提出将AAO模板作为纳米光栅引入到太阳能电池结构中，设计制备了一种表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构。该陷光结构的表面减反结构由AAO和ITO构成，背反射结构由AAO、ITO、Ag构成。利用FDTD solution软件对AAO结构参数进行了优化。该陷光结构可有效地减少太阳能电池表面反射损耗，提高长波长光子在吸收层中的光程，从而增加薄膜硅太阳能电池在280-1100nm范围内的光吸收，吸收相对增强可以达到74.44％。由于AAO制作简便，成本低廉，适于批量生产，可以预计在不久的将来，AAO在薄膜硅太阳能电池应用上必将发挥更大的作用。
【技术实现步骤摘要】
-种带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构 所属
本专利专利技术的太阳能电池双重陷光结构由ΑΑ0(阳极氧化铝模板）纳米光栅组成， 可直接应用于各类薄膜硅太阳能电池，进而提高太阳能电池光电转换效率。
技术介绍
薄膜硅太阳能电池以其用料少、成本低的特点而备受人们青睐。但是与晶体硅电 池相比，薄膜硅太阳能电池面临着光电转化效率较低的难题。一方面由于表面反射的存在， 如果没有减反结构，30%以上的光将损失掉。另一方面随着Si吸收层厚度的减少，Si材料 对光的吸收也会减少。例如当厚度从1mm减少到l〇um时，c-Si对光吸收的极限波长将从 1108nm减少到800nm，这使得大量的光在没有被吸收之前就溢出了。为此，人们提出了各种 不同的方法来提高薄膜硅太阳能电池的光电转换效率。其中表面制绒、纳米线、刻录表面光 栅、利用表面等离子体效应、制造多层耦合结构等是常见的表面陷光方法。而由布拉格反射 器（distributed bragg reflector, DBR)或金属背反射层和光栅构成的叠层光栅结构是常 见的背部陷光方法。然而表面制绒等表面减反结构制备工艺复杂，条件苛刻、成本高，而叠 层光栅等底部陷光结构的制备一般要涉及到刻蚀或平版印刷等工艺，这使得常见陷光结构 不能得到广泛的应用。为此本专利提出一种简单经济、制备方便、适合批量生产的太阳能电 池双重陷光结构。
技术实现思路
为解决金属光栅、表面制备复杂纳米结构等薄膜硅太阳能电池表面减反结构和 DBR、叠层光栅背反射等背面陷光结构制备条件苛刻、成本高、不适合批量生产的难题，本专 利设计提出了一种新型的太阳能电池双重陷光结构。具体
技术实现思路
如下： (1)提出将ΑΑ0做为纳米光栅同时引入到薄膜硅太阳能电池表面和底部构成组合 陷光结构。 (2)利用光的衍射干涉理论和FDTD solution软件理论分析并设计了最佳的ΑΑ0 纳米光栅结构。 (3)太阳能电池表面减反结构由ΑΑ0纳米光栅、ΙΤ0导电玻璃两层结构组成，背反 射器由ΑΑ0纳米光栅、银背反射层、ΙΤ0导电玻璃三层结构组成。 本专利技术专利的创新之处在于提出同时将ΑΑ0模板作为纳米光栅引入到太阳能电 池表面减反结构和背反射器中。在表面减反结构中，利用ΑΑ0纳米光栅可得到大倾斜角的 入射光，通过减少表面反射和提高光在硅中的传播路程来提高太阳能电池光电转换效率， 仿真结果表明，在400-600nm的可见光范围内，ΑΑ0加入后可有效提高硅的光吸收率。在背 反射器结构中，通过有效抑制零级衍射，可使光在太阳能电池内部上表面发生全反射，有效 延长了光的传播路径实现捕光。银背反射层具有很高的反射率，可以将到达银背反射层的 90%以上的光反射。 【附图说明】 图1AA0纳米光栅扫描电镜结构图 图2表面和底部都带有ΑΑ0纳米光栅的太阳能电池结构 图3FDTD仿真模型示意图 图4不同陷光结构下的吸收谱线模拟图 图5带有ΑΑ0纳米光栅的双重陷光结构制备工艺流程图（a)表面结构，（b)背反 射器结构 【具体实施方式】 下面结合实例和图示对本专利技术专利做进一步的说明 实施例 本专利技术专利设计的双重陷光结构可应用于薄膜硅、晶体硅等各类太阳能电池。ΑΑ0 纳米光栅结构如图1所示。ΑΑ0纳米光栅双重陷光太阳能电池结构如图2所示。 工作原理 ΑΑ0纳米光栅双重陷光结构主要是通过表面减反结构和背反射器结构实现的。其 中，表面ΑΑ0主要相当于减反层，起到较少反射损耗的作用。此外，由于ΑΑ0的周期性多孔 结构，可以被看成光栅，通过光栅对光的衍射作用，表面ΑΑ0在减少反射的同时还可以改变 光在娃吸收层的传播方向，以提高光在娃中的传播距离。背反射器结构相当于衍射光栅，其 作用主要是通过衍射作用将光衍射到吸收层，从而提高光在硅中的传播路程。值得注意的 是，光栅对光路的调节可用光栅方程来说明，但由于零级衍射光在这里具有最小的光程，所 以要通过控制光栅高度将零级衍射光消掉。 