一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其包括基底，可选用硅或者是玻璃，中间层是半导体功能层，在功能层上下表面都加上黑色的超材料电极，超材料电极是由两组十字交叉的银的光栅结构组成，上层和下层的十字架要对齐。通过设计薄膜太阳能电池功能层的厚度以及超材料的结构参数，使得较少量的入射太阳光能从金属网格结构中逃逸，其他大部分被束缚在薄膜太阳能电池的功能层。上下两层的金属网格结构能够激发谐振，光基本集中在薄膜太阳能电池的功能层中，不断地被吸收利用转化成为电子，从而提高光的利用率。金属网格结构的金属成分比较高，并且是连续的，导电能力比较强，可以直接用来作为实际应用的薄膜太阳能电池的电极。
【专利说明】一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及新能源领域，尤其涉及薄膜(有机或者是无机)太阳能电池。
【背景技术】
[0002]氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜电极和其他掺杂透明导电电极一仅有导电功能，并且制备工艺要求比较高。
[0003]在太阳能电极的基底上增加单层金属(大小几十纳米)颗粒一仅仅利用颗粒的散射，对光的吸收增加能力有限。
[0004]在太阳能电池的基底上刻蚀上金属条纹一仅仅提高了反射，将太阳光的路径增加一倍，但是对太阳光的束缚能力不强。
[0005]由于太阳能发电具有火电、水、核电所不能比拟的清洁性、安全性、资源的广泛和充足性等，使其成为21世纪各个国家主力开发的最美妙、最长寿、最有潜力和最可靠的新一代能源技术。薄膜太阳能电池顾名思义就是将一层半导体功能层薄膜加上上、下两层电极制备成太阳能电池，其使用的功能层(有机半导体或者无机半导体)极少，因此更容易降低成本。它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。然而到目前为止薄膜太阳能电池由于功能层比较薄，对太阳光的利用率依然不高，在现有的薄膜太阳能电池设计中，只有少于15%的入射光能为半导体异质结吸收利用。为了增加薄膜太阳能电池对光的吸收利用，目前通常在电极上增加了金属颗粒(能够散射太阳光，图1，其中黑色部分为金属)和金属周期型(能够反射太阳光，图2，其中黑色部分为金属)结构。
[0006]其中，利用随机分布的金属纳米粒子用作亚波长散射元素把平面太阳光波耦合和限制在吸收层中，比如利用在太阳能电池的表面随机散布的金属纳米颗粒多次散射入射太阳光，延长太阳光在功能薄膜层中的路径。但是纳米颗粒束缚光的能力比较差，对太阳光吸收率提高的程度仍然远远小于实际应用的需要，比如目前为止通过金属颗粒激发局域等离子体波的办法仅仅能将吸光效率提高1.7倍左右。
[0007]而利用金属纳米粒子用作亚波长天线，通过近场效应把局域等离子体波耦合到功能层，从而增加功能层的吸收截面。这种方式对制备的技术要求非常高，而且有效耦合到功能层的太阳光仅增加一倍左右。
[0008]在薄膜太阳能电池的电极刻蚀上金属光栅或者各种波纹，从而把太阳光耦合成金属和功能层界面处的等离子体基元，等离子基元会沿着界面传播并被功能层转化为光生载流子，从而增加其被功能层吸收的几率。但是这种方式仅仅提高了对于逃逸太阳光的反射，将太阳光的路径增加一倍，但是对太阳光的束缚能力不强，效果并不佳。
[0009]最重要的是，在这些利用金属纳米颗粒或者是金属天线的电极设计中，虽然能将功能层的吸收率提高1-2倍以上，但是由于其中金属成分是非连续的，所以金属颗粒和天线组成的薄膜都不导电，不能直接用来作为太阳能电池的电极。在实际应用中是把这些纳米结构制备到一层导电膜(金属或者ITO薄膜)上，并且进一步把这个整体的复合膜作为电极。实用新型内容
[0010]为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:其包括上层、中间层和下层，中间层是半导体功能层，半导体功能层上、下表面设置上层和下层，上层和下层为黑色的超材料电极，超材料电极是由十字交叉的金属光栅结构组成，上层和下层的金属光栅结构对称设置，金属光栅的光栅之间为介质，纵向排列的金属条的厚度We=70纳米，光栅周期Pe=190纳米，横向排列的金属条的厚度Wm=55纳米，光栅周期Pm=190纳米，半导体功能层的厚度H=50纳米，上层和下层金属光栅的金属条宽度L=60纳米，纵向排列的金属条的厚度We、纵向排列的光栅周期Pe、横向排列的金属条的厚度Wm、光栅周期Pm、金属条宽度L的数值选择在±5%内微调。
[0011]作为本实用新型的进一步改进，所述超材料电极是由十字交叉的银的光栅结构组成。
