掩膜板与橡胶冲头一起使用，随后通过银蒸汽沉积和随后的移除，将获得小于0.1纳米 的分辨率。从而，获得具有300纳米的粒子直径和大致半球形形状的银纳米粒子的六角形阵 列，其中颗粒具有约500纳米的间距。
[0017] 具有成锥体形状的光学防反射层的现有技术结构还和使用等离子结构的较新方 法在一定程度上导致光子管理的改进，然而运种改进不足W被开发W获得实质上的改进。
【发明内容】
[0018] 鉴于此，本发明的目的是公开改进的光伏电池，特别是太阳能电池，借助于所述电 池可W获得光子管理的较大改进。
[0019] 另外，将公开制造该光伏电池的方法。
[0020] 根据本发明，该目标是通过一种光伏电池获得的，特别是太阳能电池，该电池包括 吸收层，防反射层定位在吸收层的前方，其中防反射层包括纳米结构层，所述纳米结构层具 有周期性布置的由导电材料形成的天线元件，所述纳米结构层被布置在与吸收层相距1纳 米至50纳米的距离处，并且所述纳米结构层至少部分地被容纳在所述防反射层中。
[0021 ]本发明的目的完全地用运种方法实现。
[0022]根据本发明，当使用具有由导电材料构成的周期性定位的天线元件的纳米结构层 并且天线元件被设置成与吸收层相距1纳米至50纳米时，能够获得光子管理的较大的改进， 即太阳能电池中的吸收的较大改进。天线元件可W W宽频带方式将(从280纳米至1100纳米 波长的）全部太阳光谱禪合进入太阳能电池中，并且因为纳米天线元件在太阳能电池中再 次接收被吸收的光并且发射返回到太阳能电池中，因此与当前使用的微米结构相比，可W 将光更长时间地保持在太阳能电池中。运样，通过采用运种新颖的纳米结构层，与现有技术 的锥体形状的AR层相比，光可W W2倍的系数更好地吸收（效率因子可W改进约20% (相对 地））。在根据本发明的纳米结构层中，周期性布置的天线元件用作具有限定的近场特性的 表面等离子激元。
[0023] 现有技术中直到现在已知的具有纳米结构层的等离子结构均不包括周期性布置 的天线元件或未确定到运样一种程度，即不能获得用于较宽范围的优化特性。
[0024] 根据本发明的光伏电池的特定优点在于W下事实，即具有周期性布置的天线元件 的纳米结构层可用于所有种类的光伏电池，而与光伏电池自身的结构无关。
[0025] 在根据本发明的光伏电池中，由于等离子体激元用作天线，因此光在更大角度范 围中被收集，并且然后被发射进入基板中。在W红外光照射的过程中，通过模式形成，非锐 焦点被减少，即，模式在传感器层的范围中演变，借此对所生成的电子的改进的收集是可能 的。
[0026] 根据本发明的优选新构想，纳米结构层连同背接触部的光伏电池形成光学谐振 器。
[0027] 根据本发明的另一新构想，纳米结构层被布置在与吸收层相距2纳米至20纳米的 距离处，优选地在相距5纳米至15纳米的距离处，特别优选地在相距7纳米至12纳米的距离 处。
[0028] 已经发现，通过该距离，可W在较宽的波长范围中获得特别良好的特性，尤其是特 别良好的吸收改进。
[0029] 优选地，天线元件被周期地相对于布置成彼此相距200纳米至800纳米的距离，优 选地相距250纳米至750纳米的距离。本文中，各个天线元件相对于彼此优选地被周期性地 正交地或六角形地布置。
[0030] 天线元件的高度优选地是10纳米至200纳米，更优选地为20纳米至150纳米，特别 优选地为30纳米至120纳米。
[0031] 天线元件在侧向方向上的最大延伸量优选地是20纳米至400纳米，更优选地为40 纳米至250纳米，特别优选地为100纳米至250纳米。
[0032] 天线元件在侧向方向上的最小延伸量优选地是25纳米，更优选地为30纳米，特别 优选地为至少50纳米。
