專利名稱：薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池，尤其是涉及一種用于新能源領(lǐng)域的具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池。
背景技術(shù)：
在所有的太陽能電池中，硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換率最高，技術(shù)也最為成熟，是目前最重要的光伏材料，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。但硅基太陽能光伏電池也面臨著效率與成本的重大矛盾。首先，由于硅基太陽能電池需消耗高質(zhì)量的硅材料較多，相應(yīng)電池制備工藝較為復(fù)雜，使其價(jià)格居高不下，大幅度降低其成本也非常困難；其次，電池的光電轉(zhuǎn)換效率在近十年中幾乎沒有得到重大的突破。解決這個矛盾的關(guān)鍵是提高光子的捕獲技術(shù)以提高太陽能電池內(nèi)部的光場密度。目前，雖然已提出在硅表面鍍抗反膜、制備絨面結(jié)構(gòu)、發(fā)射區(qū)鈍化和分區(qū)摻雜等多項(xiàng)技術(shù)，來提高約束光子的能力。但由于這些措施只是對現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)作一些修補(bǔ)，難以實(shí)現(xiàn)約束光子能力的突破。
太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)成本是決定太陽能電池競爭力的兩個最重要的指標(biāo)。為了提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，一些同樣基于薄膜技術(shù)的新結(jié)構(gòu)器件也應(yīng)運(yùn)而生。例如，近年提出的多帶隙疊層結(jié)構(gòu)，有利于太陽發(fā)射光譜的充分利用。但這種電池需要制備多層光電活性薄膜，會增加制備難度和成本。值得注意的是另一種新型結(jié)構(gòu)，被稱為等離子體太陽能電池(Plasmonic Solar Cell )，這種電池利用金屬納米顆粒來激發(fā)金屬和光電活性薄膜界面上的表面等離子波，用以增強(qiáng)電池約束光子的能力。在太陽發(fā)射光譜中的某些窄波段內(nèi)獲得的高效結(jié)果，已得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視。但表面等離子波是一種TM偏振光，而且僅在特定的入射角和特定的波長下才能存在。即這種電池接受太陽光是偏振、時間和波長相關(guān)的，使其利用太陽光的效率大大降低。為克服這個缺陷，可以制備不同形狀的金屬納米顆粒，使不同波段的太陽光得到充分利用。但這同樣會大大增加器件的制備成本。為了降低太陽能電池的成本有很多途徑，其中減小光電活性薄膜的厚度是一種最直接、簡單的方法，但是同時是以降低轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)的。有研究表明，活性膜的厚度減小至0. 7微米以下會影響太陽能電池的開路電壓和短路電流，從而影響太陽能電池的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在提高太陽能電池內(nèi)部光場強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提供一種具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池。本發(fā)明技術(shù)方案一種薄膜太陽能電池，自上而下設(shè)置了上層金屬薄膜、厚玻璃、 透明導(dǎo)電薄膜、光電活性薄膜和下層金屬薄膜，其中上層金屬薄膜和下層金屬薄膜形成波導(dǎo)的包覆層，厚玻璃、透明導(dǎo)電薄膜和光電活性薄膜形成導(dǎo)波層，下層金屬薄膜與透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成電池的電極，根據(jù)所述光電活性薄膜光響應(yīng)度大的波段確定上層金屬薄膜的厚度。
所述光電活性薄膜光響應(yīng)度大的波段確定上層金屬薄膜的厚度。所述光電活性薄膜(4)是在透明導(dǎo)電薄膜上制備的多晶硅、非晶硅或CIGS光電活性薄膜。所述上層金屬薄膜(1)是厚度35nm的金屬薄膜。所述厚玻璃(2)是厚度0. 5mm 2. Omm的玻璃。所述光電活性薄膜(4)是亞微米量級透明導(dǎo)電薄膜。所述光電活性薄膜(4)是微米量級光電活性薄膜。所述下層金屬薄膜(5)是厚度300nm的金屬薄膜。所述上層金屬薄膜(1)是厚度35nm的金屬薄膜，所述厚玻璃(2)是厚度0. 5mm 2. Omm的玻璃，所述光電活性薄膜(4)是亞微米量級透明導(dǎo)電薄膜，所述光電活性薄膜(4) 是微米量級光電活性薄膜，所述下層金屬薄膜(5)是厚度300nm的金屬薄膜。所述上層金屬薄膜或下層金屬薄膜由銀、銅或鋁制成。有益效果本發(fā)明提出的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)不同于表面等離子波結(jié)構(gòu)太陽能電池，而是一種亞毫米尺度雙面金屬包覆波導(dǎo)，具有以下幾個特征
