一种金属－有源层－抗反射层纳米线太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种金属?有源层?抗反射层纳米线太阳能电池，由半导体纳米线单元沿一维方向周期性放置，形成周期结构阵列；半导体纳米线单元由金属、有源层和抗反射层由内至外依次同轴设置构成。光入射时，抗反射层增强光入射到有源层的能量；光入射至有源层时，激励出回音壁模式，满足该模式的光波在有源层内传播；当光波入射至有源层和金属交界面时，激励出金属表面等离子激元，满足波矢量匹配波长的光波被吸收。本发明可实现对满足波矢量匹配波长的光波接近100％吸收率，同时抗反射层可作为正向电极，金属作为背向电极导电，在正向和背向电极之间加载电路可实现有效的光电转化。本发明材料适用广泛，制造工艺简单，可实现全光谱高吸收率。
【专利说明】
一种金属一有源层一抗反射层纳米线太阳能电池
技术领域
[0001]本发明涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种半导体材料厚度在几十纳米的薄膜型高吸收率太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着纳米技术和纳米电子技术的快速发展，金属表面等离子激元(SurfacePlasmon polaritons，SPPs)在近年来成为一个新兴的研究方向。SPPs是当电磁波入射到金属与介质表面，在交界面处产生的表面电磁波振荡，其电场强度在金属表面最大，随着垂直于交界面的距离的增大而呈指数衰减。因此，SPPs是一种表面波，它的电磁场被约束在金属与介质交界面附近的范围内。SPPs可以突破衍射极限，把电磁波约束在亚波长尺寸范围内传播。金属材质、亚波长结构及金属表面介质都会对SPPs产生影响，目前，SPPs效应已经应用在太阳能、波导传输、谐振腔、激光放大、传感和成像等多个领域。
[0003]有专家在2014年提出抗反射层一半导体吸收层-银三层平面结构，其中半导体吸收层的厚度在几十纳米左右。当光波从空气侧入射时，满足波矢量匹配的光波在半导体吸收层和银交界面激励出SPPs，SPPs沿半导体吸收层和银交界面方向传播并被半导体吸收层吸收。该结构可实现对可见光波段(400纳米?800纳米)中满足波矢量匹配的光波100%的吸收率，利用该结构可以实现太阳光能量的有效吸收。但是该结构只能实现可见光波段对某些特定波长光波100%能量的吸收。
[0004]回音壁模式(whispering gallery modes，WGM)是一种可以绕凹曲面传播的波类型。最初发现WGM是在圣保罗大教堂回音廊里传播的声波。近年来，工作在光波段的WGM谐振腔已成功地被研究及运用于激光器、滤波器、传感器和波混频器等多种光器件中。在上述应用中，WGM谐振腔的品质因数(Q)取值一般较高，范围从15-109，甚至更高，因为高Q值的WGM谐振腔能量泄漏小、频率选择性高，但光耦合进入谐振腔的效率较低。与此相对，WGM同样可以应用于太阳光波段宽带吸波材料，这种应用则要求WGM谐振腔的特性具有高吸收率、低频率选择性和强耦合的特性，即WGM谐振腔Q值较低。
[0005]有专家在2011年提出一种周期性排列的微晶硅材料球形纳米颗粒，纳米颗粒的厚度在50nm左右，这种几何形状结构具有低Q值WGM谐振模式，能促进太阳光耦合到WGM谐振模式，提高光在微晶硅材料中的光程，从而提高光的吸收率。但是该结构正向和背向导电电极不易加工，使得生产太阳能电池器件较困难;虽然其正向和背向导电电极可分别加工在球形纳米颗粒的上下侧，但由于该结构形状为球形，在加工中极易导致正向和背向电极之间连通而造成短路。
[0006]当太阳光从空气入射至半导体有源层时，由于空气和半导体材料的折射率不同导致太阳光会在两者交界面产生反射损耗，常用的方法是在半导体材料表面镀上具有导电性的抗反射薄膜(Ant1-refIect1n Coating,ARC)，如掺锡氧化铟(ITO)或掺招氧化锌(ZnO:Al)等透明导电薄膜，在实现增强光透射的同时作为正向电极导电。
[0007]如何发挥SPPs、WGM及ARC的优势，同时克服SPPs、WGM的缺点，形成一种半导体材料厚度在亚波长范围内的薄膜型高吸收率太阳能电池，是本领域技术人员致力于解决的难题。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的是薄膜型太阳能电池吸收特性不理想、对于全光谱的吸收不充分以及太阳能电池器件正负电极加工较困难的技术问题。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:由半导体纳米线单元沿一维方向周期性放置，形成周期结构阵列;所述半导体纳米线单元由金属、有源层和抗反射层由内至外依次同轴设置构成。
