宽光谱吸收的薄膜太阳能电池及光伏发电装置

摘要

本发明涉及一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池及光伏发电装置；该薄膜太阳能电池包括前电极层、光吸收层、背电极层以及基底层，其中，前电极层远离光吸收层的表面分散分布有非金属材质的微纳米球，该微纳米球的半径为15nm‑150nm；背电极层的内部分散分布有金属材质的微纳米半球，该微纳米半球的半径为25nm‑250nm，且该微纳米半球与光吸收层之间的间距为10nm‑100nm。该光伏发电装置包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和直流‑交流逆变器，太阳能电池组件包括多个电连接的薄膜太阳能电池。本发明采用复合陷光结构，同时实现短波段和长波段的吸收增强，可使薄膜太阳能电池及光伏发电装置的光电转换效率显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏发电装置，特别是其中的薄膜太阳能电池。

背景技术

光伏发电装置利用太阳能电池的光生伏打效应将吸收的光能转换为电能，是最具开发潜力的新能源之一。太阳能电池的光线吸收效率是影响光伏发电装置性能的重要因素，传统太阳能电池的吸收材料大多为晶硅，但其对硅的纯度要求极高、加工工艺复杂致使其使用成本较高，而且晶硅的吸收系数相对较低，所以目前商用晶硅太阳能电池的厚度一般在300μm左右，厚度较大造成材料的大量消耗，也是晶硅太阳能电池应用受限的一个主要因素。

薄膜太阳能电池相比传统太阳能电池具有显著降低的厚度，大大节省了材料的使用。由于厚度的急剧减少，所以薄膜太阳能电池需要选用吸收系数更高的材料。在薄膜太阳能电池中设置微纳米尺度的陷光结构是提高吸收系数的有效措施之一，现有研究中微纳米陷光结构的位置大致分为三类：（1）放置在太阳能电池的上表面，其调控光谱的机理是增加散射效应使更多的光进入到吸收层；（2）放置在光吸收层（即半导体材料）中间，这种结构调控光谱的机理是近场效应可以增加电子-空穴对的产生；（3）放置在太阳能电池的背部，因为光的吸收随着波长的增加所需的厚度也逐渐增加，但超薄太阳能电池的厚度达不到所需的吸收光程，所以背部结构通过增加反射的机理来提高长波段的反射而调控光谱。然而，单一陷光结构往往只对某些波段的吸收效率提升有效果，对其他波段的吸收无增强作用，甚至会有负面作用。

作为采用单一陷光结构的现有技术示例，《银纳米颗粒等离子体在非晶硅薄膜太阳能电池上的应用》（范国鹏，陕西师范大学硕士学位论文，2016年）公开了将银纳米颗粒应用在非晶硅薄膜太阳能电池的背电极上，增强非晶硅薄膜太阳能电池的效率。其中，将银纳米薄膜在氮气氛围中进行退火制备银纳米颗粒，通过调节退火温度而改变银纳米颗粒的大小和形貌（椭圆形/棒状/球状），并研究退火温度对光吸收率和电池效率的影响，但仅实现了长波段范围内的吸收增强。

中国专利文献CN103094368A披露了一种太阳能电池（非薄膜太阳能电池），其包括基底以及顺序层叠在基底上的反射电极层、光吸收层和透明电极层，该反射电极层内具有与光吸收层分隔开的金属纳米颗粒，且除基底之外的各个层均具有粗糙表面；反射电极层内的金属纳米颗粒增强了太阳能电池在长波段的吸收，且太阳能电池呈现了极高的光吸收效率，但这里光吸收效率的提高主要归因于其中各个层特别是透明电极层的表面粗糙结构，而层表面粗糙结构的形成意味着该层厚度的明显增加，故这种结构难以在对厚度有严格要求的薄膜太阳能电池中应用。

也有采用双重陷光结构的公开。例如，中国专利文献 CN104064607A公开了一种表面和底部均带有阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构；中国专利文献CN103811589A 披露了半导体薄膜太阳能电池前后表面的陷光结构，包括形成在光吸收层前表面的光栅和后表面的双层金属纳米球。Xianqin Meng等研究了在薄膜太阳能电池光吸收层的前后表面形成衍射光栅对光吸收的影响（Xianqin Meng, et al., Combined frontand back diffraction gratings for broad band light trapping in thin filmsolar cell，OPTICS> September 2012, Vol. 20, No. S5 /A560-571）。采用光栅陷光结构虽然可以增强光吸收，但存在的突出问题是光栅与吸收层形成面接触，使得电子-空穴对的的复合概率显著增大，电池效率的提升实际上非常有限。