1.因雙面金屬覆蓋，波導(dǎo)的有效折射率范圍滿足，是玻璃的折射率)因此在不用
棱鏡或光柵情況下，可通過我們發(fā)展的自由空間耦合技術(shù)，直接使太陽光從空氣射向波導(dǎo)激發(fā)波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模；
2.與傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)不同，由于金屬介電系數(shù)實(shí)部絕對值在光頻范圍具有較大的數(shù)值， 使得超高階導(dǎo)模在金屬覆蓋層中的衰減系數(shù)仍比較大；另外，由于超高階導(dǎo)模的群速度與波導(dǎo)的有效折射率成正比，因此，當(dāng)時，有，表明這種波導(dǎo)具有超強(qiáng)的約束光強(qiáng)的能力；
3.由于導(dǎo)波層厚度為毫米尺度，因此這種波導(dǎo)可容納數(shù)千個超高階導(dǎo)模，而這些超高階導(dǎo)模是偏振不靈敏的，有利于光能的充分利用；
4.在入射光波長確定時，任意入射角的光都能耦合進(jìn)波導(dǎo)成為波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模； 而當(dāng)入射角固定時，幾乎任意波長的太陽光都能耦合進(jìn)波導(dǎo)成為波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模。本發(fā)明由上層金屬薄膜和下層金屬薄膜形成波導(dǎo)的包覆層，由玻璃、透明導(dǎo)電薄膜和光電活性薄膜形成導(dǎo)波層，當(dāng)太陽光從空氣中射向該雙面金屬包覆波導(dǎo)時，會激發(fā)波導(dǎo)層中的超高階導(dǎo)模，這種超高階導(dǎo)模具有超強(qiáng)的約束光強(qiáng)的能力以及偏振不靈敏性，而且集聚在雙面金屬之間的波導(dǎo)層中，光電活性膜猶如浸泡在強(qiáng)光場中，從而有效提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明根據(jù)光電活性膜光響應(yīng)度大的波段，來確定上層金屬薄膜的厚度，從而把太陽光中有利于光電活性膜光電轉(zhuǎn)換的波段耦合進(jìn)入波導(dǎo)層。本發(fā)明厚玻璃中可以容納成千上萬個超高階導(dǎo)模，使得波導(dǎo)層中的光強(qiáng)很大。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池能夠使任意波長，任意入射角的光耦合進(jìn)入波導(dǎo)的導(dǎo)波層進(jìn)行全反射，而且雙面金屬包覆波導(dǎo)能夠制造光陷阱來約束光子。形象地說，光電活性薄膜始終被高密度和寬帶的光場所包圍和滲透，強(qiáng)光場可以有效提高光生電流密度，從而可以有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，生產(chǎn)成本是太陽能電池的另一個重要指標(biāo)。本發(fā)明省去了傳統(tǒng)電池鍍抗反膜、表面絨化和發(fā)射區(qū)鈍化等工藝，不需要像等離子體太陽能電池和染料敏化太陽能電池等制備納米顆粒， 可使用廉價(jià)的玻璃襯底，成本極為低廉。由于太陽光在本發(fā)明具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)電池導(dǎo)波層內(nèi)的反復(fù)振蕩，增加了光在活性薄膜中的有效光程，從而在減小活性膜的厚度的情況下，仍可以達(dá)到較高光電轉(zhuǎn)換率，大大節(jié)省價(jià)格昂貴的半導(dǎo)體材料的消耗，降低光電池成本。


圖1本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池示意2本發(fā)明太陽能電池的直接耦合方法示意圖
圖3本發(fā)明中特定波長，不同入射角度的耦合圖4本發(fā)明中特定入射角度，不同波長的耦合
圖5本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)太陽能電池與鍍抗反膜的太陽能電池、傳統(tǒng)薄膜電池、等離子體太陽能電池的光強(qiáng)度的對比
具體實(shí)施例方式下面通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述，一種薄膜太陽能電池(8)，自上而下設(shè)置了上層金屬薄膜(1)、厚玻璃(2)、透明導(dǎo)電薄膜(3)、光電活性薄膜(4)和下層金屬薄膜(5)，其中上層金屬薄膜(1)和下層金屬薄膜(5)形成波導(dǎo)的包覆層，厚玻璃(2)、透明導(dǎo)電薄膜(3)和光電活性薄膜(4)形成導(dǎo)波層，下層金屬薄膜(5)與透明導(dǎo)電薄膜(3)構(gòu)成電池的電極，根據(jù)所述光電活性薄膜(4)光響應(yīng)度大的波段確定上層金屬薄膜(1)的厚度。所述光電活性薄膜(4)光響應(yīng)度大的波段確定上層金屬薄膜(1)的厚度。所述光電活性薄膜(4)是在透明導(dǎo)電薄膜上制備的多晶硅、非晶硅或CIGS光電活性薄膜。所述上層金屬薄膜(1)是厚度35nm的金屬薄膜。