[0010]优选地，所述金属为圆柱形，所述有源层为圆柱环结构，所述抗反射层也为圆柱环结构。
[0011 ] 优选地，所述金属半径为10nm?200nm。
[0012]优选地，所述有源层内径与所述金属外径相同，所述有源层外径比所述金属外径大30歷?100111110
[0013]优选地，所述抗反射层内径与所述有源层外径相同，所述抗反射层外径比所述有源层外径大30nm?I OOnm ο
[0014]优选地，所述金属由电极银、金或招制成。
[0015]优选地，所述有源层由半导体材料硅基、锗或砷化镓制成。
[00? 0]优选地，所述抗反射层由抗反射透明导电材料ITO或ZnO: Al制成。
[0017]优选地，所述当可见光入射时，通过抗反射层增强光入射到有源层的能量；当光入射至有源层时，激励出回音壁模式，满足回音壁模式的光波在有源层内传播;当所述光波入射至有源层和金属的交界面时激励出金属表面等离子激元SPPs，SPPs沿有源层和金属的交界面传播，满足波矢量匹配波长的光波能力被吸收。
[0018]优选地，所述抗反射层作为正向电极导电，所述金属作为背向电极导电。
[0019]本发明将半导体纳米线沿一维方向周期性放置形成周期结构阵列，在半导体纳米线的内部引入金属柱，在半导体纳米线外部包裹具有导电性的抗反射层ARC，形成一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池结构。当可见光入射至该结构时，ARC层可以增强光入射到半导体材料层和作为正向电极导电。金属柱能实现当太阳光入射时在半导体材料内部激励出SPPs和WGM模式，同时可作为背向金属电极导电，使得光程增加、光回收增强、光吸收增大。与具有相同结构尺寸的平板薄膜型太阳能电池相比，本太阳能电池的吸收率增强了62%。
[0020]相比现有技术，本发明提供的太阳能电池结构具有如下有益效果:
[0021](I)本发明通过在具有一维周期排列分布的半导体材料纳米线内部引入金属柱，当太阳光入射至半导体材料和金属柱的交界面时，能激励出SPPs，通过参数优化可实现对满足波矢量匹配波长的光波接近100%吸收率。
[0022](2)本发明通过在具有一维周期排列分布的半导体材料纳米线内部引入金属柱，使得半导体材料纳米线形成纳米圆柱环，当太阳光入射至纳米圆柱环时可激励出WGM模式，满足WGM谐振模式的光波可以沿纳米圆柱环内部传播，从而提高光波在半导体材料内部的光程和光回收，提高太阳光的吸收效率。
[0023](3)在本发明中，半导体材料纳米线内部的金属柱具有激励SPPs和作为背向金属电极的功能，半导体材料纳米线外部包裹的抗反射层由透明导电材料制成，具有增强太阳光入射和作为正向导电电极的功能。通过在正向和背向电极之间加载电路可实现有效的光电转化。
[0024](4)本发明对于半导体纳米线材料不严格依赖，许多在可见光波段具有高吸收率的硅基、锗、砷化镓、CIGS等半导体材料均可采用，同时内部金属柱材料可采用在太阳能电池中常用的银、金、铝等材料，这样受工艺限制的因素比较小。
【附图说明】
[0025]图1为本实施例提供的金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池在一个周期的示意图；
[0026]图2为本实施例提供的金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池整体结构示意图；
[0027]图3为本实施例提供的太阳能电池与相同结构尺寸的平板单晶硅的光吸收率对比图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0029]如图1所示为本实施例提供的金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池在一个周期的示意图，其结构由内而外分别为:
[°03°] 金属I，其材料为银，半径为145nm;
[0031]有源层2，其包裹在金属I的外侧，其材料为单晶硅，半径为225nm，厚度为80nm;
[0032]抗反射层3，其包裹在有源层2的外侧，其材料为ZnO:Al，其在可见光波段的折射率通常为1.92，半径为26511111，厚度为4011111。
[0033]金属1、有源层2、抗反射层3构成一个整体结构，将该整体结构沿一维方向周期性排列形成本实施例提供的金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池的实际结构，如图2所示，周期为460nmo
