一种等离子激元复合减反射膜增强太阳电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳电池领域，特别涉及一种等离子激元复合减反射膜增强太阳电池及其制备方法。

背景技术：

太阳电池作为一种直接利用太阳光进行能量转换的器件，是我们主要利用太阳能的方式。如何对其进一步的提升光电转换效率是人们关注的重点。大部分的太阳电池的表面的反射率较高，对于光的捕获与吸收的能力比较弱，这就使得太阳电池的能量来源被大大的耗散了。传统上我们使用减反射膜作为光学增益结构来增强太阳电池对于光的吸收。然而受限于光学原理，单层减反射膜只能对于单一波长的光有最大的减反射效果，对于其他波长的光则没有最大的减反射效果。虽然多层减反射膜可以对于多个波长的光有增透效果，然而太阳能光谱是连续的，且本身多层减反射膜就存在膜与膜间的界面损耗等问题。因此研究如何在更宽的太阳能光谱上获得更好的对于太阳光的减反射效果是十分必要的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种等离子激元复合减反射膜，可以提高太阳电池的光电转换效率。

本发明的另一目的在于提供上述等离激元复合减反射膜的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种等离子激元复合减反射膜增强太阳电池，由下至上依次包括太阳电池，金属纳米粒子层以及减反射膜层。

所述金属纳米粒子层中金属纳米粒子为银纳米粒子、金纳米粒子或铂金属纳米粒子，优选为银纳米粒子；

所述减反射膜层优选为二氧化钛。

所述减反射膜层完全覆盖金属纳米粒子层。

所述太阳电池为肖特基结太阳电池，优选为石墨烯肖特基结太阳电池，所述肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极、gaas衬底、石墨烯层和顶电极。

所述金属纳米粒子层设置在太阳电池的表面，特别是电极以及未被电极覆盖的石墨烯层上。

所述减反射膜的厚度为30～300nm。减反射膜层的厚度优选大于金属纳米粒子层的厚度。

所述等离子激元复合减反射膜太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)配置金属纳米粒子的溶胶溶液；

(2)配置减反射膜层材料的溶胶溶液；

(3)将金属纳米粒子的溶胶溶液和减反射膜层材料的溶胶溶液依次旋涂在太阳电池的表面，获得等离子激元复合减反射膜太阳电池。

金属纳米粒子的溶胶溶液优选为纳米银溶胶，纳米银溶胶采用常规方法制备得到。纳米银溶胶的具体制备方法为：以水为溶剂，柠檬酸钠为缓冲剂，采用还原剂还原硝酸银，获得溶胶原液；将溶胶原液离心，将上层清液去除，下层加水分散，再次离心，分散，如此重复，最后一次离心后，将纳米银与有机溶剂混合，获得纳米银溶胶溶液。所述还原剂为抗坏血酸；所述还原剂采用滴加的形式加入，在进行还原时，溶液的ph为6。

所述减反射膜层材料的溶胶溶液优选为二氧化钛溶胶；所述二氧化钛溶胶采用常规的制备方法得到。

金属纳米粒子的溶胶溶液在进行旋涂时，旋涂的转速为2500～4500r/min，旋涂的时间为20～100秒；减反射膜层材料的溶胶溶液在进行旋涂时，旋涂的转速为2500～4500r/min，旋涂的时间为50～100秒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过在太阳电池表面旋涂金属纳米粒子(如：ag纳米颗粒)，利用合金颗粒的散射截面增强对太阳光的散射效应，同时利用纳米颗粒周围强的局域场增强太阳电池的光吸收，最终实现电池高的光电转换效率；

(2)本发明通过旋涂二氧化钛减反射膜，有效的减少了光的反射，增强了太阳能电池对于光的吸收，提高了太阳电池光电流的大小，最终提高了太阳电池的光电转换效率；

(3)本发明的制备方法简单有效，电池光电转换效率增强效果明显。

附图说明

图1为本发明的实施例的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池的结构示意图；

图2为本发明的实施例1的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池中纳米银颗粒的扫描电子显微镜图；

图3为本发明的实施例1的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池的光学显微镜图；

图4为本发明的实施例1的太阳电池(无减反射膜层和金属纳米粒子层)(即本征电池)以及等离子激元复合减反射膜增强太阳电池(即复合减反射膜电池)的电流-电压关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池的结构示意图如图1所示，由下至上依次包括太阳电池，金属纳米粒子层5以及减反射膜层6。

所述金属纳米粒子层中金属纳米粒子为银纳米粒子、金纳米粒子或铂金属纳米粒子，优选为银纳米粒子；

所述减反射膜层优选为二氧化钛。

所述减反射膜层完全覆盖金属纳米粒子层。

所述太阳电池为肖特基结太阳电池，优选为石墨烯肖特基结太阳电池，所述肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极1、gaas衬底2、石墨烯层3和顶电极4。