[0033] 通过该定尺寸，可W在较宽的范围内向特定的电池结构提供特别有利的特性，W 在整个特定频谱内获得改进的吸收，或可W放大特定的频率范围，使得在光学传感器的领 域中利用光伏电池也是可能的。
[0034] 具有天线元件的纳米结构层优选地至少部分地被容纳在防反射层中，防反射层优 选地由SiOxNy(例如Si化N4)、氧化铁或ITO(氧化铜锡)组成。就纳米结构层而言，由于其高度 部分地突出超过防反射层，因而纳米结构层优选地位于被施加到其上方的保护层内，保护 层例如可W由氧化娃组成。
[0035] 纳米结构层可W由彼此组合成规则的图案的不同形状和/或量的天线元件或相同 的天线元件组成。
[0036] 根据本发明的另一新构想，纳米结构层：由圆形的、多边形的、S角形的或方形的 天线元件（22)组成；由相对于彼此对称布置的条块形式的交叉形的天线元件组成；为正方 形形状，并且较小的正方形W对称布置的形式附接到该正方形形状的每个外侧面;为正方 形形状，并且具有在每个角部区域处对称布置的方形凹部;或为圆形形状，并且具有对称布 置的切向地附接的四个矩形，其中，所述矩形或者在单元电池的方向上延伸或者相对于所 述单元电池偏转45%或由W六角形形式地布置在单元电池上的具有六个尖端的星形元件 组成，其中每个星形天线元件的尖端指向彼此，或尖端之间的侧边指向彼此。
[0037] 通过使用运种天线元件，当被用作传感器时，可W实现特定应用的从属结果，即特 别是特定太阳能电池的吸收改进，或特定频率范围的特定放大，或特定频率范围的滤波。
[0038] 优选地，天线元件被构造成圆柱体或直的棱柱体，所述圆柱体或直的棱柱体沿与 光伏电池的主延伸方向垂直的方向延伸。
[0039] 此外优选地，天线元件由从W下列各项组成的组中选择的金属组成，即银、铜、侣、 金和其合金。
[0040] 大多数情况下，银是特别优选地，然而对于特定应用，其它的金属也可能是有利 的。
[0041] 根据本发明的另一改进，天线元件由从W下列各项组成的组中选择的金属组成， 即银、铜、侣、金和其合金，并且其中天线元件的面向吸收器或背离吸收器的至少一侧涂覆 有从由W下各项组成的组中选择的不同材料，即银、铜、侣、金和其合金。
[0042] 通过在天线元件的一侧或另一侧或两侧上的运种涂层，专口改进的特性可W被获 得。
[0043] 根据本发明的另一改进，纳米结构层由直圆柱体组成。当光伏电池被构造成太阳 能电池、特别是娃太阳能电池时，运是特别有利的。
[0044] 已经发现，具有直圆柱体的纳米结构层的设计导致在太阳光在总光谱范围内的特 别良好的吸收增加。
[0045] 根据该构造的另一改进，纳米结构层由圆柱体组成，所述圆柱体具有150纳米至 250纳米的直径，优选地具有180纳米至200纳米的直径，和50纳米至90纳米的高度，所述圆 柱体优选地W400纳米至600纳米的间距、优选地450纳米至510纳米的间距布置成正交图 案，并且与吸收层的距离为5纳米至13纳米、优选地为8纳米到10纳米。
[0046] 从而，对于标准的太阳能电池，即约180微米至200微米的厚度的单晶太阳能电池， 能够获得优化的特性。
[0047] 根据本发明的另一优选的改进，太阳能电池被构造成厚度达200微米的标准的厚 层太阳能电池，其中纳米结构层的圆柱体具有185纳米至195纳米、优选地约190纳米的直 径，具有68纳米至72纳米、优选地约70纳米的高度，并且被布置成与吸收层相距8.5纳米至 9.5纳米、优选地约9纳米的正交图案，并且相对于彼此的间距为460纳米至470纳米、优选地 约46?内米。
[0048] 从而获得了对于标准的厚层太阳能电池的优化条件。