[0034]将抗反射层3放置在有源层2的外侧，可以促进入射太阳光从空气到有源层2的耦合。抗反射层3由透明导电材料形成，可同时作为太阳能电池的正向电极。
[0035]通过在有源层2内部引入金属1，使得有源层2形成圆柱环形结构，当太阳光入射至有源层2时可激励出WGM模式，满足WGM谐振模式的光波可以在有源层2内传播，光程增大，光吸收增强。当太阳光入射至有源层2和金属I的交界面时，能激励出SPPs，SPPs沿有源层2和金属I的交界面传播，满足波矢量匹配波长的光波具有接近100%的光吸收率。金属I可同时作为太阳能电池的背向电极。
[0036]金属1、有源层2和抗反射层3的加工可以采用常规的物理化学气相沉积(PCVD)或飞秒激光刻蚀等方式，进而实现整体电池结构。
[0037]TM偏振的太阳光正入射至本太阳能电池表面。考虑到太阳光在AM1.5条件下光强主要分布在可见光及红外波段，单晶硅的禁带宽度对应的光波长，本实施例所设定的参考光波段为300]11]1?1100111110
[0038]图3为厚度为80nm的平板单晶硅(背面镀有厚度为145nm的银，正面镀有厚度为40nm的ZnO:Al)的光吸收率和本实施例的太阳能电池的光吸收率对比图。从图3可以看出，本实施例的太阳能电池的光吸收率在参考光波段比具有相同结构尺寸的平板单晶硅要高。
[0039]采用短路电流密度对图3中两条曲线进行量化处理，可以得到本实施例的太阳能电池的短路电流密度为19.22mA/cm2，厚度为80nm的平板单晶硅的短路电流密度为
11.86mA/cm2。与同结构尺寸的平板单晶硅相比，本实施例的太阳能电池的短路电流密度提尚了62 %。
【主权项】
1.一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:由半导体纳米线单元沿一维方向周期性放置，形成周期结构阵列;所述半导体纳米线单元由金属(I)、有源层(2)和抗反射层(3)由内至外依次同轴设置构成。2.如权利要求1所述的一种金属-有源层一抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述金属(I)为圆柱形，所述有源层(2)为圆柱环结构，所述抗反射层(3)也为圆柱环结构。3.如权利要求2所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述金属(I)半径为10nm?200nmo4.如权利要求3所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述有源层(2)内径与所述金属(I)外径相同，所述有源层(2)外径比所述金属(I)外径大30nm?10nmο5.如权利要求4所述的一种金属一有源层一抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述抗反射层(3)内径与所述有源层(2)外径相同，所述抗反射层(3)外径比所述有源层(2)外径大30nm?lOOnm。6.如权利要求1?3任一项所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述金属(I)由电极银、金或铝制成。7.如权利要求1?4任一项所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述有源层(2)由半导体材料硅基、锗或砷化镓制成。8.如权利要求1?5任一项所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述抗反射层(3)由抗反射透明导电材料ITO或ΖηΟ:Α1制成。9.如权利要求1所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:当可见光入射时，通过抗反射层(3)增强光入射到有源层(2)的能量；当光入射至有源层(2)时，激励出回音壁模式，满足回音壁模式的光波在有源层(2)内传播；当所述光波入射至有源层(2)和金属(I)的交界面时，激励出金属表面等离子激元SPPs，，SPPs沿有源层(2)和金属(I)的交界面传播，满足波矢量匹配波长的光波能量被吸收。10.如权利要求1或9所述的一种金属-有源层-抗反射层纳米线太阳能电池，其特征在于:所述抗反射层(3)作为正向电极导电，所述金属(I)作为背向电极导电。
【文档编号】H01L31/0352GK106067485SQ201610559814
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】饶蕾, 胡秀娟
【申请人】上海电机学院