一种等离子体多尖端纳米结构太阳能电池及其制造方法与流程

本发明涉及一种太阳能电池领域，具体涉及一种等离子体多尖端纳米结构太阳能电池及其制造方法。

背景技术：

太阳能作为缓解能源危机的洁净新能源具有非常重要的应用价值及发展前景，点杨能电池是利用光生伏特效应，使半导体在受到光照射时产生电动势，将太阳辐射能转换为电能的器件，是太阳能光伏发电系统的核心技术，基础组成部件。但是目前的太阳能电池存在的最大的问题就是光电转化效率较低和成本高。

薄膜太阳能电池具有用材少、能耗低、成本低、能量回收期短等优点，并且其生产过程中不会污染环境，是具有很好发展前景的新型太阳能电池。

中国专利cn104979413公开了一种利用金属纳米线做透明导电膜的薄膜太阳能电池。该发明在玻璃基板上生长银，铜等金属纳米线，代替一般的半导体材料做透明导电层，以减少膜层带来的电阻。该发明由于金属纳米线材料的不透光性，减少了与太阳光的耦合，虽然降低了电池器件的电阻，但收集的光生载流子总量并没有很大提高。

中国专利cn102456761公开了一种具有波导结构的薄膜太阳能电池。该发明中电池的上层金属薄膜和下层金属薄膜形成波导的包覆层，厚玻璃，透明导电薄膜和光电活性薄膜形成波导层以提高太阳能电池的内部光场强度。该发明中的上层金属薄膜的厚度需要根据光电活性薄膜光响应度大的波段来确定，即对光电活性薄膜具有依赖性，这会使得生产工艺变得繁琐增加成本。

综上所述，目前薄膜太阳能电池存在的主要问题是生产成本高，光电转化率低。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种可以提高光电转换效率的等离子多尖端金属纳米结构太阳能电池及其制造方法。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种等离子体多尖端纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括背电极层、衬底层、复合结构层、正电极层，所述复合结构层包括多尖端金属纳米结构层和光吸收层，所述多尖端金属纳米结构为纳米星结构或纳米双边塔结构。利用金属纳米结构的尖端区电磁场增强的特性，增大太阳光与表面等离子体激元的耦合，增强光电流。

其中，纳米星结构具体为中间为圆球形结构，在圆球形结构的外表面生长着至少一个锥体结构，从而形成立体的星状结构，称之为纳米星结构，所述尖端指的是椎体结构的尖端。

双边金字塔结构指的的两个金字塔的底面相对形成的结构，金字塔的底面为正五边形，两个金字塔的塔顶形成尖端结构。

优选的，所述多尖端纳米结构层与所述光吸收层交替堆积形成所述复合层结构，所述多尖端金属纳米结构层可以设置于所述光吸收层的顶部，或者嵌入所述光吸收层中或者设置于所述光吸收层的底部。当多尖端纳米结构层置于光吸收层的顶部时，光通过多次和大角度散射优先散射进入半导体光吸收层，使得有效光程长度增加，光捕获增强。当多尖端纳米结构层嵌入光吸收层中时，多尖端金属纳米结构会激发局部表面等离子体激元，耦合太阳光，金属纳米结构尖端附近的电磁场增强，发生近场耦合，增强光电流。当多尖端纳米结构层置于光吸收层的底部时，多尖端金属纳米结构会激发表面等离子体激元，通过耦合入射光实现对太阳光的捕获。

优选的，所述多尖端金属纳米结构的材料选自金、银、铜中的任意一种。

更优选的，所述多尖端纳米结构的材料为金属金。

优选的，所述纳米星结构包括至少一个尖端。

更优选的，所述纳米星结构包括三个尖端。

优选的，所述纳米星的核直径为30～60nm，所述纳米星尖端的长度和直径分别为30～60nm和10～30nm，所述纳米双边金字塔的纵轴长度为60～140nm，所述纳米双边金字塔横轴的长度为20～45nm。

更优选的，所述纳米星的核直径为60nm，所述纳米星尖端的长度为60nm，所述纳米星尖端的直径为20nm。

具体的，所述纳米星的核直径指的是纳米星结构中圆球体的直径，所述纳米星尖端的长度指的是球形表面椎体的高度，尖端的直径指的的椎体底面直径。所述双边金字塔的纵轴长度指的是两个金字塔顶端的距离，所述双边金字塔横轴的长度指的是金字塔底面的最长距离的长度。

更优选的，所述金纳米星的制备方法具体为：以haucl4·3h2o为原料，在溶液中添加十六烷基三甲基溴化铵作为封端剂，添加抗坏血酸作为还原剂，添加agno3触发au纳米星的成核和生长，通过一锅法合成

优选的，所述衬底层的材料选自砷化镓，硅，钠钙玻璃中的任意一种。

优选的，所述的光吸收层选自p型层、n型层，p-n结层或p-i-n结层中的任意一种。

优选的，所述光吸收层的材料选自cdte、cu(in,ga)se2、cu(in,ga)(se,s)2、cuinse2、cugase2、cuins2、cu(in,ga)s2、cuscn中的任意一种。