[0049] 根据本发明的另一改进，太阳能电池被构造成厚度达200微米的HIT厚层太阳能电 池，其中纳米结构层的圆柱体具有185纳米至195纳米、优选地约190纳米的直径，具有68纳 米至72纳米、优选地约70纳米的高度，与吸收层的距离为8.5纳米至9.5纳米、优选地约9纳 米，并且W彼此相距485纳米至495纳米、优选地相距约490纳米的间距被布置成正交图案。 从而获得了化t厚层太阳能电池（"具有本征薄层的异质结"-mT)的最优特性。
[0050] 在超薄层太阳能电池的情况下，纳米结构层有利地由圆柱体组成，所述圆柱体具 有200纳米至300纳米、优选地约250纳米的直径，具有50纳米至90纳米、优选地约70纳米的 高度化），所述圆柱体W400纳米至600纳米、优选地约525纳米的间距布置成正交图案，并且 与吸收层的距离(d)为5纳米到13纳米、优选地约9纳米。
[0051] 从而获得了对于超薄层太阳能电池的理想条件。
[0052] 超薄层太阳能电池例如可W是具有在约达到1000纳米范围内的厚度的电池，例如 具有200纳米厚度的银背接触层，具有约150纳米厚度的娃吸收层，例如约45纳米厚度的氮 化娃AR层，并且具有约64纳米厚度的二氧化娃保护层。
[0053] 根据本发明的另一构造，光伏电池被用作太阳能电池，所述太阳能电池在选定频 率范围内对入射福照的吸收增加。
[0054] 同样地，尤其取决于太阳能电池的厚度，能够获得相对于入射福射的选定的频率 范围的吸收增加，W使得对逐渐增加的部分未使用的红外部分的利用称为可能，从而获得 对入射光的总频带内的福射的整体的均匀利用。
[0055] 根据本发明的另一改进，光伏电池用作传感器，所述传感器在选定频率范围内的 吸收增加和/或在选定频率范围内的光学信号衰减。
[0056] 根据纳米结构层的被选择的参数，特性可W在较大范围内改变W获得所选频率范 围的特定的吸收增加，例如用于影响单个频率范围的特定的放大。相反地，还可W在特定频 率范围内获得光学信号衰减，即光学滤波功能。
[0057] 通过制造具有吸收器和位于吸收器上的防反射层(非结构化的）的光伏电池，可W 有利地制造根据本发明的光伏电池，其中具有纳米结构层的防反射层被制备成与吸收表面 相距1纳米至50纳米，其中纳米结构层具有周期性布置的由导电材料形成的天线元件。
[0058] 本文中，优选地，至少天线元件的形状、量、布置、周期性和离吸收器的表面的距离 根据光伏电池的设计和设计参数变化，W在选定的第一频率范围内确保特定的吸收增加 和/或在第二频率范围内确保光学衰减。
[0059] 因而，通过调节天线元件，纳米结构层的特性可W根据需要的应用而进行特别的 调整。
[0060] 基本上通过使用适于所需应用的已知过程可W完成纳米结构层的制备。
[0061] 制造根据前述设计的光伏电池的方法包括在施加(非结构化的）吸收层和保护层 之后制备纳米结构层，包括至少W下步骤：
[0062] -将光刻胶层施加到保护层上；
[0063] -借助于纳米结构模具压纹光刻胶层；
[0064] -借助于紫外光的照射而显影光刻胶层，W用于生成纳米结构光刻胶层；
[00化]-蚀刻W生成凹部；
[0066] -W导电材料对纳米结构层进行二维涂覆；
[0067] -移除光刻胶层。
[0068] 本文中，纳米结构层的制备是纳米压印过程，即所谓的纳米压印光刻法。本文中， 在室溫下使用软压印冲头。接触压力小于1000牛顿。当显影光刻胶层时，使用350纳米至450 纳米的波长范围的紫外光。小于15纳米的分辨率可W被获得，并且10毫米至200毫米的基板 可W被处理。运是所谓的紫外纳米压印光刻法(UV-NIL)。
[0069] 可选地，所谓的纳米干设光刻法也可W用于生成光刻胶层的图案。
[0070] 其余步骤与上述步骤对应，即：
[0071 ]-蚀刻，W在防反射层中生成凹部；
[0072] -通过使用导电材料对纳米结构层进行二维涂覆；
[0073] -移除光刻胶层。
