一種二維硅基微納光子晶體太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太陽能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種二維硅基微納光子晶體太陽能電池，前接觸層的下側(cè)面上設(shè)有周期性排列的前電極；前電極和背電極之間設(shè)有二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)的上層為n型硅半導(dǎo)體層，下層為p型硅半導(dǎo)體層，n型硅半導(dǎo)體層和p型硅半導(dǎo)體層形成PN結(jié)；背電極的底部設(shè)有背接觸層，背接觸層的材料與前接觸層的材料相同；鋁薄層結(jié)構(gòu)的背電極設(shè)置在p型硅半導(dǎo)體層的慢光區(qū)域或禁帶區(qū)域；其結(jié)構(gòu)簡單，厚度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅太陽能電池的厚度，體積小，閾值低，載流子擴(kuò)散距離短，穩(wěn)定性、光的耦合和傳輸效率高，加工和復(fù)合技術(shù)成熟，成為新一代最有潛力、低成本、高效太陽能電池器件。
【專利說明】一種二維硅基微納光子晶體太陽能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)，特別是一種具有光子禁帶和慢光效應(yīng)，厚度小、陷光好、光電轉(zhuǎn)換效率高的二維硅基微納光子晶體太陽能電池。
【背景技術(shù)】
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[0002]太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，是太陽能利用的重要形式，按照基體材料分，太陽能電池可分為晶體硅太陽能電池、硒光太陽能電池、化合物太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、有機(jī)薄膜太陽能電池和燃料敏化太陽能電池，目前應(yīng)用廣泛的是硅基太陽能電池，這是因?yàn)楣柙喜牧县S富，光電轉(zhuǎn)換效率高，光電性能穩(wěn)定性和可靠性高，加工工藝技術(shù)成熟，不含有毒元素，不對(duì)環(huán)境造成污染，市場接受程度高等因素決定的。影響太陽能電池效率的主要因素可以歸結(jié)為兩方面，光學(xué)損失和電學(xué)損失，其中最主要因素是光學(xué)吸收，要提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，就要盡可能提高電池材料對(duì)太陽光的吸收。硅基太陽能電池的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)大型的PN結(jié)，對(duì)一般的硅材料(300K，Eg = 1.12eV)，其可利用的太陽光譜為300?llOOnm，硅太陽能電池的光學(xué)能量損耗不僅在于能量小于晶硅能系的紅外光子不能被利用，更是因?yàn)楣庾幽芰坎荒苡行У赜糜诠怆娹D(zhuǎn)換。傳統(tǒng)太陽能電池中，這兩種效應(yīng)會(huì)造成電池接近70%的能量損失，人們普遍認(rèn)為太陽能電池的光轉(zhuǎn)換效率最大為31%，所以硅太陽能電池研究的重點(diǎn)方向之一提高光電轉(zhuǎn)換效率，特別是材料對(duì)光子的有效吸收方面；硅太陽能電池研究的另一個(gè)重點(diǎn)方向是降低成本。初期的硅太陽能電池襯底厚度較厚，現(xiàn)在硅襯底的厚度可以從350?400 μ m降低到150?200 μ m，英國BT公司實(shí)驗(yàn)證明:單晶硅太陽能電池降為175 μ m時(shí)，電池的效率沒有附加損失。德國Fraunhofer公司制作的75 μ m厚的太陽能電池,效率仍可達(dá)到23.1%。而有研究指出，只要厚度大于50 μ m帶有陷光結(jié)構(gòu)的硅太陽能電池就有較好的轉(zhuǎn)換效率。可見，如果采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，可以在減少材料的厚度的同時(shí)，保證不降低硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。但是，傳統(tǒng)的太陽能電池厚度減少時(shí)，透射光的損失隨厚度的減少而增加，理論計(jì)算表明，材料薄至50 μ m時(shí)，由于電池厚度的減薄，結(jié)構(gòu)對(duì)長波光子的吸收效率收減低。只有采用陷光結(jié)構(gòu)，才能保證電池的光電轉(zhuǎn)換效率。除了電池進(jìn)光面減反和前電極盡量少覆蓋面積外，現(xiàn)有的陷光方式主要是在光線射入電池體內(nèi)后，增加光在吸收層的路徑，使吸收層的折射率大于其上下層織構(gòu)材料，使沒有吸收的光再次返回電池吸收層，進(jìn)行二次吸收，分為三種方式:
[0003](I)單層或多層的1/4波長減反膜，是根據(jù)薄膜相消干涉原理，降低特定波長的反射率，這類減反膜雖然制作成本低，但其反射波段較窄，且反射率隨著光波入射角增加而大幅增加；
[0004](2)梯度折射率減反膜，是在硅表面沉積一層折射率逐漸變化的減反膜，它可以在寬頻譜、廣入射角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很低的反射率，但此類減反膜制備成本高，且符合折射率要求的材料難以尋找；
[0005](3)絨面減反膜，是將減反膜技術(shù)和表面制絨技術(shù)相結(jié)合，制備出具有絨面結(jié)構(gòu)的減反膜，以實(shí)現(xiàn)1/4波長減反膜的作用，同時(shí)改變降低反射率隨入射角增加而增加，但是這類減反膜需要物理、化學(xué)甚至微電子方法相結(jié)合，制備工藝較難控制，所以多數(shù)研究處于試驗(yàn)階段。
[0006]最近，有研究提出硅納米線(或硅孔)可能最有潛力、低成本、高效太陽能電池器件材料之一，硅納米線可以增加光吸收，而且具有載流子只需擴(kuò)散很短的距離就可達(dá)到結(jié)區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)有研究多為一維結(jié)構(gòu)的納米太陽能電池結(jié)構(gòu)，采用的機(jī)理也是通過漫反射陷光，有些研究提出了徑向硅納米線二維結(jié)構(gòu)，但制作工藝復(fù)雜，也沒有與光子晶體結(jié)構(gòu)的禁帶和慢光理論結(jié)合起來。因此，尋求一種新型光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)，使其具有光子禁帶和慢光效應(yīng)，厚度小，陷光好，光電轉(zhuǎn)換效率高。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種厚度小、陷光好、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便于加工和規(guī)模生產(chǎn)的新型二維硅基微納光子晶體太陽能電池，將光子晶體的禁帶特性、慢光特性等特點(diǎn)與硅納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢相結(jié)合，采用圓弓形或橢圓散射元，通過模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)太陽能電池結(jié)構(gòu)，限制光的傳播路徑和傳播方式，并通過前接觸層對(duì)入射光減反、二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效陷光和光電轉(zhuǎn)換、前電極和背電極為搭建電路做準(zhǔn)備、背接觸層對(duì)入射光增反幾個(gè)方面有機(jī)結(jié)合，達(dá)到提高電池效率的目的。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括前接觸層、前電極、二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)、背電極和背接觸層；透明導(dǎo)電氧化物TCO材料制成前接觸層的下側(cè)面上設(shè)有周期性排列的前電極；前電極和背電極之間設(shè)有二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)的上層為η型硅半導(dǎo)體層，下層為P型硅半導(dǎo)體層，η型硅半導(dǎo)體層和P型硅半導(dǎo)體層形成PN結(jié)；背電極的底部設(shè)有背接觸層，背接觸層的材料與前接觸層的材料相同；鋁薄層結(jié)構(gòu)的背電極設(shè)置在P型硅半導(dǎo)體層的慢光區(qū)域或禁帶區(qū)域，背電極或?yàn)閱我坏谋?，背電極的形狀與前電極的形狀相同，均為條形狀；入射光通過前接觸層照射在二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)上，由于禁帶和慢光效應(yīng)，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)具有很好的陷光作用，有效進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，激發(fā)出載流子，而且慢光效應(yīng)保證載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；前電極和背電極為光伏效應(yīng)的載流子構(gòu)成電路做準(zhǔn)備，背接觸層對(duì)入射光增反，提高電池效率。