优选的，所述光吸收层与所述正电极层之间还设置有透明导电层，所述光吸收层与所述透明导电层之间还设置有缓冲层。

更优选的，所述透明导电层的材料选自铝掺杂氧化锌、氧化铟锡、氟掺杂氧化锡中的任意一种。

本发明还提供一种等离子体多尖端纳米结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)提供一衬底层，所述衬底层的材料为砷化镓、非晶硅、钠钙玻璃中的任意一种；(2)在所述衬底层上通过表面蒸发方法形成复合结构层，所述复合结构层包括多尖端金属纳米结构层和光吸收层，所述多尖端纳米结构层与所述光吸收层交替堆积形成复合结构层；(3)在所述复合结构层上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正电极层，在所述衬底层下真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层。

优选的，在所述复合结构层上通过化学浴方法沉积缓冲层，在所述缓冲层上通过磁控溅射法沉积透明导电层。

优选的，所述金属纳米结构层的厚度为200～300nm，所述光吸收层的厚度为1.0～2.0μm，所述缓冲层的厚度为50～100nm，所述透明导电层的厚度为500～600nm。

更优选的，所述金属纳米结构层的厚度为200nm，所述光吸收层的厚度为1.0～2.0μm，所述缓冲层的厚度为50nm，所述透明导电层的厚度为500nm。

本申请与现有技术相比，其详细说明如下：

金属纳米结构因可诱导表面等离子体激元和具有局部场增强特性被应用于薄膜太阳能电池，该结构通常被用作等离子元来增强薄膜太阳电池的光吸收。在等离子共振频率附近金属纳米结构激发的表面等离子体激元可以有效地捕获和引导半导体层中的光，金属纳米颗粒局部场增强会增加周围半导体材料的光吸收，通过近场耦合使得光电流增强。相同体积纳米结构，尖端处有更大的曲率，而局部场增强与表面的曲率成比例，所以多尖端金属纳米结构在其尖端区域内，电磁强度进一步增强，近场耦合增强，表面等离子体激元可以更有效地捕获入射光，从而提高太阳能电池光电效率。

与通过减少薄膜层带来的电阻和通过改变光吸收层的材料和结构来增强光吸收的强度等现有技术方案不同，本发明结合了等离子体多尖端纳米结构，利用其诱导的表面离子体激元与入射光的耦合作用，提高了光的吸收，等离子体多尖端纳米结构在尖端区域电磁场增强是的近场耦合增大，提高了对入射光的捕获，增大了光载流子从而提高了光电转换效率。本发明还将透明导电薄膜层和光电活性薄膜层形成波导层，提高太阳能电池的内部光场强度来增大光载流子，从而提高光电转换效率。

附图说明

图1为本发明的等离子体多尖端金属纳米太阳能电池的结构示意图；

图2为本发明的等离子体多尖端金属纳米太阳能电池的结构示意图；

图3为本发明的等离子体多尖端金属纳米太阳能电池的结构示意图；

图4为本发明的等离子体多尖端金属纳米太阳能电池的结构示意图；

图5为本发明的等离子体多尖端金属纳米太阳能电池的结构示意图；

图6为本发明的等离子体多尖端金属纳米太阳能电池的结构示意图；

附图标记说明

1、背电极层；2、衬底层；3、多尖端金属纳米结构层；4、光吸收层；41、缓冲层；5、透明导电层；6、正电极层；7复合结构层。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本申请所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，如图1、图2所示，包括依次设置的背电极层1、衬底层2、复合结构层7、正电极层6，所述复合结构层包括多尖端金属纳米结构层3和光吸收层4，所述复合结构层7与所述正电极层6之间还可以设置有缓冲层41，所述缓冲层41与所述正电极层6之间还可以设置有透明导电层5。

其中，衬底层2的材料为所述衬底层的材料为砷化镓、非晶硅、钠钙玻璃中的任意一种，所述多尖端金属纳米结构层的材料为金、银、铜中的任意一种，厚度为200nm，所述光吸收层的材料为cdte、cu(in,ga)se2、cu(in,ga)(se,s)2、cuinse2、cugase2、cuins2、cu(in,ga)s2、cuscn中的任意一种，厚度为1～2μm，所述透明导电层的材料为azo、ito、fto中的任意一种，厚度为500nm，所述缓冲层的材料为硫化镉，厚度为50nm，所述正电极层与所述背电极层的材料为掺铝氧化锌。

其制备方法包括以下步骤：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为砷化镓、非晶硅、钠钙玻璃中的任意一种；

(2)在所述衬底层2表面形成多尖端金属纳米结构层3；

(3)在所述多尖端金属纳米结构层3上形成光吸收层4；

(4)在所述光吸收层4上采用化学浴法沉积缓冲层41；

(5)在所述缓冲层41上采用磁控溅射法沉积透明导电层5；

(6)在所述透明导电层5上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正电极层6；

(7)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

为了验证本申请技术方案的技术效果，在上述具体实施方式要求的基础上，采用具体参数进行试验验证，得到以下具体实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，包括依次设置的背电极层1，衬底层2，多尖端金属纳米结构层3，光吸收层4，正电极层6。