[0074] 基本上，有利地，在经完全处理的太阳能电池上执行纳米结构层的生成，然而，在 那里，防反射层被制备成非结构化的，即，成为没有锥体结构的连续的层。
[007引运样，在制造太阳能电池的过程中，已知的制造工艺不必进行修改。因而，纳米结 构层还能够随后被生成，并且随后能够通过施加优选地由二氧化娃组成的保护层而再次被 密封。
[0076] 运样，纳米结构层的生产可W被容易地调节成已知的生产工艺。
[0077] 将会理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的前述特征和在下文描 述的特征不仅能用于指定的组合，还可W用于不同的组合或被独立地使用。
【附图说明】
[0078] 参照附图，可W通过随后的参照附图的对优选实施例的描述获得本发明的其他特 征和优点。运些附图示出了：
[0079] 图1:根据本发明的太阳能电池的简化的横截面；
[0080] 图2a至2c:执行用于生成纳米结构层的紫外光纳米光刻过程中的不同的步骤；
[0081] 图3a至3s:天线元件的不同的构造和空间布置；W及
[0082] 图4a至41:在天线元件的被选择的构造中用于根据波长计算吸收增加的不同模拟 结果的概要。
【具体实施方式】
[0083] 在图1中，此本文中被构造成太阳能电池的光伏电池都总体上用数字10图示。运例 如是(单晶)娃的标准的厚层太阳能电池，其包括吸收层12、银的背接触层14、氮化娃(Si3N4) 的前侧防反射层16和位于其上的二氧化娃保护层。另外，包括天线元件22的纳米结构层20 被部分地被容纳在AR层16中并且部分地突出进入保护层18中。纳米结构层20具有高度h并 到吸收层12的距离为d。
[0084] 各个天线元件可W例如由银、或者诸如铜、侣、金或它们的合金的各种不同材料分 别组成，并且可W可能位于AR层16的一侧或在较远侧被涂覆有不同的材料，可W，例如，由 银组成并且可W在AR侧涂覆金。天线元件22的形状、量、布置和其他参数可W在较宽界限内 变化W根据各自的应用生成纳米结构层的被调整的特性。天线元件22连同背接触部14形成 光学谐振器，其中天线元件22用作等离子体激元。
[0085] 通过模拟多个参数，可W针对相应的应用情况确定最优的一组设计参数。本文中， 可W通过模拟计算依赖于波长的吸收增加，吸收增加被限定为g(A)=具有纳米结构层的吸 收/不具有纳米结构层的吸收。只要通过借助于纳米结构层，因子g大于1，就导致吸收的改 进。该模拟结果被示例性地示出在下文所描述的图4a到4e中。
[0086] 基本上，通过使用针对相应的过程进行调节的、在现有技术中已知的工艺来完成 纳米结构层20的制备。优选地，本文中，分别根据在现有技术中已知的工艺完全地制备光伏 电池或太阳能电池，并且仅随后施加纳米结构层。仅防反射层(AR层）16被生成为二维层，并 且未被构造为在现有技术中已知的锥体图案。
[0087]随后生成纳米结构层20的的优点在于，光伏电池可W根据已知工艺完全地处理， 从而没有必要进行工艺修改。
[008引在下文参照图2简要地描述根据UV-NIL工艺的纳米结构层20的制备。
[0089] 本文中，如在现有技术中所知和如上所述，首先，太阳能电池被制备成具有二维AR 层16。随后例如通过旋涂将光刻胶层施加到保护层18上。形成根据图2(a)的具有光刻胶层 26的基板24。在运种情况下，基板24是太阳能电池10的保护层18(也可想到直接在施加 AR层 16之后、施加保护层18之前开始）。随后，借助于具有纳米结构层20的图案的冲头28,光刻胶 层26被随后图案化。根据图2(b)的由橡胶组成的软冲头28在室溫下通过小于1000牛顿的接 触力被压印，如图2(b)中的箭头30所示。从而，冲头28的结构被转印到光刻胶层26上。在根 据图2(b)的该步骤中，借助于具有约350纳米到450纳米的光的紫外光照射，光刻胶层26被 固化。在根据图2(c)移除冲头28之后，具有纳米结构光刻胶层26的基板24保持在其表面处。
