[发明专利]一种纳米球壳阵列光伏结构

说明书

一种纳米球壳阵列光伏结构，包括基底，基底上设有金属电极层，金属电极层上设有光吸收层，光吸收层为紧密排列的单层开口球壳阵列结构，光吸收层上面设有透明电极层；光吸收层是由p型掺杂层，i型层以及n型掺杂层三层组成p‑i‑n结；入射太阳光可以通过球壳阵列的减反作用和球壳腔体的共振作用极大提高光吸收层的光吸收效率。

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种纳米球壳阵列光伏结构。

背景技术

为了能够最大程度吸收可见光波段的能量，目前大部分的太阳能电池仍然是以180um-300um的硅基作为载体，所以大量半导体材料的消耗和其能量吸收效率不高仍然是太阳能产业的不足。一种可以减少材料消耗和制造成本的光伏结构是采用半导体薄膜作为光吸收层单元，但是由于半导体层的介电常数和带隙宽度等因素，单纯的半导体薄膜的光吸收效率较低，特别是对靠近带隙波段的能量吸收效率很低。美国专利US20120060913A1公开了一种利用在太阳能电池表面设置的单层密排介电粒子对入射光的共振陷光作用，将入射能量聚集在介电粒子内部，并通过介电粒子与电池的接触区域传递至吸收层中，提高电池在共振波长处的吸收效率；专利WO2008051235A2利用一层硅纳米粒子将入射光耦合至底层的光吸收层，提高吸收层的吸收效率。虽然这些方法都提高电池在太阳能光谱波段内的吸收效率，但是在带隙附近波长(近红外)的整体吸收效率还是较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米球壳阵列光伏结构，提高整个波段的吸收效率。

一种纳米球壳阵列光伏结构，包括基底6，基底6上设有金属电极层5，金属电极层5上设有光吸收层，光吸收层为紧密排列的单层开口球壳阵列结构，光吸收层上面设有透明电极层1。

所述的开口球壳阵列结构中球壳内径为d，球壳厚度为t，球壳腔体深度为T，球壳单元的内径d满足200nm≤d≤800nm，壳层厚度t小于光吸收层材料的载流子复合长度，球壳腔体深度T满足d/2≤T≤3/4d。

所述的光吸收层是由p型掺杂层2，i型层3以及n型掺杂层4三层组成p-i-n结。

所述的光吸收层的材料是在太阳光谱波长300nm～900nm范围内，折射率n>2.8的半导体材料。

所述的透明电极层1是折射率n<2的透明导电材料，透明电极层1的厚度小于100nm。

所述的金属电极层5为银或铜，金属电极层5厚度小于100nm。

本发明的有益效果为：

紧密排列的单层开口球壳阵列结构可以提高光吸收材料的吸收效率：当太阳光入射至球壳阵列结构表面时，由于其上表面开口结构，所以可以使更多的入射能量进入球壳内，这种开口的球壳薄膜结构又可以看作一个近似的光学谐振腔，进入球壳内的特定波长的入射光会在球壳内形成稳定的共振模，这种共振模可以理解为回音壁模式(Whisperinggallery mode)，所以该回音壁模式共振波长的入射能量在球壳中的有效光传播长度会大幅增加。回音壁模式的共振波长会随着由于密排相连的球壳阵列结构中球壳单元的内径和腔体深度而变化，所以球壳结构吸收效率也会发生变化。而且由于其密排结构，相邻的球壳之间也会发生共振耦合，使得光吸收层在共振波长附近得到较宽波段的能量吸收增强。再加上金属电极层5的反射作用，该纳米球壳的吸收效率在整个波段都得到了很大增强。

附图说明

图1是本发明纳米球壳光伏结构的横截面简图。

图2是FDTD仿真计算的实施例一球壳腔体深度T＝190nm、210nm、230nm纳米的不定型硅球壳阵列和50nm不定型硅薄膜(比较例一)的吸收效率曲线，其中球壳内径d＝320nm，球壳厚度t＝50nm。