[0009]本發(fā)明所述η型硅半導(dǎo)體為帶有二維硅基帶有禁帶和慢光效應(yīng)的納米光子晶體介質(zhì)柱或空氣孔結(jié)構(gòu)，包括禁帶區(qū)散射元、禁帶區(qū)散射元間隙、慢光區(qū)散射元和慢光區(qū)散射元間隙；相鄰的禁帶區(qū)散射元之間形成禁帶區(qū)散射元間隙；相鄰的慢光區(qū)散射元之間形成慢光區(qū)散射元間隙；散射元為圓弓形或橢圓形；η型硅半導(dǎo)體的空間排列為三角晶格或四方晶格結(jié)構(gòu)；設(shè)η型硅半導(dǎo)體的晶格常數(shù)為a，參數(shù)b和c分別代表圓弓形或橢圓形散射元長軸和短軸的半徑，定義參數(shù)e = 1-c/b, e = 0-1,參數(shù)a、e根據(jù)禁帶和慢光的要求而變化；禁帶區(qū)由7行以上的禁帶區(qū)散射元和禁帶區(qū)散射元間隙組成，以便入射光或其分量不能向垂直方向傳播，具有很好的陷光作用；慢光區(qū)的慢光散射元和慢光區(qū)散射元間隙有多種變化，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的微腔參數(shù)和獲得較高群折射率；禁帶區(qū)和慢光區(qū)結(jié)構(gòu)高度相同，其厚度大于50 μ m,禁帶區(qū)和慢光區(qū)周期性交替排列；p型硅半導(dǎo)體為厚度大于50 μ m的單一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，P型硅半導(dǎo)體能與背電極構(gòu)成平面。
[0010]本發(fā)明涉及的微納光子晶體介質(zhì)柱或空氣孔結(jié)構(gòu)是下面兩種分別帶有二維硅基帶有禁帶和慢光效應(yīng)子結(jié)構(gòu)的周期性排列:一種是圓弓或橢圓形散射元組成的七排以上的二維硅基光子晶體禁帶結(jié)構(gòu)，以確保禁帶效果，散射元之間是散射元間隙；納米光子晶體介質(zhì)柱或空氣孔具有較大的比表面積，能增加對(duì)入射光的吸收能力；其散射元和晶格常數(shù)可調(diào)，以便介質(zhì)柱(或空氣孔)的光子禁帶包括300?IlOOnm的區(qū)域；在光線入射時(shí)，禁帶的存在使結(jié)構(gòu)不允許光在平行于介質(zhì)柱或空氣)方向傳播，有利于材料對(duì)光子的吸收和利用；另一種是一種由相同散射元、排列不同的微腔構(gòu)成的慢耦合波導(dǎo)，由散射元缺失和散射元偏轉(zhuǎn)形成的多個(gè)高品質(zhì)因數(shù)微腔；通過參數(shù)調(diào)整，單一腔體品質(zhì)因數(shù)Q值達(dá)到14級(jí)以上；多個(gè)微腔形成慢光耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，耦合波導(dǎo)的群折射率達(dá)到104，其慢光速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速(只為光速的1/10000或更低)，使內(nèi)光子被材料吸收的效率超過未加工材料的很多倍；其中Q值是根據(jù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的在微腔中的能量實(shí)時(shí)分布得出的，微腔孤立模式的衰減公式為:
[0011]U (t) = U0exp (- a t) (I)
[0012]其中U0為腔內(nèi)初始能量，U(t)表示以衰減因子α衰減后，t時(shí)刻微腔所對(duì)應(yīng)的能量。以一個(gè)共振頻率f為中心的模式，微腔對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)Q可表示為(2):
[0013]Q = 2 31 f / α (2)
[0014]而群速度Vg和群折射率118關(guān)系可以由公式(3)表示，c為光速:
C
[0015]v^-(3)
[0016]由此可見，由于結(jié)構(gòu)是上面兩種子結(jié)構(gòu)的周期性排列，在增加陷光和光吸收方面有很多優(yōu)勢:介質(zhì)柱或空氣孔結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積；禁帶結(jié)構(gòu)具有陷光效應(yīng)，入射光在硅線陣列中經(jīng)過來回多次反射逐漸被吸收；慢光結(jié)構(gòu)中光的群速度很小，便于光子被材料吸收，從而產(chǎn)生更多的載流子，而且慢光效應(yīng)還保證了載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)的尺寸根據(jù)吸收波長調(diào)整，以完成高效率的光學(xué)吸收；介質(zhì)柱高或孔的深度越大，電池反射率越低，在其他條件不變情況下，由于陷光作用，結(jié)構(gòu)的深度達(dá)到50 μ m時(shí)，電池在400?100nm的反射率平均低于10%。
