[发明专利]一种等离极化激元横向异质集成的太阳电池

说明书

本发明公开了一种等离极化激元横向异质集成的太阳电池。本发明采用n型有机聚合物材料与p型硅衬底构成的异质结作为可见光波段的子电池，并在电池的制备过程中引入等离激元陷光结构，实现电池对可见光波段光的高效吸收；采用传导型表面等离极化激元(SPP)纳米锥晶体阵列结构与n型有机聚合物材料层作为红外波段的子电池，通过设计纳米锥阵列的尺寸和形貌，利用太阳光中长波段的入射光在纳米锥与n型有机聚合物界面激励起SPP模式波，通过分离与收集该模式波通过能量转化得到的电子空穴对，实现对特定波段的红外光的响应或红外波段宽光谱的响应。该电池设计可综合解决传统多结电池中的晶格匹配及成本高问题，大幅降低电池材料成本。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体是一种等离极化激元横向异质集成的太阳电池。

背景技术

随着石化能源的枯竭，太阳能电池技术得到飞速发展，并有望代替传统化石能源，成为未来的主流能源。在太阳能电池的研究中，更高效率、更低成本的电池是永恒不变的主题。传统太阳能电池，以半导体原料为主，需要掺杂构成PN结，但是基于PN结的太阳能电池难以实现能量低于半导体带隙的光子的能量利用与转换，这不仅限制了电池光电转换效率的提升，还会因红外光的产热效应造成太阳能电池的老化甚至破裂。此外，在传统半导体太阳能电池加工过程中，需高温条件且工艺复杂，制造成本高，研制低成本、超宽谱吸收的太阳能电池是该领域面临的主要挑战。

相关研究表明，有机聚合物和半导体材料可形成异质结，用于光电转换。相比于半导体晶体材料，有机聚合物材料可采用液相旋涂、卷对卷等低成本工艺大面积制备，并可方便地在聚合物功能层中增加各种纳米功能结构，为电池中的光学运筹和电子设计提供了全新的手段，也为电池光谱响应及光电转换效率的提升提供了新的发展方向。目前，有机导电材料与半导体构成的异质结电池在紫外及可见光波段的光吸收效率仍具有较大提升空间，并且该类电池的吸收限仍由半导体材料带隙决定，不能利用低于半导体带隙的光能。

近年来，人们在突破传统半导体的红外吸收极限，实现传统太阳电池材料无法吸收利用的红外光的有效利用方面做出了大量工作，研究表明，表面等离激元金属微纳结构与半导体界面在入射光的激励下，能产生传导型的表面等离极化激元波(SPP)，该种异质结能有效收集SPP波非辐射跃迁效应产生的“热电子”，实现光能到电能的转换。这类异质结构甚至在中远红外波段，都能有效实现光电转换。此外，在传统有机导电材料与半导体构成的异质结电池中镶嵌等离激元陷光结构也能够提高太阳电池的效率，利用等离激元陷光结构局域场增强特性、散射增强特性及良好的导电性等实现光电转化效率的提高。然而，目前的大多成熟的工艺和器件结构，都无法实现该种局域型或传导型等离激元结构的设计与制备，也就无法利用这种表面等离激元效应实现增效。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决已有太阳能电池光电转换效率低，宽光谱响应差、成本高等技术问题，提出一种等离极化激元横向异质集成的太阳电池，同时实现了电池的较低成本，开路电压、短路电流的提升，具有宽谱光电响应及较高的光电转换效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种等离极化激元横向异质集成的太阳电池，该太阳电池由透明导电薄膜层、纳米锥晶体阵列结构、等离激元陷光结构、n型有机导电材料层、p型硅衬底、背电极；其位置关系，由上至下依次为透明导电薄膜层、n型有机导电材料层、p型硅衬底、背电极，其中纳米锥晶体阵列结构在p型硅衬底上，上部与透明导电薄膜层紧密接触，其下部与n型有机导电材料层与纳米锥晶体阵列结构紧密接触；等离激元陷光结构分散在有机导电材料层中或者分散在有机导电材料层与p型硅衬底界面处；纳米锥晶体阵列结构与n型有机导电材料层在横向上构成异质结，n型有机导电材料层与p型硅衬底构成异质结，这两种异质结均与透明导电薄膜层和背电极形成导电通路。

透明导电薄膜层，供选材料为氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)或掺氟氧化锡(FTO)，厚度为10纳米到100纳米。