中国专利文献CN102646745A公开了一种光伏器件以及包含该光伏器件的太阳能电池，该光伏器件包括透明电极区、窗口区和吸收区三个区，其中采用了如此的双重陷光结构：同时在透明电极区的入光面和吸收区的背面形成微纳米球和/或纳米线；纳米线、微纳米球的材料为金属、非金属、或金属与非金属的复合材料。此结构从光学的角度来看，入光面和吸收区背面的微纳米球可能会对吸收光谱的提升有一定的作用，但是在实际的应用中将微纳米球和吸收区直接接触，同样会大大增加电子-空穴对的复合概率，严重影响太阳能电池的光电转化效率。而且该专利提出的微纳米结构是为了激发表面等离激元，从而增加光的吸收，但是由于表面等离激元激发导致的吸收提升主要集中在微纳米结构中，并不会形成吸收层有效吸收的提升，对最终的光电转换效率提升作用非常有限。

双重陷光结构通常比单一陷光结构具有更佳的光吸收效率，但要想很好地提高光吸收效率并不意味着简单地叠加两个陷光结构即可，因为这种简单叠加很可能产生一系列新的问题，例如在长波段吸收增强的同时却伴随其他波段吸收的相对劣化，而现有技术并未系统性地披露如何实现两个陷光结构之间的有效匹配。另一方面，光学吸收的提升分为吸收区的有效吸收提升和非吸收区的无效吸收提升，必须要严格界定。而且，为了实现最终的光电转换效率提升，微纳结构的引入导致光学吸收提升的同时不能对原有电池结构的电学特性有所损伤，例如常见的问题包括微纳结构的引入会大大增加电极接触表面或者新的缺陷，导致电子-空穴的复合效率大大提升，进而减小光电转换效率。发明人以在不影响电池本身电学性能的条件下，同时在短波段和长波段提升薄膜太阳能电池有效吸收为目的，进行了深入研究，进而提出了本发明。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有较高光电转化效率的薄膜太阳能电池及采用该薄膜太阳能电池的光伏发电装置，通过对薄膜太阳能电池内双重陷光结构各自材质、形貌、尺寸及位置的整体调控而使得该双重陷光结构较好匹配，同时增强短波段和长波段的有效吸收，以达成较高的光电转化效率。

为了实现上述的主要目的，本发明的第一方面提供了一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，包括前电极层、光吸收层、背电极层以及基底层；其中前电极层远离光吸收层的表面分散分布有非金属材质的微纳米球，该微纳米球的半径为15nm-150nm；背电极层的内部分散分布有金属材质的微纳米半球，该微纳米半球的半径为25nm-250nm，且微纳米半球与光吸收层之间的间距为10nm-100nm。

根据本发明的一种具体实施方式，所述非金属为选自二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化锂、氟化镁和氧化锌中的一种或多种。也就是说，前电极层远离光吸收层的表面可以是分散分布有单一材质的非金属微纳米球，也可以是分散分布有多种不同材质的非金属微纳米球。

根据本发明的一种具体实施方式，所述金属为选自铝、银和金中的一种或多种。也就是说，背电极层的内部可以是分散分布有单一材质的金属微纳米半球，也可以是分散分布有多种不同材质的金属微纳米半球。

在本发明的优选实施例中，所述非金属为二氧化硅或氮化硅，所述金属为银。发明人深入研究发现，二氧化硅或氮化硅微纳米球与银纳米半球的陷光结构组合在提升光吸收及光电转化效率方面具有相对更佳的效果。

优选的，所述微纳米球的半径为40nm-90nm。

优选的，所述微纳米半球的半径为80nm-120nm。

优选的，所述微纳米球的半径小于所述微纳米半球的半径。

本发明的实施例中，微纳米球之间的间距可以为30nm-500nm，微纳米半球之间的间距可以为10nm-400nm。如此设置，既不会影响太阳光的正常吸收，又能够达到更佳的陷光效果。

优选的，微纳米球之间的间距为50nm-200nm，微纳米半球之间的间距为30nm-100nm。

为了实现上述的主要目的，本发明的第二方面提供了一种光伏发电装置，其包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和直流-交流逆变器，该太阳能电池组件包括多个前述的任意一种薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池之间通过导线电连接。