[0017]本發(fā)明所述米光子晶體介質(zhì)柱或空氣孔結(jié)構(gòu)都跟P型硅半導(dǎo)體形成淺的PN結(jié)，光生載流子擴(kuò)散很短的距離就達(dá)到結(jié)區(qū)，從而有較高的載流子收集率，兩種結(jié)構(gòu)周期形排列，禁帶區(qū)域可比傳統(tǒng)電池提高光電轉(zhuǎn)換效率接近50%，而慢光區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到傳統(tǒng)電池的兩倍，其共同效果極大增加結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換效率，其光電效率的理論值可以達(dá)到60%以上；由于這一結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能與硅基底材料，不需要進(jìn)一步摻雜等處理，具有很好的電學(xué)傳輸性能。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，將光子禁帶和慢光原理應(yīng)用于太陽能光電轉(zhuǎn)換；禁帶結(jié)構(gòu)具有很好的陷光效應(yīng)，入射光在硅線陣列中經(jīng)過來回多次反射逐漸被吸收，具有很好的陷光作用；慢光結(jié)構(gòu)陷光好，而且由于光的群速度很小，便于材料吸收光子，產(chǎn)生更多的載流子，慢光效應(yīng)保證載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不僅規(guī)整，而且可以靈活多變:散射元相對(duì)小的硅納米柱，在高頻區(qū)域表現(xiàn)出更低的反射和更高的吸收；散射元相對(duì)大的硅納米柱，則在低頻區(qū)域表現(xiàn)出更低的反射和更高的吸收；還可以采取表現(xiàn)出類似的規(guī)律性的硅納米孔，其結(jié)構(gòu)簡單，厚度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅太陽能電池的厚度，體積小，閾值低，載流子擴(kuò)散距離短，穩(wěn)定性、光的耦合和傳輸效率高，加工和復(fù)合技術(shù)成熟，成為新一代最有潛力、低成本、高效太陽能電池器件。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0019]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明涉及的二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中(I)為立體圖；(2)為俯視圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中禁帶區(qū)的禁帶圖，其中橫軸為參數(shù)e值，縱軸為相對(duì)禁帶值。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中單一微腔的品質(zhì)因數(shù)Q值曲線，其中橫軸為參數(shù)e值，縱軸為Q值。
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中群折射率曲線,其中橫軸為歸一化頻率f，縱軸為群折射率118值。
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中(I)為立體圖；(2)為俯視圖。
[0025]圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中禁帶區(qū)的禁帶圖，其中橫軸為參數(shù)e值，縱軸為相對(duì)禁帶值。
[0026]圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中單一微腔的品質(zhì)因數(shù)Q值曲線，其中橫軸為參數(shù)e值，縱軸為Q值。
[0027]圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中群折射率曲線，其中橫軸為歸一化頻率f,縱軸為群折射率118值。
【具體實(shí)施方式】
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[0028]下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。