其制备方法如下：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为砷化镓；

(2)在所述衬底层2表面蒸发形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为60nm，尖端长度和直径分别为60纳米和20纳米的au纳米星结构，厚度为200nm；

(3)在所述多尖端金属纳米结构层3上形成2μm厚的p型cuscn光吸收层4；

(4)在所述光吸收层4真空蒸镀掺铝氧化锌形成正电极层6；

(5)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

实施例2

如图2所示，本实施例所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，包括依次设置的背电极层1，衬底层2，光吸收层4，多尖端金属纳米结构层3，缓冲层41，正电极层6。

其制备方法如下：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为砷化镓；

(2)在所述衬底层2表面形成2μm厚的n型cuscn光吸收层4；

(3)在所述光吸收层4上形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为30nm，尖端长度和直径分别为30nm和10nm的au纳米星结构，厚度为200nm；

(4)在所述多尖端金属纳米结构层3上采用化学浴法沉积cds缓冲层41，厚度为50nm；

(5)在所述缓冲层41上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正面电极层6；

(6)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

实施例3

如图3所示，本实施例所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，包括依次设置的背电极层1，衬底层2，多尖端金属纳米结构层3，光吸收层4，缓冲层41，透明导电层5，正电极层6。

其制备方法如下：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为非晶硅；

(2)在所述衬底层2表面形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为50nm，尖端长度和直径分别为50nm和20nm的ag纳米星结构，厚度为200nm；

(3)在所述多尖端金属纳米结构层3上形成2μm厚的n型cuins2光吸收层4；

(4)在所述光吸收层4上采用化学浴法沉积cds缓冲层41，厚度为50nm；

(5)在所述缓冲层41上采用磁控溅射法沉积透明导电层，材料为azo，厚度为500nm；

(6)在所述透明导电层5上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正面电极层6；

(7)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

实施例4

如图4所示，本实施例所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，包括依次设置的背电极层1，衬底层2，光吸收层4，多尖端金属纳米结构层3，光吸收层4，缓冲层41，正电极层6。

其制备方法如下：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为钠钙玻璃；

(2)在所述衬底层2表面形成1μm厚的p型cuinse2光吸收层4；

(3)在所述光吸收层4上形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为60nm，尖端长度和直径分别为60nm和30nm的cu纳米星结构，厚度为200nm；

(4)在所述多尖端金属纳米结构层3上形成1μm厚的p型cuinse2光吸收层4；

(5)在所述光吸收层4上采用化学浴法沉积cds缓冲层41，厚度为50nm；

(6)在所述缓冲层41上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正面电极层6；

(7)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

实施例5

如图5所示，本实施例所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，包括依次设置的背电极层1，衬底层2，光吸收层4，多尖端金属纳米结构层3，光吸收层4，缓冲层41，透明导电层5，正电极层6。

其制备方法如下：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为砷化镓；

(2)在所述衬底层2表面形成1μm厚的p型cuinse2光吸收层4；

(3)在所述光吸收层4上形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为60nm，尖端长度和直径分别为60nm和30nm的au纳米星结构，厚度为200nm；

(4)在所述多尖端金属纳米结构层3上形成1μm厚的p型cuinse2光吸收层4；

(5)在所述光吸收层4上采用化学浴法沉积cds缓冲层41，厚度为50nm；

(6)在所述缓冲层41上采用磁控溅射法沉积透明导电层，材料为ito，厚度为500nm

(7)在所述透明导电层5上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正面电极层6；

(8)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

实施例6

如图6所示，本实施例所述的一种等离子体多尖端金属纳米结构太阳能电池，包括依次设置的背电极层1，衬底层2，多尖端金属纳米结构层3，光吸收层4，多尖端金属纳米结构层3，光吸收层4，缓冲层41，透明导电层5，正电极层6。

其制备方法如下：

(1)提供一衬底层2，所述衬底层2的材料为砷化镓；

(2)在所述衬底层2表面形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为60nm，尖端长度和直径分别为60nm和30nm的au纳米星结构，厚度为200nm；

(3)在所述多尖端金属纳米结构层上形成1μm厚的p型cuscn光吸收层4；

(4)在所述光吸收层4上形成多尖端金属纳米结构层3，所述多尖端金属纳米结构为具有三个尖端的核直径为60nm，尖端长度和直径分别为60nm和30nm的au纳米星结构，厚度为200nm；

(5)在所述多尖端金属纳米结构层3上形成1μm厚的p型cuscn光吸收层4；

(6)在所述光吸收层4上采用化学浴法沉积cds缓冲层41，厚度为50nm；

(7)在所述缓冲层41上采用磁控溅射法沉积透明导电层5，材料为ito，厚度为500nm

(8)在所述透明导电层5上真空蒸镀掺铝氧化锌形成正面电极层6；

(9)在所述衬底层2上真空蒸镀掺铝氧化锌形成背电极层1。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。