本发明中，前电极层远离光吸收层的表面分散分布有作为陷光结构的非金属微纳米球，该非金属微纳米球的半径为15nm-150nm，促进在短波段的光吸收；背电极层的内部分散分布有同样作为陷光结构的金属微纳米半球，该金属微纳米半球的半径为25nm-250nm，促进在长波段的光吸收。这种双重陷光结构相互匹配，能够同时实现短波段和长波段的吸收增强；并且，该双重陷光结构均不与光吸收层接触，不会损伤电池的电学特性，不存在现有技术中因陷光结构与光吸收层接触而导致电子-空穴对的复合概率增加的缺陷。由此，本发明可使薄膜太阳能电池及光伏发电装置的光电转换效率明显提高。另外，本发明的薄膜太阳能电池具有商用太阳能电池所需的所有结构，且其中的陷光结构具有成熟的技术加工制造，便于实现规模化的产业生产。

为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明光伏发电装置实施例的结构框图；

图2是本发明薄膜太阳能电池实施例的立体结构示意图；

图3是本发明薄膜太阳能电池实施例的侧面结构示意图；

图4a示出了在前电极层表面设置不同非金属材质的微纳米球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图4b示出了在前电极层表面设置不同金属材质的微纳米球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图5a和5b示出了在前电极层表面设置不同半径的二氧化硅微纳米球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图6示出了在背电极层内部设置不同材质的微纳米球以及设置银微纳米半球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图7示出了在背电极层内部设置不同半径的银微纳米半球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图8示出了本发明薄膜太阳能电池具体实施例1-6的陷光结构组合及相应的短路电流密度提升比例；

图9a示出了在前电极层表面设置二氧化硅微纳米球且在背电极层内部设置不同金属材质的微纳米半球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图9b示出了在前电极层表面设置氮化硅微纳米球且在背电极层内部设置不同金属材质的微纳米半球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图10示出了在前电极层表面设置二氧化硅微纳米球、在背电极层内部设置银微纳米半球、以及在前电极层表面设置二氧化硅微纳米球且在背电极层内部设置银微纳米半球时薄膜太阳能电池的吸收光谱图；

图11示出了在前电极层表面设置二氧化硅微纳米球且在背电极层内部设置银微纳米半球时薄膜太阳能电池的短路电流密度-电压曲线图。

吸收光谱图中，横坐标为波长（Wavelength），纵坐标为吸收（Aborption）；短路电流密度-电压曲线图中，横坐标为电压（Voltage），纵坐标为短路电流密度（Short-circuitcurrent density）。

具体实施方式

光伏发电装置实施例

图1是本发明光伏发电装置实施例的结构框图。请参阅图1，该光伏发电装置实施例包括太阳能电池阵列10、控制器20、蓄电池组30和直流-交流逆变器40；其中多个太阳能电池组件11（图1中仅示出一个）串、并联组成太阳能电池阵列10，多个太阳能电池组件11串联产生所期望的电压，并联产生所期望的电流。蓄电池组30用于存储太阳能电池阵列10产生的电能，直流-交流逆变器40将蓄电池组30存储的直流电转换为交流电输出到交流负载50。另外，太阳能电池阵列10产生的电能也可以直接输出到直流负载60。

太阳能电池组件11又包括多个薄膜太阳能电池（单体）12，薄膜太阳能电池12之间通过导线电连接。图1所示太阳能电池组件11包括36个薄膜太阳能电池12，但本发明并不以此为限，例如太阳能电池组件11可以包括40个薄膜太阳能电池12。

薄膜太阳能电池实施例

图2和3示意性地描述了本发明薄膜太阳能电池12实施例的结构。需说明的是，为了清楚地示意所要表达的结构，图2和3中的不同结构部分可能并非以相同比例绘制，因此，除非明确地指明，否则图2和3所表达的内容并不构成对薄膜太阳能电池12各部分尺寸、比例关系的限制。

请参阅图2和3，薄膜太阳能电池12的实施例包括前电极层121、光吸收层122、背电极层123以及基底层124。其中，前电极层121远离光吸收层122的表面分散分布有非金属材质的微纳米球125，背电极层123的内部分散分布有金属材质的微纳米半球126。

前电极层121是用来收集电子和导电的透明导电氧化层，其具有透明且可导电的特点。前电极层121的材料例如可以是AZO（Al：ZnO，掺铝杂氧化锌）和ITO（掺锡氧化铟）。从减少对光线反射的角度考虑，前电极层121的厚度优选为70nm-120nm，例如大约100nm，但本发明并不以此为限。

