基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池的制作方法

本发明涉及一种薄膜太阳能电池，特别是涉及一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池。

背景技术：

作为人类生存发展的重要物质基础，能源一直是当今社会的关注焦点，也是制约社会经济发展的重要因素之一。传统化石燃料的枯竭以及日益严重的环境污染，迫使人们调整原有的能源结构，而清洁环保的绿色能源成为了最佳选择，太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，凭借其普遍长久、巨大及绿色无污染等优点，成为了人们研究的热点之一。

太阳能电池是将太阳能转换为电能最直接的器件。目前，太阳能电池市场份额最大的主要是晶体硅太阳能电池，但是由于其制备工艺复杂，原料成本高，因此在民用上受到了限制。为了降低制备太阳能电池的制备成本，其他新型太阳能电池也随之发展起来，包括非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。尽管如此，如何能够进一步提升太阳能电池光电转换效率仍然是人们研究的重点。

通过结构设计，在薄膜太阳能电池内部引入微/纳米结构，可有效提升太阳能电池的光电转换效率。其中，微米结构可以增加入射光在太阳能电池有源层内部的光程，从而增加太阳能电池的光吸收；引入纳米结构，可以激发具有纳米结构金属电极界面的表面等离子激元，利用表面等离子激元诱导的电磁场增强作用可以有效增加太阳能电池的光吸收效率，引入金属纳米粒子，利用金属纳米粒子诱导的局域表面等离子体的电磁场增强作用有效增加太阳能电池光吸收效率，同时通过在无机太阳能电池表面制备具有一定微结构形貌的绒面，可有效降低电池表面的反射损耗，增加太阳能电池的光吸收效率等。

目前，微/纳米结构的加工物理方法主要包括光刻技术、激光加工技术，纳米压印，扫描电子束刻蚀，聚焦离子束等，化学方法包括，化学合成，分子自助装等。利用这些加工方法可以在太阳能电池内部引入不同形貌的微/纳米结构。尽管如此，对于单一太阳能电池器件而言，引入其内部的微米结构或纳米结构，它们的形貌仍是单一的，而且周期也是单一的。因此利用微结构提升薄膜太阳能电池性能的机制也是单一的，导致薄膜太阳能电池光电转换效率提升的幅度仍能存在较大的局限性。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池，其克服了现有技术的薄膜太阳能电池采用微/纳米结构所存在的不足之处。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池，包括从上到下依次层叠的透明窗口层、窗口电极、有源层、背导电电极反射层，还包括微纳米复合结构，该微纳米复合结构设置于所述透明窗口层底面或有源层底面。

进一步的，所述微纳米复合结构为光栅结构。

进一步的，所述光栅结构为一维条形光栅，其横截面呈矩形或正弦形或梯形，或者，所述光栅结构为二维点阵光栅，其点阵中点的表面形貌呈圆形或六边形或矩形，点阵中两个方向的点为垂直分布或呈60度角分布。

进一步的，所述微纳米复合结构包括纳米周期结构和微米结构，纳米周期结构分布在微米结构表面。

进一步的，所述微米结构的光栅周期为2～10微米，光栅高度为30～100纳米；所述纳米周期结构的光栅周期为100～900纳米，光栅高度为30～70纳米。进一步的，所述微纳米复合结构位于所述透明窗口层底面，且所述微纳米复合结构的材质为光刻胶。

进一步的，所述窗口电极底面、有源层底面、背导电电极反射层底面利用高真空热沉积方法分别复制了所述微纳米复合结构。

进一步的，所述微纳米复合结构的材质为有源层材料，所述有源层底面利用纳米压印或激光烧蚀制备出所述微纳米复合结构。

进一步的，所述透明窗口层为玻璃材质，所述背导电电极反射层为金属薄膜。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提出在单一薄膜太阳能电池结构中引入周期性微纳米复合结构，该微纳米复合结构可以兼顾微米结构和纳米结构的优点，并可以在太阳能电池中引入多重提升电池性能的机制，从而大大提升了太阳能电池的光电转换效率。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池不局限于实施例。

附图说明

图1是实施例一本发明的结构示意图；

图2是实施例二本发明的结构示意图。

图3是平板器件和微米光栅器件的吸收曲线图；

图4是微米光栅器件的吸收光谱增量曲线图；

图5是平板器件和不同周期纳米光栅器件的吸收曲线图；

图6是纳米光栅器件的吸收光谱增量曲线图；

图7是平板器件和微纳米复合光栅器件的吸收曲线图；

图8是微纳米复合光栅器件的吸收光谱增量图。

具体实施方式

实施例一

请参见图1所示，本发明的一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池，适用于非晶硅薄膜太阳能电池、无机化合物半导体薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等，包括从上到下依次层叠的透明窗口层2、窗口电极4、有源层5、背导电电极反射层6，透明窗口层2顶面为光入射面(图1中箭头1示意光入射方向)。本发明还包括微纳米复合结构3，该微纳米复合结构3设置于所述透明窗口层2底面。所述微纳米复合结构3具体包括纳米周期结构和微米结构，微米结构分布在透明窗口层2底面，纳米周期结构分布在微米结构表面(指微米结构与透明窗口层2底面相背的一面)。所述透明窗口层2为玻璃材质，所述背导电电极反射层6为金属薄膜。

本实施例中，所述微纳米复合结构3为光栅结构，所述微米结构的光栅周期为2～10微米，光栅高度为30～100纳米；所述纳米周期结构的光栅周期为100～900纳米，光栅高度为30～70纳米。所述光栅结构可以是一维条形光栅，其横截面呈矩形或正弦形或梯形等。所述光栅结构也可以是为二维点阵光栅，其点阵中点的表面形貌呈圆形或六边形或矩形等，点阵中两个方向的点为垂直分布或呈60度角分布。