[0029]本實(shí)施例的主體結(jié)構(gòu)包括前接觸層1、前電極2、二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3、背電極4和背接觸層5 ;透明導(dǎo)電氧化物TCO材料制成前接觸層I的下側(cè)面上設(shè)有周期性排列的前電極2 ;前電極2和背電極4之間設(shè)有二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3的上層為η型硅半導(dǎo)體層6，下層為P型硅半導(dǎo)體層7，η型硅半導(dǎo)體層6和P型硅半導(dǎo)體層7形成PN結(jié)；背電極4的底部設(shè)有背接觸層5，背接觸層5的材料與前接觸層I的材料相同；鋁薄層結(jié)構(gòu)的背電極4設(shè)置在P型硅半導(dǎo)體層7的慢光區(qū)域或禁帶區(qū)域，背電極4或?yàn)閱我坏谋?，背電極4的形狀與前電極的形狀相同，均為條形狀；入射光通過前接觸層I照射在二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3上，由于禁帶和慢光效應(yīng)，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3具有很好的陷光作用，有效進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，激發(fā)出載流子，而且慢光效應(yīng)保證載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；前電極2和背電極4為光伏效應(yīng)的載流子構(gòu)成電路做準(zhǔn)備，背接觸層5對(duì)入射光增反，提高電池效率。
[0030]本實(shí)施例所述η型娃半導(dǎo)體6為帶有二維娃基帶有禁帶和慢光效應(yīng)的納米光子晶體介質(zhì)柱或空氣孔結(jié)構(gòu)，包括禁帶區(qū)散射元8、禁帶區(qū)散射元間隙9、慢光區(qū)散射元10和慢光區(qū)散射元間隙11 ;相鄰的禁帶區(qū)散射元8之間形成禁帶區(qū)散射元間隙9 ;相鄰的慢光區(qū)散射元10之間形成慢光區(qū)散射元間隙11 ;散射元為圓弓形或橢圓形；n型硅半導(dǎo)體6的空間排列為三角晶格或四方晶格結(jié)構(gòu)；設(shè)η型硅半導(dǎo)體6的晶格常數(shù)為a，參數(shù)b和c分別代表圓弓形或橢圓形散射元長軸和短軸的半徑，定義參數(shù)e = 1-c/b, e = 0-1，參數(shù)a、e根據(jù)禁帶和慢光的要求而變化；禁帶區(qū)由7行以上的禁帶區(qū)散射元7和禁帶區(qū)散射元間隙8組成，以便入射光或其分量不能向垂直方向傳播，具有很好的陷光作用；慢光區(qū)的慢光散射元9和慢光區(qū)散射元間隙10有多種變化，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的微腔參數(shù)和獲得較高群折射率；禁帶區(qū)和慢光區(qū)結(jié)構(gòu)高度相同，其厚度大于50 μ m，禁帶區(qū)和慢光區(qū)周期性交替排列；p型硅半導(dǎo)體7為厚度大于50 μ m的單一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，P型硅半導(dǎo)體能與背電極4構(gòu)成平面。
[0031]本實(shí)施例所述二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3采用市售的二維硅片，其微加工工藝技術(shù)成熟，前后電極、前后接觸層材料也采用常規(guī)的市售產(chǎn)品。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]本實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3中涉及的η型硅半導(dǎo)體6是帶有禁帶和慢光效應(yīng)兩種子結(jié)構(gòu)周期性排列的結(jié)構(gòu)，η型硅半導(dǎo)體6的散射元采用圓弓形，空間排列為三角晶格結(jié)構(gòu)；將禁帶的中心波長設(shè)在λ = 700nm,由平面波展開法可以求得:禁帶的中心波長設(shè)在700nm時(shí)，結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為a = 0.4 λ =280nm,參數(shù)b = 0.4a、e = 0.4時(shí),禁帶和慢光都有較好的效果；由于結(jié)構(gòu)的禁帶接近中心波長的50%，如圖3所示，這樣結(jié)構(gòu)的禁帶在350?1050nm，這一范圍不僅包括可見光的范圍，也包括太陽光光強(qiáng)較大的區(qū)域；為了保證禁帶的陷光效果，禁帶區(qū)由7行以上的禁帶區(qū)散射元8和禁帶區(qū)散射元間隙9組成，以便入射光或其分量不能向垂直于納米柱(或孔)的方向傳播；(2)慢光區(qū)包括慢光區(qū)散射元10、慢光區(qū)散射元間隙11，它有三排散射元組成，中間一排相鄰的兩個(gè)散射元間隔地去掉I個(gè)、另一個(gè)則90°偏轉(zhuǎn)，形成微腔，微腔四周的另外4個(gè)散射元也依次偏轉(zhuǎn)，形成圓環(huán)狀，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的微腔參數(shù)和獲得較高群折射率。