本發(fā)明屬于薄膜太陽電池領域，尤其是一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法。

背景技術：

太陽電池要成為未來主力能源形式，必須實現高效與低成本，其中薄層化一直是非常重要的發(fā)展趨勢之一。此外，對于非晶硅薄膜電池，有源層厚度的降低，還有利于降低光致衰退效應，提升器件穩(wěn)定性。而對于銅銦鎵硒、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，同樣有利于提升產業(yè)競爭力。然而材料的減薄，因其有限吸收系數（特別在帶隙附近），則必須借助于高效的光管理結構，以薄的“物理厚度”獲得厚的“光學厚度”，實現對太陽光子的有效吸收。

隨著對太陽電池研究的深入，人們逐漸認識到高效光管理結構的重要性。近年來基于三維納米微腔結構的太陽電池因其優(yōu)異的性能，受到越來越多的關注。入射光子可在三維納米微腔結構界面處實現多重散射，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聯，可在寬光譜范圍內獲得高吸收性能，參見文獻：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，納米尺度的金屬結構，其表面大量的自由電子能夠與光子相互作用產生持續(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)，具有顯著的遠場與近場光電特性。一方面，利用納米金屬結構表面等離子激元的遠場光學特性，通過與光子的遠場耦合作用，激發(fā)出光子的光波導傳輸模式，已經獲得薄膜太陽電池中的良好陷光特性，實現吸收限附件光子吸收的顯著增強；另一方面，利用納米金屬結構的近場電學特性，激發(fā)的表面等離子激元能夠改變周圍空間的電磁場分布特性，從而獲得有機太陽電池中電子傳輸層功函數的有效調控，實現電荷的高效輸運，參見文獻：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型納米微腔結構的太陽電池，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構中，獲得具有定域化高能電場的納米微腔結構，以增強光程拓展、提升光子剪裁與調制效果，獲得良好陷光效果，并優(yōu)化電荷收集性能，該結構能夠獲得提高電池有效光學吸收效率及降低光生載流子復合幾率的良好效果，可應用于各類太陽電池中，利于電池光學及電學特性的同步提高。

技術實現要素：

本發(fā)明目的旨在進一步提升太陽電池性能，提出一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，將納米銀顆粒的表面等離子激元作用引入二氧化硅納米球陣列陷光結構中，獲得具有定域化高能電場的納米微腔結構的薄膜太陽電池，該結構能夠獲得提高電池有效光學吸收效率及降低光生載流子復合幾率的良好效果，可應用于各類薄膜太陽電池中，利于薄膜電池的光學及電學特性的同步提高。

本發(fā)明的技術方案：

一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，包括在襯底之上依次制備一個二氧化硅納米球陣列/銀納米顆粒復合納米結構和一個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合納米結構之上；所述表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池具有顯著的光吸收增強效果。

所述二氧化硅納米球陣列/銀納米顆粒復合納米結構中二氧化硅納米球采用浸漬提拉法及等離子體刻蝕技術制備獲得，銀納米顆粒結構制備工藝為蒸發(fā)、濺射、溶膠凝膠、聚焦離子束刻蝕或電子束刻蝕方法制備中至少一種。

所述二氧化硅納米球粒徑為100nm–2000nm，并采用等離子刻蝕工藝對微球粒徑進行修飾，選用cf4為刻蝕氣體，刻蝕后納米球陣列占空比在50%-100%之間可調。

所述銀納米顆粒粒徑為10nm–200nm，直接沉積于二氧化硅納米球之上。

所述薄膜太陽電池包括前電極、p型空穴傳輸層、i型吸收層、n型電子傳輸層及背電極。

所述前電極為透明導電氧化物材料。

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

所述背電極包括透明導電氧化物材料或金屬電極材料中至少一種導電材料。

所述透明導電氧化物材料包括zno:al，zno:ga,zno:h，in2o3:sn，in2o3:h材料中至少一種，并采用磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或mocvd中的一種或幾種技術制備獲得。

所述金屬電極材料包括al、ag、au材料中至少一種，并采用磁控濺射或熱蒸發(fā)技術制備獲得。

所述表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽的襯底材料為硬襯底（如玻璃襯底）或柔性襯底（如不銹鋼、聚合物）材料。

