本發(fā)明屬于薄膜太陽電池領(lǐng)域，尤其是一種表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池。

背景技術(shù)：

太陽電池要成為未來主力能源形式，必須實(shí)現(xiàn)高效與低成本，其中薄層化一直是非常重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。此外，對(duì)于非晶硅薄膜電池，有源層厚度的降低，還有利于降低光致衰退效應(yīng)，提升器件穩(wěn)定性。而對(duì)于銅銦鎵硒、碲化鎘等化合物太陽電池，厚度的降低，可減少有毒及微量元素的使用量，同樣有利于提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。然而材料的減薄，因其有限吸收系數(shù)（特別在帶隙附近），則必須借助于高效的光管理結(jié)構(gòu)，以薄的“物理厚度”獲得厚的“光學(xué)厚度”，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光子的有效吸收。

隨著對(duì)太陽電池研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到高效光管理結(jié)構(gòu)的重要性。近年來基于三維納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池因其優(yōu)異的性能，受到越來越多的關(guān)注。入射光子可在三維納米微腔結(jié)構(gòu)界面處實(shí)現(xiàn)多重散射，為光子提供了多重入射路徑，大大降低了有源層吸收特性與入射角分布間的束縛關(guān)聯(lián)，可在寬光譜范圍內(nèi)獲得高吸收性能，參見文獻(xiàn)：m.d.kelzenberg,s.w.boettcher,j.a.petykiewicz,etal,naturemater.9(2010)239-44、j.y.jung,z.guo,s.w.jee,etal,astrongantireflectivesolarcellpreparedbytaperingsiliconnanowires,opt.express18(2010)a286-92。此外，納米尺度的金屬結(jié)構(gòu)，其表面大量的自由電子能夠與光子相互作用產(chǎn)生持續(xù)的共有化振蕩，將形成一種稱之為表面等離子激元(surfaceplasmonpolariton:spp)的自由電子和光子的混合激發(fā)態(tài)，具有顯著的遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)光電特性。一方面，利用納米金屬結(jié)構(gòu)表面等離子激元的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)特性，通過與光子的遠(yuǎn)場(chǎng)耦合作用，激發(fā)出光子的光波導(dǎo)傳輸模式，已經(jīng)獲得薄膜太陽電池中的良好陷光特性，實(shí)現(xiàn)吸收限附件光子吸收的顯著增強(qiáng)；另一方面，利用納米金屬結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)電學(xué)特性，激發(fā)的表面等離子激元能夠改變周圍空間的電磁場(chǎng)分布特性，從而獲得有機(jī)太陽電池中電子傳輸層功函數(shù)的有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電荷的高效輸運(yùn)，參見文獻(xiàn)：h.a.atwater,a.polmannaturematerials9(2010)205-213、s.trost,t.becker,k.zilberberg,etal,scientificreports5(2015)7765。

基于此，本發(fā)明提出一種表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池，提出將金屬納米顆粒的表面等離子激元作用引入三維納米微腔陷光結(jié)構(gòu)中，獲得具有定域化高能電場(chǎng)的納米微腔結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)光程拓展、提升光子剪裁與調(diào)制效果，獲得良好陷光效果，并優(yōu)化電荷收集性能，該結(jié)構(gòu)能夠獲得提高電池有效光學(xué)吸收效率及降低光生載流子復(fù)合幾率的良好效果，可應(yīng)用于各類太陽電池中，利于電池光學(xué)及電學(xué)特性的同步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的旨在進(jìn)一步提升太陽電池性能，提出一種表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池，將納米顆粒的表面等離子激元作用引入三維納米微腔陷光結(jié)構(gòu)，獲得具有定域化高能電場(chǎng)的納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池，該結(jié)構(gòu)能夠獲得提高電池有效光學(xué)吸收效率及降低光生載流子復(fù)合幾率的良好效果，可應(yīng)用于各類薄膜太陽電池中，利于薄膜電池的光學(xué)及電學(xué)特性的同步提高。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池，包括一個(gè)具有表面等離子激元增強(qiáng)特性的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)和一個(gè)pin或nip型薄膜太陽電池，其特征在于：所述薄膜太陽電池直接沉積于復(fù)合納米結(jié)構(gòu)之上，構(gòu)成三維納米微腔結(jié)構(gòu)；所述表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔太陽電池具有顯著的光吸收增強(qiáng)效果。

所述具有表面等離子激元增強(qiáng)特性的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)由氧化物三維納米陣列與金屬納米顆粒構(gòu)成，其中三維納米陣列包括納米柱、納米錐、納米球陣列中的至少一種，其中金屬納米顆粒包括金納米顆粒、銀納米顆粒、鋁納米顆粒中至少一種材料。

所述表面等離子激元增強(qiáng)特性的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電特性，可以實(shí)現(xiàn)電子或空穴的有效傳輸。

所述薄膜太陽電池包括無機(jī)薄膜太陽電池、有機(jī)薄膜太陽電池及由以上兩種中至少一種構(gòu)成的疊層太陽電池。

【附圖說明】

圖1為表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1中表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽電池外量子效率測(cè)試曲線。

【具體實(shí)施方式】

實(shí)施例1:

一種表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池，結(jié)構(gòu)如下：

1）在透明玻璃襯底之上制備一層粒徑為300nm的單分散性sio2小球，并在sio2小球之上附著粒徑為20nm的納米ag顆粒，隨后沉積一層厚度為500nm的透明導(dǎo)電zno:al作為前電極，使得整體結(jié)構(gòu)的方塊電阻達(dá)15ω/□。以上三種材料構(gòu)成表面等離子增強(qiáng)型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。

2）在sio2ns/agnps/zno:al復(fù)合納米結(jié)構(gòu)之上依次沉積p/i/n型a-si:h材料，構(gòu)成pin型非晶硅薄膜太陽電池，厚度分別為15nm/250nm/15nm。

3）在n型a-si:h之上制備zno/ag背電極。

應(yīng)用結(jié)果顯示：與僅具有平面zno:al前電極的非晶硅薄膜電池相比，表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽電池在350nm-800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分電流由11.64ma/cm²提升至14.07ma/cm²，外量子效率提高20.87%，具有明顯的光吸收及載流子收集增強(qiáng)效果。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種表面等離子激元增強(qiáng)型納米微腔結(jié)構(gòu)的太陽電池，包括一個(gè)具有表面等離子激元增強(qiáng)特性的復(fù)合三維納米微腔和一個(gè)PIN或NIP型薄膜太陽電池。其中具有表面等離子激元增強(qiáng)特性的復(fù)合三維納米微腔由氧化物三維納米結(jié)構(gòu)與金屬納米顆粒構(gòu)成；其中薄膜太陽電池包括無機(jī)薄膜太陽電池、有機(jī)薄膜太陽電池及由以上兩種中至少一種構(gòu)成的疊層太陽電池。本發(fā)明有益效果是：將金屬納米顆粒的表面等離子激元作用引入三維納米微腔陷光結(jié)構(gòu)中，獲得具有定域化高能電場(chǎng)的納米微腔結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)光程拓展、提升光子剪裁與調(diào)制效果，獲得良好陷光效果，并優(yōu)化電荷收集性能，該結(jié)構(gòu)能夠獲得提高電池有效光學(xué)吸收效率及降低光生載流子復(fù)合幾率的良好效果，可應(yīng)用于各類薄膜太陽電池中，利于電池光學(xué)及電學(xué)特性的同步提升。

技術(shù)研發(fā)人員：黃茜;仝玉鵬;張曉丹;趙穎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南開大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.22
技術(shù)公布日：2017.10.27