這兩種結(jié)構(gòu)高度相同(厚度大于50 μ m即可)，周期性交替排列，下層為P型硅半導(dǎo)體7是單一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)即可(厚度大于50 μ m即可)，背電極為條形的，與前電極對(duì)應(yīng)，參見圖2。
[0034]本實(shí)施例的工作原理是:入射光通過前接觸層1，幾乎無反射的照射在二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3上，由于禁帶和慢光效應(yīng)，這一結(jié)構(gòu)具有很好的陷光作用，可以有效進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，激發(fā)出載流子，而且慢光效應(yīng)還保證了載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；前電極2和背電極4，則為光伏效應(yīng)的載流子構(gòu)成電路做準(zhǔn)備，背接觸層5對(duì)入射光增反，進(jìn)一步提聞提聞電池效率；如接觸層I和背接觸層5有保護(hù)光子晶體太陽能電池的功能，圖3是禁帶區(qū)的禁帶圖，由圖3可見在e = 0.4附近，相對(duì)禁帶有極大值，為49.6% ;圖4是慢光區(qū)的品質(zhì)因數(shù)圖，也e = 0.4附近有極大值，為4.8X 14 ;圖5是慢光區(qū)域的群折射率圖，在慢光區(qū)域沒有位移的情況下，群折射率的極大值達(dá)到1.6 X 14 ;如果慢光區(qū)域整體有合理位移，群折射率的數(shù)值還會(huì)增加。
[0035]實(shí)施例2:
[0036]本實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)與圖1相同。實(shí)施例涉及的二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3中上層η型硅半導(dǎo)體6，是帶有禁帶和慢光效應(yīng)兩種子結(jié)構(gòu)周期性排列的結(jié)構(gòu)。為了滿足結(jié)構(gòu)有較大的禁帶，散射元采用的是圓弓形；結(jié)構(gòu)的空間排列為三角晶格結(jié)構(gòu)；將禁帶的中心波長設(shè)在λ = 700nm,由平面波展開法可以求得:禁帶的中心波長設(shè)在700nm時(shí)，結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為a = 0.375 λ = 262.5nm，參數(shù)b = 0.42a、e = 0.3時(shí)，禁帶和慢光也有較好的效果；由于結(jié)構(gòu)的禁帶接近中心波長的43%，如圖7所示，結(jié)構(gòu)的禁帶略窄，在399?I ;001nm之間，這一范圍也包括了可見光的范圍，且包括了太陽光光強(qiáng)較大的區(qū)域；為了保證禁帶的陷光效果，禁帶區(qū)都有7行以上的散射元8和禁帶區(qū)散射元間隙9組成，以便入射光或其分量不能向垂直于納米柱(或孔)的方向傳播；；慢光區(qū)包括慢光區(qū)散射元10、慢光區(qū)散射元間隙11，它有三排散射元組成，中間一排相鄰的兩個(gè)散射元間隔地去掉I個(gè)，形成微腔，為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的微腔參數(shù)和獲得較高群折射率，組成慢光區(qū)域的三排散射元，即圖6(2)中的矩形區(qū)域，整體向右位移ds = 0.18a;這兩種結(jié)構(gòu)高度相同(厚度大于50 μ m即可)，周期性交替排列，下層為P型硅半導(dǎo)體7是單一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)即可(厚度大于50 μ m即可)，背電極為條形的，與前電極對(duì)應(yīng)。