[0012]作为本实用新型的进一步改进，所述半导体功能层为有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT: PCBM。
[0013]作为本实用新型的进一步改进，还包括基底，下层设置在基底上，所述基底为硅或者玻璃。
[0014]作为本实用新型的进一步改进，上层的介质和下层的介质为空气或者是聚合物。
[0015]作为本实用新型的进一步改进，纵向排列的金属条的厚度We为67至73纳米，光栅周期Pe=181至199纳米。
[0016]作为本实用新型的进一步改进，横向排列的金属条的厚度Wm为53至57纳米，光栅周期Pm为181至199纳米。
[0017]作为本实用新型的进一步改进，半导体功能层的厚度H为48至52纳米。
[0018]作为本实用新型的进一步改进，上层和下层金属光栅的金属条宽度L为58至62纳米。
[0019]本实用新型的有益效果是:
[0020]高效:该结构能够保证至少80%以上的入射太阳能被束缚在薄膜太阳能电池的内部，并进一步得到利用。另外该结构避免了剩余的入射太阳光在太阳能电池的基底上转换成热能，造成实际器件的不稳定。
[0021]制备简单:对比于利用金属单组光栅结构作为电极的设计，该网格结构本身是导电性很强的薄膜，能够提高半导体层的量子效率，也可以直接通过单个接口将电子能导出，制备过程简单。
[0022]节省材料:相比在薄膜太阳能电池的金属电极，本结构节省了一半的金属成分，并且很大的减轻了器件的重量，在实际应用和施工过程中带来了很大的轻便。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是现有的金属颗粒作为背面电池上的散射源；
[0024]图2是现有的金属光栅结构作为下电极的散射源；
[0025]图3是本实用新型一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池立体图；
[0026]图4是本实用新型一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池截面图；[0027]图5是本实用新型通过上下金属电极组成的结构后的反射、透射、吸收光谱；
[0028]图6是本实用新型有超材料结构/无超材料结构下的吸收能量谱；
[0029]图7是吸收能量的增强因子；
[0030]图8是本实用新型一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池主视图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
[0032]针对现有薄膜太阳能电池的导电电极存在的不足，为了达到同时提高功能层的吸光效率和导电的功能，我们提出了以下的利用超材料的新型太阳能电池电极设计，以及相应制备方案，通过对太阳能电池的电极设计加以改进，真正实现“高效，无污染，可再生，低成本太阳能电池”。
[0033]在该设计中，利用具有特殊折射率的超材料的局域场效应来提高薄膜太阳能电池的吸光效率，并且在结构设计的时候让金属成分连接起来，达到导电的功能。(I)光学超材料一般是由金属纳米结构构成，特殊设计的超材料能够很好地把光局域在纳米量级的空间上，一般在结构内部有着非常强的局域场，现有的设计和试验证实，在具有特殊性质的超材料的内部仅有几十个纳米的空间里，电场强度可以增强50倍以上，也就是说强局域场部分的光能量能被提高一千倍以上。如果在这些区域填充上太阳能电池的功能层(比如半导体异质结等)的话，将会极大地提高太阳光的吸收效率；(2)另外通过调节超材料的结构设计改变它的电磁参数(折射率，介电常数和磁导率等)，使得它和空气达到阻抗匹配，最大程度的降低对太阳光的反射；(3)有目的的把超材料的金属成分连接起来，使得超材料薄膜本身具有很好的导电性，能够快速的把半导体功能层材料吸光后产生的电子-空穴对转移出来，从而提高了半导体层的量子效率，因此可以直接作为薄膜太阳能电池的电极。
[0034]具体设计如下:
[0035]利用金属网状结构代替传统的Π0和金属电极，结构如图3所示:
[0036]其中4是整个结构的基底，可选用硅或者是玻璃，中间层2是半导体功能层，在功能层上下表面都加上黑色的超材料电极，超材料电极(上层I和下层3)是由两组十字交叉的银的光栅结构组成，上层I和下层3的十字架要对齐。所述半导体功能层为有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。