所述金属纳米粒子层设置在太阳电池的表面，特别是电极以及未被电极覆盖的石墨烯层上。

实施例1

如图1所示，本实施例的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池，由下至上依次包括底电极1(au)，gaas衬底2，石墨烯薄膜3，顶电极4，金属纳米粒子层5，二氧化钛减反膜6。

底电极1(au)，gaas衬底2，石墨烯薄膜3以及顶电极4组成石墨烯肖特基结太阳电池。石墨烯肖特基结太阳电池采用常规的方法得到。

本实施例的等离子激元复合减反射膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米银溶胶的制备：先取100ml的浓度为0.01mol/l的硝酸银溶液，然后加入2ml的1wt％柠檬酸钠溶液作为缓冲剂，在搅拌的条件下(转速为900r/min)，逐滴滴加1ml的浓度为1.4mg/ml的抗坏血酸溶液，并用氢氧化钠溶液调节ph至6，维持搅拌1个小时后，停止搅拌，得到纳米银溶胶原液；取10ml溶胶原液进行离心(转速为7200r/min，离心时间为10分钟)，去除上层清液，留下底部沉淀与浊液(大约为1毫升)后再用去离子水将各个离心管中的液面补充至10毫升，超声分散15分钟，然后离心，分散，如此重复3次后，用8000r/min的转速离心10分钟，去除上层清液后加入丙酮补充液面至5毫升，得到纳米银溶胶；

(2)二氧化钛溶胶的制备：将23ml的无水乙醇和0.5ml的乙酸乙酯混合，然后加入10ml的钛酸四丁酯，形成二氧化钛凝胶的前驱体溶液；将12ml的无水乙醇、1.5ml的去离子水和1.5ml的65wt％硝酸溶液混合，得到水解混合溶液；在搅拌的条件下(转速为900r/min)，以每秒1滴到1.5滴的速度逐滴滴加水解混合溶液到处于搅拌状态的前驱体溶液中，将水解混合溶液完全滴入到前驱体溶液中之后，维持搅拌状态2小时，搅拌完成后用铝箔纸覆盖密封烧杯口，并静置在室温下老化24个小时，从而得到二氧化钛溶胶；

(3)复合减反射膜的旋涂：设定镀膜机转速为3000r/min，试转5秒，若出现飞片现象则调整太阳电池的位置直至不发生飞片，先令旋涂机在低速状态下工作(2500r/min)，而后用移液枪吸取100μl的纳米银溶胶并往太阳电池上滴一滴，之后进入高速旋涂，转速为3000r/min，时常为60秒，而后再用移液枪吸取100μl的二氧化钛溶胶，先令镀膜机处于低速状态下，而后滴两滴二氧化钛溶胶至太阳电池上，高速旋转一分钟后便可得到纳米银粒子复合二氧化钛减反射膜，即得到等离子激元复合减反射膜增强太阳电池。

二氧化钛减反射层的厚度为120nm。

图2为本实施例的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池中银纳米颗粒的扫描电子显微镜照片，从图中可以看出银纳米颗粒的分布比较少，粒径约为80纳米左右。图3为实施例1的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池的光学显微镜图；图4为实施例1的太阳电池(无减反射膜层和金属纳米粒子层)以及等离子激元复合减反射膜增强太阳电池的电流-电压关系曲线图。从图3可以看出纳米银粒子复合二氧化钛减反射膜的表面的形貌。图4是太阳电池电流-电压关系曲线，从中可以看出太阳电池的光电流提升了约27.33％

本发明在太阳电池中引入银纳米颗粒与二氧化钛减反射膜，由于纳米颗粒的局域表面等离子体效应，一方面可以增强对入射太阳光的散射作用，提高太阳光在有源区内部的传播距离从而提高光吸收。同时，银纳米颗粒的局域表面等离激元被激发后，在颗粒周围会形成强的局域电场，根据费米黄金规则，这种强的局域电场可以提高电池入射光子的吸收速率。同时另外通过引入减反射膜，让光的能够更少的被反射掉，增大了入射太阳电池的光的数量，从而增加了电池的光点效率。

实施例2

本实施例的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池，由下至上依次包括底电极(au)，gaas衬底，石墨烯薄膜，顶电极，金属纳米粒子层，二氧化钛减反膜。

底电极(au)，gaas衬底，石墨烯薄膜以及顶电极组成石墨烯肖特基结太阳电池。石墨烯肖特基结太阳电池采用常规的方法得到。

本实施例的等离子激元复合减反射膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米银溶胶的制备：先取100ml的浓度为0.01mol/l的硝酸银溶液，然后加入2ml的1wt％柠檬酸钠溶液作为缓冲剂，在搅拌的条件下(转速为900r/min)，逐滴滴加1ml的浓度为1.4mg/ml的抗坏血酸溶液，并用氢氧化钠溶液调节ph至6，维持搅拌1个小时后，停止搅拌，得到纳米银溶胶原液；取10ml溶胶原液进行离心(转速为7200r/min，离心时间为10分钟)，去除上层清液，留下底部沉淀与浊液(大约为1毫升)后再用去离子水将各个离心管中的液面补充至10毫升，超声分散15分钟，然后离心，分散，如此重复3次后，用8000r/min的转速离心10分钟，去除上层清液后加入丙酮补充液面至5毫升，得到纳米银溶胶；