[0037]本實(shí)施例的工作原理是:入射光通過前接觸層1，幾乎無反射的照射在二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)3上，由于禁帶和慢光效應(yīng)，這一結(jié)構(gòu)具有很好的陷光作用，可以有效進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，激發(fā)出載流子，而且慢光效應(yīng)保證載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；前電極2和背電極4，則為光伏效應(yīng)的載流子構(gòu)成電路做準(zhǔn)備，背接觸層5對(duì)入射光增反，進(jìn)一步提聞提聞電池效率；如接觸層I和背接觸層5有保護(hù)光子晶體太陽能電池的功能；圖7是禁帶區(qū)的禁帶圖，可以看出在e = 0.375附近，相對(duì)禁帶有極大值，為43% ;圖8是慢光區(qū)的品質(zhì)因數(shù)圖，它也e = 0.375附近有極大值，為4.0XlO4 ;圖9是慢光區(qū)域的群折射率圖，在慢光區(qū)域有位移ds = 0.18a的情況下，群折射率的極大值達(dá)到2.0X 104。
【權(quán)利要求】
1.一種二維硅基微納光子晶體太陽能電池，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括前接觸層、前電極、二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)、背電極和背接觸層；透明導(dǎo)電氧化物TCO材料制成前接觸層的下側(cè)面上設(shè)有周期性排列的前電極；前電極和背電極之間設(shè)有二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)的上層為η型硅半導(dǎo)體層，下層為P型硅半導(dǎo)體層，η型硅半導(dǎo)體層和P型硅半導(dǎo)體層形成PN結(jié)；背電極的底部設(shè)有背接觸層，背接觸層的材料與前接觸層的材料相同；鋁薄層結(jié)構(gòu)的背電極設(shè)置在P型硅半導(dǎo)體層的慢光區(qū)域或禁帶區(qū)域，背電極或?yàn)閱我坏谋?，背電極的形狀與前電極的形狀相同，均為條形狀；入射光通過前接觸層照射在二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)上，由于禁帶和慢光效應(yīng)，二維硅基微納光子晶體太陽能電池結(jié)構(gòu)具有很好的陷光作用，有效進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，激發(fā)出載流子，而且慢光效應(yīng)保證載流子流動(dòng)的方向性和穩(wěn)定性；前電極和背電極為光伏效應(yīng)的載流子構(gòu)成電路做準(zhǔn)備，背接觸層對(duì)入射光增反，提高電池效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述二維硅基微納光子晶體太陽能電池，其特征在于所述η型硅半導(dǎo)體為帶有二維硅基帶有禁帶和慢光效應(yīng)的納米光子晶體介質(zhì)柱或空氣孔結(jié)構(gòu)，包括禁帶區(qū)散射元、禁帶區(qū)散射元間隙、慢光區(qū)散射元和慢光區(qū)散射元間隙；相鄰的禁帶區(qū)散射元之間形成禁帶區(qū)散射元間隙；相鄰的慢光區(qū)散射元之間形成慢光區(qū)散射元間隙；散射元為圓弓形或橢圓形；11型硅半導(dǎo)體的空間排列為三角晶格或四方晶格結(jié)構(gòu)；設(shè)11型硅半導(dǎo)體的晶格常數(shù)為a，參數(shù)b和c分別代表圓弓形或橢圓形散射元長軸和短軸的半徑，定義參數(shù)e =1-c/b, e = 0-1，參數(shù)a、e根據(jù)禁帶和慢光的要求而變化；禁帶區(qū)由7行以上的禁帶區(qū)散射元和禁帶區(qū)散射元間隙組成，以便入射光或其分量不能向垂直方向傳播，具有很好的陷光作用；慢光區(qū)的慢光散射元和慢光區(qū)散射元間隙有多種變化，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的微腔參數(shù)和獲得較高群折射率；禁帶區(qū)和慢光區(qū)結(jié)構(gòu)高度相同，其厚度大于50 μ m，禁帶區(qū)和慢光區(qū)周期性交替排列；P型硅半導(dǎo)體為厚度大于50 μ m的單一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，P型硅半導(dǎo)體能與背電極構(gòu)成平面。
【文檔編號(hào)】H01L31/054GK104241428SQ201410504341
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】萬勇, 劉培晨, 韓文娟, 賈明輝, 孫蕾 申請(qǐng)人:青島大學(xué)