[发明专利]宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构

说明书

技术领域

本发明涉及光伏领域，为一种高效光调控器件的微纳结构，具体涉及一种在太阳光谱范围内具有大的光吸收效率的微纳结构及其设计方法，在高效光伏探测器件、薄膜太阳能电池方面有应用前景。

背景技术

半导体纳米线阵列构成的薄膜太阳能电池具有低反射损耗，优良的光俘获性能。与常规半导体太阳能电池或薄膜太阳能电池相比可节省原料，降低成本，因此受到人们的广泛关注。半导体纳米线阵列可设计成轴向光吸收，径向电荷收集的形式。使轴向有大的光吸收长度，而径向有小的电荷收集距离，从而实现既具有高的光吸收效率，同时又具有高的载流子收集效率的电池结构。通过对纳米线阵列的周期、纳米线直径、长度、以及排列等方面进行优化，可有效地提高半导体纳米线阵列薄膜太阳能电池的光捕获效率。在纳米线阵列薄膜太阳能电池设计中，纳米线的直径是一个重要的参数，在其它几何参数固定不变的条件下，较小的纳米线直径有助于降低半导体纳米线阵列的等效折射率，从而提升电池结构在短波太阳光谱的吸收效率，而较大的纳米线直径，则会引入更多的共振模式，从而增加长波太阳光谱的吸收效率。

现有的纳米线阵列设计仅涉及纳米线截面为圆形的半导体纳米线阵列，或者半导体纳米线阵列虽为椭圆形截面，但所有纳米线的长轴均相互平行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构，为一种可应用于太阳能电池的宽光谱宽角度高陷光效率纳米线阵列结构及其设计方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种宽光谱宽角度椭圆纳米线阵列薄膜太阳能电池陷光结构，所述的陷光结构由截面积为椭圆形的半导体纳米线（以一定间隔）并行排列形成纵向阵列，而且相邻（最近邻）椭圆纳米线的长轴之间相互有一定的角度，该角度＞0°，且≤90°。

椭圆纳米线的长轴指的是纳米线的截面方向上的椭圆形的长轴。

这种结构中，相邻椭圆纳米线的长轴之间有一定角度，有助于增强纳米线中共振吸收模式之间的耦合。

所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度优选为50°~ 90°。

所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度进一步优选为60°~ 90°。

所述的相邻椭圆纳米线的长轴之间的角度最佳为65°~ 75°。

所述的纳米线阵列的周期为400~800nm，椭圆纳米线的长轴和短轴的范围均为300~600nm。

如果将纳米线阵列在截面方向上以方格进行等分，每个方格内均有一根椭圆纳米线，方格的边长即可视作纳米线阵列的周期。

所述的椭圆纳米线的长轴与短轴长度比（长短轴比）为(1.05 ~ 2) : 1。

所述的长短轴比优选为(1.3 ~ 1.7) : 1。

所述的长短轴比最优选为(1.4 ~ 1.6) : 1。

椭圆截面纳米线具有适当的长短轴比，椭圆纳米线在短轴方向上的较小尺寸还更有利于电荷的收集。

椭圆纳米线的长轴与纳米线阵列周期x轴间的夹角为0~90°。该定义只是为了方便文中对椭圆纳米线自转的描述，椭圆纳米线长轴与周期x轴间的夹角即为纳米线的自转角度。

当相邻椭圆纳米线的长轴相互垂直时，椭圆纳米线的长轴与纳米线阵列周期x轴间的夹角优选为15°~ 30°，或60°~ 75°。

本发明所设计的宽光谱宽角度高效椭圆纳米线阵列，还可以通过调整半导体纳米线相对于其自身轴线的转动角度（即相对于周期x轴的转动角度），从而改变相邻纳米线表面之间的相对距离，进一步改善结构对入射光的吸收。

若相邻椭圆纳米线的长轴相互垂直，将相邻椭圆纳米线与阵列周期x轴间的夹角分别标记为θ及φ，则θ = 0~90°，φ= 90°-θ。

所述的椭圆纳米线的长度为0.3 ~ 5μm。

所述的椭圆纳米线的长度优选为1 ~ 5μm。

本发明涉及的半导体纳米线材料可以是硅，还可以是磷化铟，砷化镓等。在具体实施方式中以硅为例予以说明。

用极限效率η来评价不同纳米线阵列结构的陷光性能，其定义为：

，

其中，I(λ)是太阳能AM1.5D光谱密度，A(λ)是吸收系数，λ_g是与晶体硅的禁带宽度相对应的波长。

本发明的有益效果是：