基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池

摘要

本发明公开了一种基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池，顶部透明电极均匀覆盖在非晶硅顶电池上，微晶硅底电池位于非晶硅顶电池下方并与之构成串联结构；底部透明导电氧化物位于微晶硅底电池和金属背反射电极之间；低折射率纳米孔周期阵列起始于顶部透明电极并深入非晶硅顶电池和微晶硅底电池中。本发明通过对纳米孔周期阵列的材料和结构尺寸进行优化，调控子电池光吸收特性，达到子电池光电流的匹配和增强的光电流；选择不同的顶部透明电极和底部透明导电氧化物，可进一步提高光吸收效率和光电流；纳米孔周期阵列的引入可减小非晶硅顶电池的体积，大大消弱非晶硅材料固有的光致衰退效应，稳定高。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池。

背景技术

与单晶硅太阳能电池相比，叠层甚至多层太阳能电池通过串联2个或多个子电池可将更宽波段的太阳光子能量转换为电能，效率可被大大提高。对于薄膜硅技术而言，非晶硅和微晶硅的带隙分别为1.7 eV和1.1 eV，非常适合作为叠层太阳能电池中的顶电池和底电池。目前，基于非晶硅/微晶硅的叠层太阳能电池的组件效率已达12.34%（Progress in Photovoltaics: Research and Applications 23(11): 1441-1447, 2015）。众所周知，短路电流偏低是限制叠层太阳能电池光电转换效率的最主要因素。在叠层太阳能电池中，串联结构要求顶电池和底电池的电流达到匹配且最大。由于非晶硅存在严重的光致衰退效应，非晶硅顶电池不能太厚，通常应≤ 300 nm；由于微晶硅沉积速率过低，微晶硅底电池也不能太厚，通常应≤ 2 μm，以避免过长的沉积时间和制备成本（Thin Solid Films 403–404: 179-187, 2002）。在这种情况下，太阳光无法被非晶硅和微晶硅充分吸收，因此子电池光电流偏低，且光电流失配较为严重。为此，人们提出了多种方案。

为了更有效地耦合入射光，顶部透明电极往往采用绒面透明导电氧化物，如氧化锌（Solar Energy Materials and Solar Cells 74(1-4): 457-467, 2002），其主要作用在于将入射太阳光散射入有源层，并减少反射光。除此之外，纳米量级的绒面透明导电氧化物和微米量级的二维光栅相结合，可以大大减小透明导电氧化物的厚度，进而提高其透过率（IEEE Journal of Photovoltaics 4(5): 1177-1184, 2014）。绒面结构同样可运用在背电极，用于将长波段光子更多地散射回有源层，被进一步吸收（Current Applied Physics 11(1): S2-S7, 2011）。在非晶硅顶电池和微晶硅底电池之间加入中间反射层也是一种常用的方法，有利于提高非晶硅顶电池的光吸收率，而且还可平衡顶电池和底电池的光电流（Applied Physics Letters 91(14): 143505, 2007）。此外，将一维（Optics Express: 21(13): A677-A686, 2013）或者二维（Nanoscale Research Letters 9:73 2014）纳米光栅引入非晶硅顶电池也可提高光电流。结合单层或者多层（IEEE Journal of Photovoltaics: 5(1): 46-54, 2015）中间反射层，其性能可被进一步改善。总的来说，这些结构相对复杂，工艺困难。另一方面，在多数情况下，尤其在非晶硅顶电池和微晶硅底电池之间加入中间反射层的情况下，顶电池光电流的增强要比底电池的高，电流匹配条件要求较厚的微晶硅底电池，但势必增加微晶硅底电池及整个叠层太阳能电池的制备成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为太阳能光伏技术提供一种高效率的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池设计，在实现子电池光电流匹配的同时，达到最大。

一种基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池，包括顶部透明电极、非晶硅顶电池、微晶硅底电池、低折射率纳米孔周期阵列、底部透明导电氧化物、金属背反射电极；顶部透明电极均匀覆盖在非晶硅顶电池上，微晶硅底电池位于非晶硅顶电池下方并与之构成串联结构；底部透明导电氧化物位于微晶硅底电池和金属背反射电极之间；低折射率纳米孔周期阵列贯穿顶部透明电极并深入非晶硅顶电池和微晶硅底电池中。

所述的非晶硅顶电池厚度小于等于300 nm，微晶硅底电池厚度小于等于2 μm，且两电池均为n-i-p结。

所述的顶部透明电极厚度为50-300 nm。

所述的底部透明导电氧化物厚度为50-300 nm。

所述的低折射率纳米孔周期阵列的折射率低于非晶硅和微晶硅，且不吸收。

所述的低折射率纳米孔周期阵列起始于顶部透明电极并深入非晶硅顶电池和微晶硅底电池中，基于低折射率纳米孔周期阵列增强的光散射和光局域特性调控非晶硅顶电池和微晶硅底电池的光吸收效率 ，进而协调两电池的光电流分配，实现光电流匹配；同时纳米孔周期阵列的引入可减小非晶硅顶电池体积，进而消弱非晶硅材料固有的光致衰退效应，器件稳定性高。