[0037]通过初步的计算，把半导体功能层选为现在非常通用的有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物(P3HT:PCBM)，这类聚合物的吸收峰位在500纳米，吸收光谱比较宽。第一步设计在没有吸收的聚合物作为中间层的时候，采用的参数是纵向排列的金属条的厚度We=70纳米，光栅周期Pe=190纳米，横向排列的金属条的厚度是Wm=55纳米，光栅周期Pm=190纳米，P3HT:PCBM的厚度是H=50纳米，参数的选择可以在±5%内微调。对于垂直入射、偏振沿着纵向的光来说，通过上下金属电极组成的结构后的反射、透射、吸收光谱如图5，其中可以发现在太阳光能量最集中的的波长范围，从450-550纳米，入射的80%左右的光会被吸收消耗掉，只有20%左右的光会被发射或者是透过太阳能电池。金属光栅的金属条宽度L的范围在55至65纳米之间。
[0038]该结构的磁谐振波长在500nm，和P3HT:PCBM功能层的吸收峰基本符合。进一步的计算出把50纳米P3HT:PCBM层植入到金属光栅组成的上下电极中间，对比其吸收光能力的变化，结果如图6所示，从图可见，使用金属网格结构组成的超材料作为电极以后，50纳米的P3HT:PCBM薄膜吸收的能量增加了 3.5倍以上。
[0039]该结构有的优势如下:
[0040]1.通过设计薄膜太阳能电池功能层的厚度以及超材料的结构参数，使得较少量的入射太阳光能从金属网格结构中逃逸，其他大部分被束缚在薄膜太阳能电池的功能层。
[0041]2.上下两层的金属网格结构能够激发谐振，光基本集中在薄膜太阳能电池的功能层中，不断地被吸收利用转化成为电子，从而提高光的利用率。
[0042]3.金属网格结构的金属成分比较高，并且是连续的，导电能力比较强，可以直接用来作为实际应用的薄膜太阳能电池的电极。
[0043]以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:其包括上层(I)、中间层(2)和下层(3)，中间层(2)是半导体功能层，半导体功能层上、下表面设置上层(I)和下层(3)，上层(I)和下层(3)为黑色的超材料电极，超材料电极是由十字交叉的金属光栅结构组成，上层(I)和下层(3)的金属光栅结构对称设置，金属光栅的光栅之间为介质，纵向排列的金属条的厚度We=70纳米，光栅周期Pe=190纳米，横向排列的金属条的厚度Wm=55纳米，光栅周期Pm=190纳米，半导体功能层的厚度H=50纳米，上层(I)和下层(3)金属光栅的金属条宽度L=60纳米，纵向排列的金属条的厚度We、纵向排列的光栅周期Pe、横向排列的金属条的厚度Wm、光栅周期Pm、金属条宽度L的数值在±5%内微调。
2.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:所述超材料电极是由十字交叉的银的光栅结构组成。
3.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:所述半导体功能层为有机半导体聚三已基噻酚:富勒烯衍生物P3HT:PCBM。
4.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:还包括基底(4 )，下层(3 )设置在基底(4 )上，所述基底(4 )为硅或者玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:上层(O的介质和下层(3)的介质为空气或者是聚合物。
6.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:纵向排列的金属条的厚度We为67至73纳米，光栅周期Pe=181至199纳米。
7.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:横向排列的金属条的厚度^!为53至57纳米，光栅周期Pm为181至199纳米。
8.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:半导体功能层的厚度H为48至52纳米。
9.根据权利要求1所述的一种利用超材料的新型薄膜太阳能电池，其特征在于:上层(I)和下层(3)金属光栅的金属条宽度L为58至62纳米。
【文档编号】H01L51/46GK203607460SQ201320747041
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】肖淑敏, 宋清海, 孙上 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院