[0090] 随后，借助于蚀刻(干法蚀刻）的进一步理被执行，随后用期望的金属(例如，银)层 进行二维涂覆，并且最后移除光刻胶层。纳米结构层20与离散的天线元件22保持在理想的 布置中，具有到吸收层12的所需要的距离。根据在蚀刻过程中、在涂覆过程中执行的工艺， 并且根据通过冲头所施加的进入光刻胶层中的印记的深度，纳米结构层可W被生成为具有 所需的设计参数。根据各个天线元件22的高度，运些天线元件从AR层16向上突出或被完全 地容纳在其中。作为最终步骤，接下来通常通过使用二氧化娃在表面上施加保护层。
[0091] 在W上描述中，因为在太阳能电池的前侧上的接触指的说明被省略，运是因为它 们是借助于太阳能电池10的相应的制造方法W常规方式生成的。
[0092] 本发明不设及用于运种纳米结构层20的制备方法，但是大致设及纳米结构层的结 构、布局和设计。
[0093] 在图3a到图3s中，图示了天线元件22的一系列设计变化。所示出的都是一个单元 电池(周期P)的顶视图。
[0094] 应该说明的是，在所有描述的情况下，相应的天线元件在高度方向上直线地延伸， 即天线元件被分别地构造成直的圆柱体或棱柱体。
[00M]在图3a和3b中，示出了六角形天线元件的六角形布局。根据图3曰，侧表面彼此平 行，而根据图3b，角部指向彼此。
[0096] 在图3c和3d中，示出了中屯、处的六角形天线元件和处于正交布局下的每个均为= 角形天线的组合。根据图3c，六角形的尖端朝向=角形，而根据图3d，六角形的侧表面朝向 S角形。
[0097] 图3e和3f分别地对应于图3b和3曰。
[0098] 在图3g和化中，星形天线元件被示出，其中图3g示出了六角形布局，其中星形天线 元件的尖端指向彼此。相比之下，根据图化，星形天线元件的侧边指向彼此。
[0099] 图3i示出了方形天线元件的六角形布局。
[0100] 在图3j和3k中，示出了正方形和S角形的组合，每个都具有位于中屯、处的正方形 和成正交布局的位于表面的=角形。根据图3j，正方形被布置成具有其侧面平行于单元电 池的侧表面，而根据图3k，正方形转动45°，使得尖端指向=角形。
[0101] 在图31到化中，示出了不同的交叉结构。运些交叉结构中的每个都是正交布局。根 据图31，在中屯、处具有较大的正方形，其中每个较小的正方形都W对称配置施加到较大正 方形的侧面。
[0102] 图3m示出了由彼此交叉的两个条块组成的交叉结构。
[0103] 图化示出了在每个角部处具有较小的正方形切口的较大正方形形成的交叉结构。
[0104] 图3〇示出了具有中屯、圆的交叉结构，较小正方形W彼此90°的角间距施加于圆的 外侧。根据图3〇,正方形被转动45°并且因而指向单元电池的角部。根据图化，所施加的正方 形平行指向单元电池的侧面。
[0105] 图3q示出了圆柱体的六角形布局。
[0106] 图化示出了等边S角形的六角形布局。
[0107] 图3s示出了正交布局的圆柱体。
[0108] 所使用的设计参数被总结在表格1中。本文中总是参照相应的图。
[0109] 表格 1
[0110]
[0111]
[0112]
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117]
[011 引
[0119]
[0120] 在表格I中，其他模拟结果被总结在额外的系列19到28中。其他模拟结果设及根据 图3s的具有正交布局的相应的圆柱体。
