[发明专利]一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池，尤其涉及一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池。

背景技术

太阳能光伏发电是一种非常环保的发电方式。在经历了将近一个世纪的发展过程后，光伏能源正在逐步成为世界上最受关注的新能源之一，也逐步成为最具活力的研究领域之一。目前市场上主流的太阳能电池为硅太阳能电池。但是硅太阳能电池的转换效率极限只有24％。为了达到更高的转换效率，砷化镓被用于制作太阳能电池。单结的砷化镓太阳能电池的理论极限约为27％。实验室制作三结的砷化镓太阳能电池转换效率甚至达到了40％以上。

砷化镓属于III-V族化合物半导体材料。它是直接带隙材料，带隙为1.42eV,与太阳光的光谱匹配能力好，对太阳光有非常好的吸收特性。因此，相比于硅太阳能电池通常150微米的厚度，砷化镓太阳能电池可以做的很薄，达到5～10微米。此外，砷化镓太阳能电池具有耐高温的特性，在300摄氏度的条件下，硅太阳能电池已经停止运作，而它的转换效率仍然有10％，因此非常适合用于聚光太阳能电池系统。

首次发现砷化镓太阳能电池具有光伏效应是在1954年，发展至今已有将近60年的时间了。在1980年之前，实验室制作的单结砷化镓太阳能电池的效率最高仅为16％。在1980年之后，随着砷化镓太阳能电池的制作技术从LPE到MOVPE，从同质外延到异质外延，并伴随着电池结构的不断变化和完善，其效率也在不断提升。1984年，美国可再生能源实验室(NERL)研制出Ga_0.5In_0.5P/GaAs叠层双结太阳能电池。在AM0G的测试条件下，1985年，它的效率达到5％，1987年达到10％，1988年达到21.8％，1990年达到27.3％。在1994年，它的效率更是达到了25.7％(AM0),29.5％(AM1.5),30.2％(AM1.5D)。

在此基础上，很多人希望通过制作表面纳米结构的方式获得进一步改良，其中包括纳米线、纳米锥、减反层镀膜等技术，通过降低表面反射率的方法提高太阳能电池材料整体对入射光的吸收率，从而提高光电转换效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池，解决了传统太阳能电池反射率高、光子吸收率低、短路电流和开路电压较低等缺点，并针对太阳能电池结层的第一结PN结区和第二结PN结区进行设计优化。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括太阳能电池，在所述太阳能电池的上表面设有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜由一系列同心圆环刻蚀槽构成，所述同心圆环刻蚀槽的深度由公式h＝λ/[2(n-1)]计算得出，使得入射光从菲涅尔透镜上表面传播到下表面的相位差为π，其中λ为入射光的中心波长，n是太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率；所有同心圆环刻蚀槽两侧边缘的半径向外依次根据惠更斯-菲涅尔原理设计，由菲涅尔波带法计算得出。

所述同心圆环刻蚀槽的深度为入射光的中心波长的四分之一，使从同心圆环刻蚀槽底部反射的光与从菲涅尔透镜上表面反射的光的相位差为π。

所述太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率接近3。

所述太阳能电池为三结叠层砷化镓太阳能电池，其中第一结材料为铟镓磷，第二结材料为砷化镓，第三结材料为铟镓砷。

所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第一结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜，把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第一结的PN结区发射极底部。

所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第二结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜，把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第二结的PN结区发射极底部。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明的带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池利用一个新的结构机制将菲涅尔透镜与太阳能电池集成，实现高性能、小尺寸高效率光伏系统。

2.本发明的菲涅尔透镜可以有效降低太阳能电池表面的反射率。

3.本发明的透射型菲涅尔透镜可以有效增加光子在太阳能电池PN结区的吸收长度。

4.本发明的菲涅尔透镜可以有效增加入射光在太阳能电池的PN结区的光场强度。

5.本发明的菲涅尔透镜可以有效提高太阳能电池的PN结区对光子的有效吸收。

附图说明

图1是本发明带有表面菲涅尔透镜的太阳能电池的示意图。

图2是本发明的菲涅尔透镜设计示意图。