光吸收层122的材料例如为非晶硅、砷化镓、铜铟镓硒或钙钛矿，这些材料都具有光吸收系数高的特点，只需几百纳米厚度就能实现大部分的可见光的吸收。在本发明的具体实施例中，光吸收层由pin节组成，p层通过将本征硅掺杂B（硼）元素形成，i层为未掺杂任何元素的硅，n层通过将本征硅掺杂P（磷）元素形成。p-n节的作用是形成一个内置的电场，使在本征层产生的电子-空穴对向两极移动，被两端的电极层收集起来。

背电极层123是用来收集空穴的透明导电氧化层，其材料同样可为例如AZO和ITO。基底层124的主要作用是增加入射到薄膜太阳能电池背部的光的反射，减少光的透过；基底层124优选采用反射系数较高的金属材料，例如金、银、铝或铜。

分散分布在前电极层121远离光吸收层122表面的微纳米球125作为陷光结构，用于增加薄膜太阳能电池在短波段（380nm-500nm）的光线吸收。微纳米球125的材料可以为例如氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氟化锂、氟化镁等，其中特别优选的是二氧化硅和氮化硅。

本发明人深入研究发现，在提升薄膜太阳能电池的短波段吸收方面，非金属材质的微纳米球具有比金属材质的微纳米球更佳的效果。图4a示出了分别在前电极层121表面设置氮化硅（Si₃N₄）、二氧化硅（SiO₂）和二氧化钛（TiO₂）微纳米球以及无陷光结构（w/oparticle）时的吸收光谱图，图4b示出了分别在前电极层121表面设置银（Ag）、铝（Al）和金（Au）微纳米球以及无陷光结构（w/o>

微纳米球125的几何尺寸对吸收光谱的影响也很大。微纳米球125的半径R₁（见图3）不能过大或过小，过小的话不但不易加工而且也起不到减少反射增加散射的效果，过大的话可能会遮挡太阳光，影响光吸收层122的吸收。本发明的实施例中，微纳米球125的半径可为15nm-150nm，优选为30nm-120nm，更优选为40nm-90nm。图5a和5b示出了采用不同半径r（单位为nm）的二氧化硅微纳米球以及无陷光结构（w/o>

微纳米球125之间的间距（即相邻微纳米球125之间的间隔距离）同样影响吸收效果。具体而言，微纳米球125之间的间距过大的话会造成微纳米球过于分散，达不到最好的陷光效果，过小的话会容易影响太阳能电池的正常吸收。本发明的实施例中，微纳米球125之间的间距可以为30nm-500nm，优选为50nm-300nm，更优选为50nm-200nm。微纳米球125可以呈周期性或者非周期性的分散分布。

分散分布在背电极层123内部的微纳米半球126作为陷光结构，其主要作用包括激发表面等离子体共振和增加长波段的反射从而增强薄膜太阳能电池在的长波段（570nm-780nm）吸收。微纳米半球126与基底层124形成面接触，并与光吸收层122之间具有一间距。本发明的实施例中，微纳米半球126与光吸收层122之间的间距可以为10nm-100nm，优选为10-60nm，更优选为10-30nm。

微纳米半球126的材料可为例如铝、银和金，其中特别优选的是银。图6示出了在背电极层126内部分别设置银（Ag）、铝（Al）、金（Au）、二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）和二氧化钛（TiO₂）微纳米球以及无陷光结构（w/o>

图6还示出在背电极层126内部设置银微纳米半球（Ag（Hemisphere））时的吸收光谱图，从在背电极层126内部设置银微纳米球（Ag）与设置银微纳米半球（Ag（Hemisphere））时的吸收光谱比对可见，在背电极层126内部设置银微纳米半球具有显著高于设置银微纳米球的长波吸收。特别说明的是，图6显示了在背电极层126内部设置铝微纳米球（Al）对促进长波吸收并无效果，但图9a和9b（如后文详述）则显示在背电极层126内部设置铝微纳米半球（Al（Hemisphere））对促进长波吸收具有明显效果。由此可见，背电极层126内部的陷光结构的几何形貌对促进长波吸收的影响是非常关键的。

微纳米半球126的几何尺寸对长波吸收的影响同样也很大。本发明的实施例中，微纳米半球126的半径R₂（见图3）为25nm-250nm，优选为50nm-180nm，更优选为80nm-120nm。图7示出了在背电极层123内设置不同半径r的银微纳米半球以及无陷光结构（w/o>