[0121] 设及根据波长的计算出的吸收增加的被选择的模拟结果被总结在图4a到41中。如 从各个视图中可W看出的那样，在被选择的波长范围中导致部分地强的吸收增加。因而，防 反射层中的等离子体激元的特性不仅能够实现改进的光子管理，还通过使用特定的设计参 数能够分别地实现光学滤波功能或信号衰减，W及能够实现特定波长范围的同步放大。因 而，纳米天线元件22可W相对于其设计参数而改变W影响与光学传感器有关的特定特性。
[0122] 图4a示出了根据系列11的关于交叉结构的模拟结果，见表格1。取决于波长的吸收 增加的视图示出了位于约1050纳米处和725纳米处的放大高达6倍的两个强峰。其余的频率 范围分别保持不被影响或仅被相对较弱地放大，达约550纳米的范围。运些峰的位置和其高 度分别地可W被设计参数影响。
[0123] 图4b示出了根据系列12和13的关于交叉结构的模拟结果。可W看到，其呈现了放 大达到16倍的、位于1050和825纳米处的两个强峰。其余频率区域保持不被影响或仅被相对 较弱地放大。峰的位置和高度分别地可W被设计参数影响。
[0124] 图4c示出了根据系列16的用于交叉结构的模拟结果。可W看到放大达至化倍的、在 约1050纳米和约725纳米处的两个强峰。其余频率区域分别保持不被影响或仅被相对较弱 地放大，直到约550纳米的区域。峰的位置或其高度分别地可W被设计参数影响。
[0125] 图4d示出了根据系列15的用于交叉结构的模拟结果。可W看到，放大达到4倍的、 位于约1000纳米和约750纳米处的两个非常强的峰被示出。其余频率区域分别保持不被影 响或仅被相对较弱地放大，直到约550纳米的区域。峰的位置或其高度分别地可W被设计参 数影响。
[0126] 图4e示出了根据系列17的关于S角形结构的模拟结果。可W看到，产生了放大高 达19倍的、位于约1050纳米处非常强的峰。其余频率区域分别保持不被影响或仅被相对较 弱地放大。峰的位置和其高度分别地可W被设计参数影响。
[0127] 图4f示出了根据系列6和7的关于星形结构的模拟结果。可W看到，产生了放大高 达3.3倍的、位于约825纳米处的非常强的峰。其余频率区域分别保持不被影响或仅被相对 较弱地放大。峰的位置和其高度分别地可W被设计参数影响。
[0128] 图4g到41示出了根据系列8的用于正方形结构的模拟结果。可W看到放大高达7倍 的、位于约1100纳米、850纳米和725纳米处的=个强峰。其余频率区域分别保持不被影响或 仅被相对较弱地放大。峰的位置和其高度分别地可W被设计参数影响。
[0129] 从图4a到41的模拟结果可W总体地看到，通过多个设计参数的变化，吸收特性可 W被具体地影响W用于放大特定的频率范围，运对于作为传感器的应用是有利的。
[0130] 对于具有150纳米厚度的娃吸收层、具有约200纳米厚度的银背接触部、具有约45 纳米厚度的Si3M防反射层16和具有约64纳米厚度的二氧化娃保护层的超薄层太阳能电池 来说，W下参数被确定为最优的设计参数：
[0131] 天线元件22是具有525纳米周期的正交布局的圆柱形。半径是125纳米，并且高度h 为70纳米。与吸收层12的距离d是9纳米。
[0132] 用于具有约180微米到200微米厚度的标准的厚层太阳能电池的最优参数被确定 如下：
[0133] 正交布局的天线元件的圆柱形形状，具有464.75纳米的周期。圆柱体的半径是95 纳米并且高度h为70纳米。与吸收层12的距离d是9纳米。
[0134] 对于厚层HIT电池而言，周期最佳为490纳米。
【主权项】