【附圖說明】

圖1為表面等離子激元增強型納米結構pin型薄膜太陽電池結構示意圖。

圖2為不同尺度復合納米結構對本征非晶硅薄膜光吸收特性的影響。

圖3為實施例1中表面等離子激元增強型納米微腔結構非晶硅薄膜太陽電池外量子效率測試曲線。

圖4為實施例1中表面等離子激元增強型納米微腔結構非晶硅薄膜太陽電池電流-電壓測試曲線。

【具體實施方式】

實施例1:

一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，步驟如下：

1）在透明玻璃襯底之上采用浸漬提拉法制備一層粒徑為350nm的單分散性sio2納米球。

2）采用等離子體刻蝕工藝對sio2納米球進行干法刻蝕，選用cf4作為刻蝕反應氣，刻蝕氣壓1.0pa，刻蝕功率50w，刻蝕時間3min，刻蝕后sio2納米球粒徑減小至260nm，間距115nm，占空比為69%。

3）在sio2納米球之上采用射頻磁控濺射技術制備納米ag顆粒，采用ar氣作為濺射氣源，氣壓0.13pa，功率50w，時間20s，襯底溫度為50^oc，獲得粒徑為10nm的納米ag顆粒。

4）采用射頻磁控濺射技術在復合納米結構之上沉積一層zno:al透明導電薄膜，厚度為500nm，方塊電阻為15ω/□。

5）采用pecvd技術進行pin型非晶硅薄膜太陽電池的制備，其中p/i/n層厚度分別為15nm/250nm/15nm。

6）在n型a-si:h之上制備zno/ag背電極，其中zno背電極采用mocvd技術，厚度為100nm，ag背電極采用熱蒸發(fā)技術，厚度為120nm。

應用結果顯示：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型納米微腔結構非晶硅薄膜太陽電池在350nm-800nm波長范圍內積分電流由11.64ma/cm²提升至14.07ma/cm²，外量子效率提高20.87%，效率由4.72%提高至6.63%，具有明顯的光吸收及載流子收集增強效果。

實施例2:

一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，步驟如下：

1）在聚酰亞胺襯底之上采用浸漬提拉法制備一層粒徑為1500nm的單分散性sio2納米球。

2）采用等離子體刻蝕工藝對sio2納米球進行干法刻蝕，選用cf4作為刻蝕反應氣，刻蝕氣壓8.0pa，刻蝕功率90w，刻蝕時間10min，刻蝕后sio2納米球粒徑減小至1100nm，間距800nm，占空比為55%。

3）在sio2納米球之上采用熱蒸發(fā)技術制備納米ag顆粒，采用熱蒸發(fā)制備技術，襯底溫度為60oc，本底真空為9.8х10^-4pa，蒸發(fā)速率為1?/s，采用晶體探頭在線探測的等效厚度為5nm，獲得粒徑為25nm的納米ag顆粒。。

4）采用mocvd技術在復合納米結構之上沉積一層zno透明導電薄膜，厚度為100nm，隨后采用熱蒸發(fā)技術沉積銀電極材料，厚度為100nm，組成背電極。

5）采用pecvd技術進行nip型微晶薄膜太陽電池的制備，其中n/i/p層厚度分別為15nm/250nm/15nm。

6）在p型μc-si:h之上采用熱蒸發(fā)技術制備in2o3:sn前電極，厚度為120nm。

應用結果顯示：與僅具有平面zno/ag背電極的微晶硅薄膜電池相比，表面等離子激元增強型納米微腔結構微晶硅薄膜太陽電池在350nm-1100nm波長范圍內積分電流由23.28ma/cm²提升至27.61ma/cm²，外量子效率提高18.60%，具有明顯的光吸收及載流子收集增強效果。

綜上，本發(fā)明提供了一種實現表面等離子激元增強型納米結構薄膜太陽電池的方法，將納米銀顆粒的表面等離子激元作用引入二氧化硅納米球陣列陷光結構中，獲得具有定域化高能電場的納米微腔結構的薄膜太陽電池，該結構能夠獲得提高電池有效光學吸收效率及降低光生載流子復合幾率的良好效果，可應用于各類薄膜太陽電池中，利于薄膜電池的光學及電學特性的同步提高。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。