[发明专利]基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏器件及其制备方法，尤其涉及一种利用超颖材料结构提升光吸收效率的薄膜太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

太阳能电池一直以来被视为下一代清洁能源，在全球范围内引发了学术界和产业界极大的持续关注。然而目前太阳能电池光转换效率和电池成本的性价比还远高于煤、石油等其他能源，限制了其大规模的应用。第一代的晶硅太阳能电池利用近200微米厚的单晶或多晶硅片保证足够的光吸收，使得材料成本占到了电池成本的近一半，不可避免的降低了性价比。第二代的薄膜太阳能电池只有几个微米厚，大大降低了成本，然而由于光吸收层太薄，无法完全吸收入射光，从而其获得的光转换效率非常低。因此，开发同时具有低成本和高光吸收效率的增效方法是当前太阳能电池产业发展的关键技术。

最近基于无序金属纳米颗粒或金属光栅的太阳能电池光吸收增强方法（参阅CN101692469A、CN101937939A、CN102157627A及CN202094161U和申请号为2011110373472.8的发明专利申请等）受到关注，此技术主要依赖于表面等离子体共振引起的近场放大效应和耦合表面波效应，因而光吸收增强的频谱带宽受到共振原理的限制，无法获得宽带吸收增强。此外，无序且形状不规则的金属纳米颗粒引起的光吸收增强具有较差的可控性和重复性，在太阳能电池大规模的产业应用中具有不利因素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池及其制备方法，其通过优化设计金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成的超颖材料结构，实现对超颖材料结构有效电磁参数的调控，进而达成在太阳能电池光照表面的阻抗全匹配和背面的完全反射，获得宽带光谱范围内近100%的光吸收。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池，包括从下至上依次形成在衬底上的金属平面电极、至少一有源层、至少一纳米结构电极层、透明导电薄膜和透明保护层，其中，所述纳米结构电极层包括二维导电材料纳米周期结构。

作为优选方案之一，它包括交替设置的复数有源层和纳米结构电极层。

作为优选方案之一，对于主要由所述金属平面电极层、有源层和纳米结构电极层构成的超颖材料结构，其阻抗Z等于或接近376.7Ω，其中，                                                ，ε、μ分别为超颖材料结构的介电常数和磁导率。

进一步的，所述二维导电材料纳米周期结构的周期为200-400nm，厚度为50-200nm。

进一步的，所述金属平面电极包括至少一层连续金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为50-300nm。

进一步的，所述有源层厚度为50-200nm，并且所述有源层的厚度与纳米结构电极层的结构相关联, 而且，通过电磁场数值分析方法优化超颖材料结构的介电常数ε和磁导率μ，使得超颖材料结构的阻抗Z等于或接近于376.7Ω。

进一步的，所述二维导电材料纳米周期结构包括一种以上周期单元，所述周期单元为一种简单单元或在不同光谱范围内具有光吸收增强效应的两种以上简单单元的组合。

作为优选方案之一，所述二维导电材料纳米周期结构包括在器件平面内和/或垂直于器件平面方向嵌套设置的两种以上周期单元。

作为可实施的方案之一，所述二维导电材料纳米周期结构包括四方晶格或三角晶格。

如上所述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法，包括：依次在衬底上形成金属平面电极层和有源层，其后，在有源层上形成导电材料薄膜，再通过微纳加工方法制作形成纳米结构电极层，而后，在纳米结构电极层上依次形成透明导电薄膜和透明保护层。

进一步的，如上所述基于超颖材料结构的薄膜太阳能电池的制备方法可以包括如下步骤：

（1）在衬底上通过金属薄膜沉积的方法制备金属平面电极层；

（2）在金属平面电极层上通过有源层制备方法制备有源层；

（3）在有源层上通过薄膜沉积和微纳加工方法制作纳米结构电极层；

（4）在纳米结构电极层上通过介质薄膜沉积方法制备透明导电薄膜和透明保护层。