1. 一种光伏电池，特别是太阳能电池，包括吸收层（12)，防反射层（16)被布置在所述吸 收层的前方，其中防反射层（16)包括纳米结构层(20)，所述纳米结构层具有周期性布置的 由导电材料形成的天线元件(22)，所述纳米结构层被布置在与吸收层（12)相距1纳米至50 纳米的距离(d)处，并且所述纳米结构层至少部分地被容纳在所述防反射层(16)中。2. 根据权利要求1所述的光伏电池，其中： 纳米结构层(20)与光伏电池（10)的背接触部（14) 一同形成光学共振器。3. 根据权利要求1或2所述的光伏电池，其中，纳米结构层（20)被布置在与吸收层（12) 相距2纳米至20纳米的距离处，优选地在相距5纳米至15纳米的距离处，特别优选地在相距7 纳米至12纳米的距离处。4. 根据权利要求1、2或3中任一项所述的光伏电池，其中，天线元件（22)被周期性地布 置成彼此相距200纳米至800纳米的距离，优选地相距250纳米至750纳米的距离。5. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中，天线元件(22)具有10纳米至200 纳米的高度，优选地具有20纳米至150纳米的高度，更优选地具有30纳米至120纳米的高度。6. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中，天线元件（22)在侧向方向上具 有20纳米至400纳米的最大延伸量，优选地具有40纳米至250纳米的最大延伸量，特别优选 地具有1〇〇纳米至250纳米的最大延伸量。7. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中，天线元件（22)在侧向方向上具 有25纳米的最小延伸量，优选地具有30纳米的最小延伸量，特别优选地具有50纳米的最小 延伸量。8. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中，纳米结构层由SiOxNy、氧化钛或 IT0组成。9. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中，纳米结构层(20)由彼此组合成 规则图案的不同形状和/或量的天线元件或相同的天线元件组成。10. 根据前述权利要求中的任一项所述的光伏电池，其中，所述纳米结构层： 由圆形的、多边形的、三角形的或方形的天线元件(22)组成； 由相对于彼此对称布置的条块形式的交叉形的天线元件组成； 为正方形形状，并且较小的正方形以对称布置的形式附接到该正方形形状的每个外侧 面； 为正方形形状，并且具有在每个角部区域处对称布置的方形凹部;或 为圆形形状，并且具有对称布置的切向地附接的四个矩形，其中，所述矩形或者在单元 电池的方向上延伸或者相对于所述单元电池偏转45° ;或 由以六角形形式地布置在单元电池上的具有六个尖端的星形元件组成，其中每个星形 天线元件的尖端指向彼此，或尖端之间的侧边指向彼此。11. 根据权利要求10所述的光伏电池，其中，天线元件(22)被构造成圆柱体或直的棱柱 体，所述圆柱体或直的棱柱体沿与光伏电池(1 〇)的主延伸方向垂直的方向延伸。12. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中，天线元件由从银、铜、铝、金及 它们的合金组成的组中选出的金属组成。13. 根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，其中， 天线元件由从由银、铜、铝、金及它们的合金组成的组中选择的金属组成，并且其中，天 线元件的面向吸收器或背离吸收器的至少一侧涂覆有从由银、铜、铝、金及它们的合金组成 的所述组中选择的不同的材料。14. 一种根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池，所述光伏电池被构造成太阳能 电池，特别是硅太阳能电池，其中纳米结构层优选地由直圆柱体组成。15. 