(2)二氧化钛溶胶的制备：将23ml的无水乙醇和0.5ml的乙酸乙酯混合，然后加入10ml的钛酸四丁酯，形成二氧化钛凝胶的前驱体溶液；将12ml的无水乙醇、1.5ml的去离子水和1.5ml的65wt％硝酸溶液混合，得到水解混合溶液；在搅拌的条件下(转速为900r/min)，以每秒1滴到1.5滴的速度逐滴滴加水解混合溶液到处于搅拌状态的前驱体溶液中，将水解混合溶液完全滴入到前驱体溶液中之后，维持搅拌状态2小时，搅拌完成后用铝箔纸覆盖密封烧杯口，并静置在室温下老化24个小时，从而得到二氧化钛溶胶；

(3)复合减反射膜的旋涂：设定镀膜机转速为3000r/min，试转5秒，若出现飞片现象则调整太阳电池的位置直至不发生飞片，先令旋涂机在低速状态下工作(2500r/min)，而后用移液枪吸取100μl的纳米银溶胶并往太阳电池上滴一滴，之后进入高速旋涂，转速为3000r/min，时常为60秒，而后再用移液枪吸取100μl的二氧化钛溶胶，先令镀膜机处于低速状态下，而后滴1滴二氧化钛溶胶至太阳电池上，高速旋转一分钟后便可得到纳米银粒子复合二氧化钛减反射膜，即得到等离子激元复合减反射膜增强太阳电池。

二氧化钛减反射层的厚度为100nm。

实施例3

本实施例的等离子激元复合减反射膜增强太阳电池，由下至上依次包括底电极(au)，gaas衬底，石墨烯薄膜，顶电极，金属纳米粒子层，二氧化钛减反膜。

底电极(au)，gaas衬底，石墨烯薄膜以及顶电极组成石墨烯肖特基结太阳电池。石墨烯肖特基结太阳电池采用常规的方法得到。

本实施例的等离子激元复合减反射膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米银溶胶的制备：先取100ml的浓度为0.01mol/l的硝酸银溶液，然后加入2ml的1wt％柠檬酸钠溶液作为缓冲剂，在搅拌的条件下(转速为900r/min)，逐滴滴加1ml的浓度为1.4mg/ml的抗坏血酸溶液，并用氢氧化钠溶液调节ph至6，维持搅拌1个小时后，停止搅拌，得到纳米银溶胶原液；取10ml溶胶原液进行离心(转速为7200r/min，离心时间为10分钟)，去除上层清液，留下底部沉淀与浊液(大约为1毫升)后再用去离子水将各个离心管中的液面补充至10毫升，超声分散15分钟，然后离心，分散，如此重复3次后，用8000r/min的转速离心10分钟，去除上层清液后加入丙酮补充液面至5毫升，得到纳米银溶胶；

(2)二氧化钛溶胶的制备：将23ml的无水乙醇和0.5ml的乙酸乙酯混合，然后加入10ml的钛酸四丁酯，形成二氧化钛凝胶的前驱体溶液；将12ml的无水乙醇、1.5ml的去离子水和1.5ml的65wt％硝酸溶液混合，得到水解混合溶液；在搅拌的条件下(转速为900r/min)，以每秒1滴到1.5滴的速度逐滴滴加水解混合溶液到处于搅拌状态的前驱体溶液中，将水解混合溶液完全滴入到前驱体溶液中之后，维持搅拌状态2小时，搅拌完成后用铝箔纸覆盖密封烧杯口，并静置在室温下老化24个小时，从而得到二氧化钛溶胶；

(3)复合减反射膜的旋涂：设定镀膜机转速为3000r/min，试转5秒，若出现飞片现象则调整太阳电池的位置直至不发生飞片，先令旋涂机在低速状态下工作(2500r/min)，而后用移液枪吸取100μl的纳米银溶胶并往太阳电池上滴一滴，之后进入高速旋涂，转速为3000r/min，时常为60秒，而后再用移液枪吸取100μl的二氧化钛溶胶，先令镀膜机处于低速状态下，而后滴4滴二氧化钛溶胶至太阳电池上，高速旋转一分钟后便可得到纳米银粒子复合二氧化钛减反射膜，即得到等离子激元复合减反射膜增强太阳电池。

二氧化钛减反射层的厚度为200nm。

本发明的金属纳米粒子的溶胶溶液的浓度为0.001-10mol/l，金属纳米粒子层的厚度为30-100纳米，金属纳米粒子的粒径为10～80nm。

所述金属纳米粒子层的厚度为30-100纳米，金属纳米粒子的粒径为10～80nm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。