所述厚玻璃(2)是厚度0. 5mm 2. Omm的玻璃。所述光電活性薄膜(4)是亞微米量級透明導(dǎo)電薄膜。所述光電活性薄膜(4)是微米量級光電活性薄膜。所述下層金屬薄膜(5)是厚度300nm的金屬薄膜。所述上層金屬薄膜(1)是厚度35nm的金屬薄膜，所述厚玻璃(2)是厚度0. 5mm 2. Omm的玻璃，所述光電活性薄膜(4)是亞微米量級透明導(dǎo)電薄膜，所述光電活性薄膜(4) 是微米量級光電活性薄膜，所述下層金屬薄膜(5)是厚度300nm的金屬薄膜。所述上層金屬薄膜或下層金屬薄膜由銀、銅或鋁制成。如圖1所示，由厚度約為35nm的金屬薄膜(1)、約為0. 5mm_2. Omm厚的玻璃(2)、亞微米量級的透明導(dǎo)電薄膜(3)、微米量級的光電活性薄膜(4)和300nm左右的金屬薄膜(5) 組成。光電活性薄膜(4)、透明導(dǎo)電薄膜(3)和玻璃(2)構(gòu)成波導(dǎo)的導(dǎo)波層，上層金屬薄膜 (1)是波導(dǎo)的覆蓋層，而下層金屬薄膜(5)是波導(dǎo)的襯底，并與透明導(dǎo)電薄膜(3)構(gòu)成電池的電極。金屬材料可用銀，也可用銅或鋁。表1是把本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)太陽能電池與傳統(tǒng)的太陽能電池的比較
權(quán)利要求
1.一種薄膜太陽能電池(14)，自上而下設(shè)置了上層金屬薄膜(1)、厚玻璃(2)、透明導(dǎo)電薄膜(3)、光電活性薄膜(4)和下層金屬薄膜(5)，其中上層金屬薄膜(1)和下層金屬薄膜 (5)形成波導(dǎo)的包覆層，厚玻璃(2)、透明導(dǎo)電薄膜(3)和光電活性薄膜(4)形成導(dǎo)波層，下層金屬薄膜(5 )與透明導(dǎo)電薄膜(3 )構(gòu)成電池的電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述光電活性薄膜(4)光響應(yīng)度大的波段確定上層金屬薄膜(1)的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述光電活性薄膜(4)是在透明導(dǎo)電薄膜上制備的多晶硅、非晶硅或CIGS光電活性薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述上層金屬薄膜(1)是厚度35nm的金屬薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述厚玻璃(2)是厚度 0. 5mm 2. Omm的玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述光電活性薄膜(4)是亞微米量級透明導(dǎo)電薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述光電活性薄膜(4)是微米量級光電活性薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述下層金屬薄膜(5)是厚度300nm的金屬薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述上層金屬薄膜(1)是厚度35nm的金屬薄膜，所述厚玻璃(2)是厚度0. 5mm 2. Omm的玻璃，所述光電活性薄膜 (4)是亞微米量級透明導(dǎo)電薄膜，所述光電活性薄膜(4)是微米量級光電活性薄膜，所述下層金屬薄膜(5)是厚度300nm的金屬薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種薄膜太陽能電池，其特征是所述上層金屬薄膜或下層金屬薄膜由銀、銅或鋁制成。
全文摘要
一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池(8)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，用于新能源領(lǐng)域。本發(fā)明是由金屬薄膜(1)、厚玻璃(2)、透明導(dǎo)電薄膜(3)、光電活性薄膜(4)和金屬薄膜(5)組成，它能夠把太陽光(7)直接耦合進(jìn)入兩金屬層之間的波導(dǎo)層中產(chǎn)生超高光強(qiáng)的、偏振無關(guān)和入射角度無關(guān)的超高階導(dǎo)模(7)，光電活性薄膜(4)始終被高濃度和寬帶的光場所包圍和滲透，這樣可以有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/052GK102456761SQ201010528549
公開日2012年5月16日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者方靖淮, 曹莊琪, 袁國秋, 許田 申請人:方靖淮, 曹莊琪, 袁國秋, 許田