所述的顶部透明电极和低折射率纳米孔周期阵列可减少电池表面反射。

本发明的有益效果包括：

（1）本发明通过在非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池中引入低折射率纳米孔周期阵列，并改变纳米孔周期阵列的材料和尺寸，来增强太阳光在非晶硅顶电池和微晶硅底电池中的吸收效率，提高子电池光电流并实现子电池光电流的匹配，克服了传统非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池中子电池光电流失配的问题。

（2）本发明的结构设计可选择不同的顶部透明电极和底部透明导电氧化物，从而进一步提高光吸收效率，实现子电池光电流匹配并达到最大。

（3）本发明的结构设计中，低折射率纳米孔周期阵列的引入可大大减少非晶硅顶电池的体积，从而削弱非晶硅材料固有的光致衰退效应，稳定性高。

附图说明

图1为基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的三维结构示意图（2×2单元）；

图2为基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的结构示意图（俯视图；2×2单元）；

图3为基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的截面图（2×2单元）；

图4为基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池在平面波垂直入射条件下的吸收谱（实线），以及无纳米孔周期阵列的平面非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的吸收谱（虚线）；

图中，顶部透明电极1、非晶硅顶电池2、微晶硅底电池3、低折射率纳米孔周期阵列4、底部透明导电氧化物5、金属背反射电极6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、3所示，一种基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池，包括顶部透明电极1、非晶硅顶电池2、微晶硅底电池3、低折射率纳米孔周期阵列4、底部透明导电氧化物5、金属背反射电极6；顶部透明电极1均匀覆盖在非晶硅顶电池2上，微晶硅底电池3位于非晶硅顶电池2下方并与之构成串联结构；底部透明导电氧化物5位于微晶硅底电池3和金属背反射电极6之间；低折射率纳米孔周期阵列4起始于顶部透明电极1并深入非晶硅顶电池2和微晶硅底电池3中。

所述的非晶硅顶电池2厚度小于等于300 nm，微晶硅底电池3厚度小于等于2 μm，且两电池均为n-i-p结。

所述的顶部透明电极1厚度为50-300 nm。

所述的底部透明导电氧化物5厚度为50-300 nm。

所述的低折射率纳米孔周期阵列4的折射率低于非晶硅和微晶硅，且不吸收。

所述的低折射率纳米孔周期阵列4贯穿顶部透明电极1并深入非晶硅顶电池2和微晶硅底电池3中，基于低折射率纳米孔周期阵列4增强的光散射和光局域特性调控非晶硅顶电池2和微晶硅底电池3的光吸收效率 ，进而协调两电池的光电流分配，实现光电流匹配；同时纳米孔周期阵列的引入可减小非晶硅顶电池体积，进而消弱非晶硅材料固有的光致衰退效应，器件稳定性高。

所述的顶部透明电极1和低折射率纳米孔周期阵列4可减少电池表面反射。

实施例1

设置顶部透明电极1为氧化锌，其厚度为80 nm；非晶硅顶电池2的厚度为260nm；微晶硅底电池3的厚度2 μm；低折射率纳米孔周期阵列4为二氧化硅，其直径为300 nm，深度为1.94 μm，周期为500 nm；底部透明导电氧化物5为氧化锌，厚度为80 nm；金属背反射电极6为银，厚度为200 nm。

图4所示为上述实施例中非晶硅顶电池和微晶硅底电池的吸收谱线（实线），以及平面非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的非晶硅顶电池和微晶硅底电池的吸收谱线（虚线）。从图4可见，在平面非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池中引入纳米孔周期阵列后，非晶硅顶电池和微晶硅底电池的吸收效率可被显著提高，相应的光电流分别为12.48>2和12.065>2，达到了很好的匹配关系；总电流为12.065>2，比平面结构提高了22.24%。

实施例2

设置顶部透明电极1为氧化锡，厚度为亚微米量级；非晶硅顶电池2的厚度小于等于300 nm；微晶硅底电池3的厚度小于等于2 μm；低折射率纳米孔周期阵列4为三氧化二铝，其直径和周期亚微米量级，深度不超过微晶硅底部；底部透明导电氧化物5为氧化锡，厚度为亚微米量级；金属背反射电极6为银，厚度足够厚，没有光可透过。

通过选择不同材料并设置不同的结构参数，本发明的基于纳米孔周期阵列的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的子电池光吸收效率和光电流可被灵活调控。因此，本领域技术人员可以在本发明的基础上做出有针对性的修改和改进。