理论设计 2hn = (2k+l) λ /2 (1) nP (sin a+sin β ) = m λ (2) 对于衍射和干涉，可以用减反层设计公式（1)和光栅方程（2)解释。上式中，h是 光栅高度，λ是涉及到的中心波长，η是涉及到的折射率，这里取Si，AA0的折射率为3. 5和 1. 76, m是衍射级数，k是干涉级数，α和β是入射角和衍射角。 (a)表面ΑΑ0厚度确定：取中心波长为532nm，为了得到最佳的减反效果，由⑴式 可以得到，表面最佳的ΑΑ0厚度为h = λ /4n = 75. 5nm。对表面ΑΑ0周期和占空比的优化 需要仿真得到。 (b)背部ΑΑ0周期确定：取中心波长为llOOnm，由⑵式可以得到，为了使±1级 的衍射角达到±90°实现全反射，故a =0，# = |。因此，光栅周期P为P=1100/3.5 = 314. 28nm。对背面AA0厚度和占空比的优化需要仿真得到。 FDTD 仿真 为了优化表面和底部AA0结构参数，FDTD软件被用来计算带有AA0陷光结构的 lum厚娃材料的吸收短路电流密度（Js。）。采用的仿真软件是Lumerical公司开发的FDTD Solutions软件。仿真模型如图3所示，定义相邻两个AA0的孔中心之间的距离为AA0的周 期Ρ，ΑΑ0的厚度为h，在一个周期中ΑΑ0的孔径所占的比例为占空比f。选用的光源是波长 范围为280-1100nm的平面波，入射方向为垂直入射。反射谱监视器放在光源上方，研究表 面带有AAO时透射谱监视器放在Si吸收层下表面处，研究底部带有AAO结构和组合结构时 透射谱监视器放在AAO下表面和Ag背反射层的交界面处。在X轴和y轴方向选用的是周 期性边界条件，x-y平面的仿真区域选取一个矩形，其中心同AAO孔中心重合，边长等于一 个AAO的周期。在z轴方向选用的是完全匹配层（perfectly matched layers, PML)条件。 z轴的仿真区域覆盖整个监视器、光源、吸收层、陷光结构所构成的范围。研究表面AAO参数 对光吸收的影响时选用图3(a)，研究底部AA0参数对光吸收的影响时选用图3(b)，研究组 合结构时选用图3(c)。通过仿真可以得到带有AA0陷光结构的lOOOnm厚的c-Si的透射谱 T ( λ )和反射谱R( λ )。通对数据的积分处理可以得到不同AA0参数下的短路电流密度，其 计算公式是 lilOO Jsc=e^|g〇 (3) 上式中e是电子电量，η是载流子收集效率（在这里取极限条件η = 1)，Α( λ) =1-RU)-TU)是仿真得到的吸收系数，IM1 5是太阳能电池的能量密度谱线。以Js。作为 参数就可以优化ΑΑ0结构。仿真结果表明ΑΑ0纳米光栅作为太阳能电池表面减反结构，其最 佳尺寸为光栅周期P为440nm，光栅高度h为75nm，占空比f为0. 5。仿真结果表明ΑΑ0纳 米光栅作为太阳能背反射器结构，其最佳尺寸为光栅常数P为380nm，光栅厚度h为90nm， 占空比f为0.75。图4显示了不同陷光结构下的吸收谱线模拟图，从图4中可以看出，与无 陷光结构的薄膜硅本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，由表面AAO减反结构和背面AAO、Ag背反射结构组成。
【技术特征摘要】
1. 一种带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，由表面AAO减反结构和背 面AAO、Ag背反射结构组成。2. 根据权利要求1所述的带有AA0纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中表 面AA0减反结构由AA0纳米光栅、IT0导电玻璃两层结构组成。3. 根据权利要求2所述的带有AA0纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中表 面AA0减反结构的特征是AA0的制备过程中将Ti镀在IT0和AA0之间，Ti的厚度不得大 于 20nm。4. 根据权利要求1所述的带有AAO纳米光栅的新型太阳能电池双重陷光结构，其中背 面AAO、Ag背反射结构由AA0纳米光栅、银背反射层、IT0导电...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海明，张晶晶，秦飞飞，王彩霞，郭聪，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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