根据权利要求14所述的太阳能电池，其中，纳米结构层由圆柱体组成，所述圆柱体 具有150纳米至250纳米的直径，优选地具有180纳米至200纳米的直径，和50纳米至90纳米 的高度，所述圆柱体优选地以400纳米至600纳米的间距、优选地450纳米至510纳米的间距 布置成正交图案，并且与吸收层的距离为5纳米至13纳米、优选地为8纳米到10纳米。16. 根据权利要求15所述的光伏电池，所述光伏电池被构造成厚度达200微米的标准的 厚层太阳能电池，其中纳米结构层的圆柱体具有185纳米至195纳米、优选地约190纳米的直 径，具有68纳米至72纳米、优选地约70纳米的高度，与吸收层的距离为8.5纳米至9.5纳米、 优选地约9纳米，并且在正交图案中相对于彼此的间距为460纳米至470纳米、优选地约465 纳米。17. 根据权利要求15所述的太阳能电池，所述太阳能电池被构造成厚度达200微米的 HIT厚层太阳能电池（10)，其中纳米结构层(20)的圆柱体具有约185纳米至195纳米、优选地 约190纳米的直径，具有68纳米至72纳米、优选地约70纳米的高度(h)，与吸收层（12)的距离 (d)为8.5纳米至9.5纳米、优选地约9纳米，并且以彼此相距485纳米至495纳米、优选地相距 约490纳米的间距被布置成正交图案。18. 根据权利要求14所述的太阳能电池，所述太阳能电池特别地被构造成超薄层太阳 能电池，其中纳米结构层由圆柱体组成，所述圆柱体具有200纳米至300纳米、优选地约250 纳米的直径，具有50纳米至90纳米、优选地约70纳米的高度(h)，所述圆柱体以400纳米至 600纳米、优选地约525纳米的间距布置成正交图案，并且与吸收层的距离(d)为5纳米到13 纳米、优选地约9纳米。19. 前述权利要求中任一项所述的光伏电池作为太阳能电池（10)的用途，所述太阳能 电池在选定频率范围内对入射辐照的吸收增加。20. 权利要求1至13中任一项所述的光伏电池作为传感器的用途，所述传感器在选定频 率范围内的吸收增加和/或在选定频率范围内的光学信号衰减。21. -种制备光伏电池的方法，特别是制备根据权利要求1至18中任一项所述的光伏电 池的方法，其中，光伏电池（10)被制成为具有吸收器（12)和布置在所述吸收器上的防反射 层（16)，其中防反射层（16)由纳米结构层(20)制备，所述纳米结构层具有周期性布置的由 导电材料形成的天线元件(22)，所述纳米结构层与吸收器表面(12)相距1纳米到50纳米。22. 根据权利要求21所述的方法，其中，至少天线元件的形状、量、布置、周期性和离吸 收器的表面的距离根据光伏电池的设计和设计参数变化，以在选定的第一频率范围内确保 特定的吸收增加和/或在第二频率范围内确保光学衰减。23. 根据权利要求21或22所述的制备光伏电池的方法，其中：在施加吸收层和保护层之 后，纳米结构层的制备至少包括以下步骤： -将光刻胶层施加到保护层上； -借助于纳米结构的冲头对光刻胶层进行压印； -通过借助于紫外光进行照射对光刻胶层进行显影，以生成纳米结构的光刻胶层； -进行蚀刻以生成凹部； -用导电材料对纳米结构层进行二维涂覆； -移除光刻胶层。24. 根据权利要求21或22所述的方法，其中，在施加吸收层和保护层之后，通过纳米干 涉光刻法进行纳米结构层的制备，随后进行以下步骤： -蚀刻，以在防反射层中生成凹部； -通过使用导电材料对纳米结构层进行二维涂覆； -移除光刻胶层。25. 根据权利要求23或24所述的方法，其中： 在移除光刻胶层之后，施加优选地由氧化硅组成的保护层。
【文档编号】H01L31/0232GK105830224SQ201480058264
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年8月14日
【发明人】杰米·卢帕卡-肖姆博, 里卡多·卢帕卡-肖姆博, 乔尔格·安德烈亚斯·莫莱恩
【申请人】Nts纳诺太阳能技术公司