本实施例中，所述微纳米复合结构3的材质为光刻胶，可通过光刻技术与激光双光束干涉技术相结合的方法，在光刻胶表面制备。所述窗口电极4、有源层5、背导电电极反射层6可以通过真空热沉积、旋涂、外延和溅射等方法制备，因此可以在窗口电极4底面、有源层5底面、背导电电极反射层6底面有效地复制透明窗口层2底面的微纳米复合结构3，亦即，使所述窗口电极4底面、有源层5底面、背导电电极反射层6底面也分别形成有所述微纳米复合结构，如图1所示。

实施例二

请参见图2所示，本发明的一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池，其与上述实施例一的区别在于：所述微纳米复合结构3设置于所述有源层5底面。且微纳米复合结构3的材质为有源层材质，因此，所述有源层5为具有微纳米复合结构3的有源层。

本实施例中，所述微纳米复合结构3具体包括纳米周期结构和微米结构，微米结构分布在有源层5底面，纳米周期结构分布在微米结构表面(指微米结构与有源层5底面相背的一面)。所述微纳米复合结构3同样采用光栅结构，所述微米结构的光栅周期为2～10微米，光栅高度为30～100纳米；所述纳米周期结构的光栅周期为100～900纳米，光栅高度为30～70纳米。所述光栅结构的形貌为横截面呈矩形或正弦形或梯形等的条形一维光栅，或者，该光栅结构的表面形貌为圆形或六边形或矩形等的二维点阵光栅。

本实施例中，所述微纳米复合结构3可以采用纳米压印的方法实现，具体是通过光刻技术与激光双光束干涉技术相结合的方法，在光刻胶表面制备微纳米复合结构3的纳米压印模板，利用纳米压印的方法，在所述有源层5底面压印出微纳米复合结构3，最后蒸镀背导电电极反射层6，从而在太阳能电池的有源层5与背导电电极反射层6的界面引入微纳米复合结构3。此外，所述微纳米复合结构3也可以采用激光烧蚀工艺设置于有源层5底面。

以下本发明以器件结构为透明窗口层(玻璃)/微纳米复合条形光栅/窗口电极(au15nm)/有源层(pedot:pss60nm/p3ht:pcbm125nm)/背电极反射层(ag100nm)为模型特例，与平面结构器件(指未设置微米结构、纳米结构、微纳米复合结构的普通薄膜太阳能电池)、微米光栅器件(指仅置微米周期光栅结构的薄膜太阳能电池)、不同周期的纳米光栅器件(指设置纳米周期光栅结构的薄膜太阳能电池)在吸收谱、吸收光谱增量进行对比。其中本发明的器件中，聚(3,4-亚乙二痒基噻吩)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene),

pedot):聚(苯乙烯磺酸)(poly(styrenesulfonate),pss)作为空穴传输层，聚3-乙基噻吩(poly(3-hexylthiophene),p3ht)和(6,6)-苯基-c61丁酸甲酯(plenyl-c61-butyricacidmethylester,pcbm)分别作为电子的给体和受体材料。

利用有限时域差分(finitedifferencetimedomain,fdtd)算法，入射光是垂直入射的垂直磁场(transversemagnetic,tm)偏振光。水平方向上采用的是周期性边界条件(periodicboundarycondition,pbc),光入射方向边界条件采用完美匹配层(perfectlymatchedlayers,pml)。图3、图4表示带有周期为6μm，高度50nm的周期为微米的光栅器件和平面结构器件在相同有源层的厚度下的吸收光谱，以及对比于平面结构器件，微米光栅器件的吸收增量谱图，由图3、图4可以看出增加微米周期光栅结构后，因为微米周期光栅散射和微腔共振增强了有源层对入射光的吸收。图5、图6表示纳米光栅高度为10nm，光栅周期从150～400nm的纳米光栅器件和平面结构器件在相同有源层的厚度下的吸收光谱，以及对比于平面结构器件，纳米光栅器件的吸收增量谱图。由图5、图6可以看出因为纳米周期光栅结构激发金属反射电极与有源层界面的表面等离激元，从而诱导了该界面的电磁场增强效应，使有源层5对550～700nm波段入射光吸收显著提高，并且随着光栅周期的增大吸收增强峰红移。图7、图8表示本发明的薄膜太阳能电池器件模型(带微纳米复合结构)和平面结构器件在相同有源层的厚度下的吸收光谱，以及对比于平面结构器件，本发明的薄膜太阳能电池的吸收增量谱图。由图7、图8可以看出因为复合光栅的散射，微腔共振和表面等离激元诱导的电磁场增强效应使得有机太阳能电池的有源层光吸收显著增强。

因此，本发明的一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池，具有微米周期光栅结构引起的光散射作用以及增加电池各层之间的界面面积，提升太阳能电池光吸收的优点；也具有纳米周期光栅结构激发的金属反射电极和有源层界面的表面等离激元，诱导电磁场增强现象，提高有源层对入射光的吸收，多种作用机理共同提高太阳能电池的光电转化效率。

本发明在太阳能电池器件结构中引入了形貌和周期可调的微纳米复合结构，其结构是纳米周期结构分布在微米结构表面，其中，微米结构的形貌和周期可以通过选择不同图案的掩膜板调节，纳米周期结构的形貌和周期可以通过改变激光干涉过程中的激光光束的数量和夹角来控制。微纳米复合结构可以兼顾微米结构和纳米结构的优点，在太阳能电池中引入多重机制，从而提升太阳能电池的性能。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于微纳米复合结构的薄膜太阳能电池，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。