微纳米球半球126同样可以呈周期性或非周期性的分散分布。微纳米半球126之间的间距（即相邻微纳米半球126之间的间隔距离）也会影响吸收效果。本发明的实施例中，微纳米半球126之间的间距可以为10nm-400nm，优选为30nm-250nm，更优选为30nm-100nm。微纳米半球126之间的间距可以小于微纳米球125之间的间距。

薄膜太阳能电池具体实施例1-6

本发明的具体实施例1-6中，半径为70nm的微纳米球125在前电极层121远离光吸收层122的表面呈二维周期性阵列分布，其周期间距A₁为250nm（对应微纳米球125之间的间距为110nm）；半径为110nm的微纳米半球126在背电极层123内部呈二维周期性阵列分布，其周期间距A₂为250nm（对应微纳米半球126之间的间距为30nm）。

本发明的具体实施例1-6分别采用了不同材质微纳米球125和微纳米半球126的陷光结构组合，具体如图8所示。图9a示出了具体实施例1-3的陷光结构组合以及不加陷光结构（w/o particle）时薄膜太阳能电池的吸收光谱图，图9b示出了具体实施例4-6的陷光结构组合以及不加陷光结构时薄膜太阳能电池的吸收光谱图。从图9a和9b清楚可见，本发明的具体实施例1-6均可以同时实现短波段和长波段的光吸收增强。

图10示出了无陷光结构（w/o particle）、在前电极层表面设置半径为70nm的二氧化硅微纳米球（SiO₂）、在背电极层内部设置半径为110nm的银微纳米半球（Ag（Hemisphere））、以及具体实施例1（SiO₂>

模拟结果（见图8）表明：与不加陷光结构的薄膜太阳能电池相比，采用具体实施例1的陷光结构组合时短路电流密度提高了21%，采用具体实施例4的陷光结构组合时短路电流密度提高了20%，采用具体实施例2和5的陷光结构组合时短路电流密度提高了15%，采用具体实施例3和6的陷光结构组合时短路电流密度提高了12%。

将球放在光吸收层中已有大量的研究证明会提高电池整体的吸收，但是在光吸收层中的陷光结构会占据大量光吸收层的体积，必然会减少电子和空穴的产生，而且光吸收层中的微纳结构也会产生大量的寄生吸收。所以，即使我们看到整体结构的吸收确实有提高，但是在光吸材料中的吸收可能并没有提升多少。以往在计算太阳能电池的吸收光谱的时候，多数都采用1- T（反射率）-R（透射率）的方式计算太阳能电池的吸收率，此方法计算时只能计算整个太阳能电池结构的吸收率，无法判断有多少的吸收发生在吸收材料中。

本发明利用新的计算模型，将整个电池的吸收光谱分开计算，只以有效光谱吸收部分即被光吸收材料吸收的部分来衡量设计的结构是否可以提高太阳能电池的光电转化效率。具体地，本发明中使用Lumerical FDTD软件中的solar_generation分析组计算太阳能电池的吸收率，此分析组可以很好的计算特定材料或者特定区域的吸收率。通过此种计算方法，我们只以在非晶硅吸收层中的吸收率来衡量陷光结构的效果，确保被吸收的光子都可以转化为电子-空穴对。

图11给出了具体实施例1的陷光结构组合及无陷光结构（w/o particle）时的短路电流密度-电压曲线对比，可见具体实施例1的短路电流密度明显提高。根据本发明计算模型可计算得到光电转换效率提高了18%。

本发明中采用的模拟方法为时域有限差分法（FDTD），商用软件Lumerical FDTD利用时域有限差分法通过求解三维空间和时间域的Maxwell方程，可以得到太阳能电池在各个波长处的吸收光谱。模拟中非晶硅的材料光学常数取自Palik数据库，结构中包含的其他材料常数选自PV LIGHTHOUSE。光源方向的边界条件为PML，X和Y方向的边界条件为周期性的边界条件。为了获得光电转换效率，需要考虑材料表面复合效应，本模拟中非晶硅主要考虑了俄歇复合和辐射复合效应，假设非晶硅光吸收层与AZO背电极层和ITO前电极层界面的载流子表面复合速度为1000cm/s。

虽然以上通过具体实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的范围内，凡依照本发明所作的同等改进，应为本发明的保护范围所涵盖。

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