一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池制造技术

本发明专利技术公开了一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池。在太阳能电池的表面制作菲涅尔透镜，菲涅尔透镜由一系列同心圆环刻蚀槽构成，刻蚀槽的深度根据公式计算得出，使得入射光从菲涅尔透镜上表面传播到下表面的相位差为π，其中λ为入射光的中心波长，n是太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率；刻蚀槽的宽度和间隔根据惠更斯-菲涅尔原理设计，由菲涅尔波带法计算得出。本发明专利技术利用菲涅尔透镜与太阳能电池集成，实现高性能、小尺寸高效率光伏系统；可以有效降低太阳能电池表面的反射率；有效增加光子在太阳能电池PN结区的吸收长度；有效增加入射光在太阳能电池的PN结区的光场强度；提高太阳能电池的PN结区对光子的有效吸收。

【技术实现步骤摘要】
一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池
本专利技术涉及太阳能电池，尤其涉及一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池。
技术介绍
太阳能光伏发电是一种非常环保的发电方式。在经历了将近一个世纪的发展过程后，光伏能源正在逐步成为世界上最受关注的新能源之一，也逐步成为最具活力的研究领域之一。目前市场上主流的太阳能电池为硅太阳能电池。但是硅太阳能电池的转换效率极限只有24％。为了达到更高的转换效率，砷化镓被用于制作太阳能电池。单结的砷化镓太阳能电池的理论极限约为27％。实验室制作三结的砷化镓太阳能电池转换效率甚至达到了40％以上。砷化镓属于III-V族化合物半导体材料。它是直接带隙材料，带隙为1.42eV,与太阳光的光谱匹配能力好，对太阳光有非常好的吸收特性。因此，相比于硅太阳能电池通常150微米的厚度，砷化镓太阳能电池可以做的很薄，达到5～10微米。此外，砷化镓太阳能电池具有耐高温的特性，在300摄氏度的条件下，硅太阳能电池已经停止运作，而它的转换效率仍然有10％，因此非常适合用于聚光太阳能电池系统。首次发现砷化镓太阳能电池具有光伏效应是在1954年，发展至今已有将近60年的时间了。在1980年之前，实验室制作的单结砷化镓太阳能电池的效率最高仅为16％。在1980年之后，随着砷化镓太阳能电池的制作技术从LPE到MOVPE，从同质外延到异质外延，并伴随着电池结构的不断变化和完善，其效率也在不断提升。1984年，美国可再生能源实验室(NERL)研制出Ga0.5In0.5P/GaAs叠层双结太阳能电池。在AM0G的测试条件下，1985年，它的效率达到5％，1987年达到10％，1988年达到21.8％，1990年达到27.3％。在1994年，它的效率更是达到了25.7％(AM0),29.5％(AM1.5),30.2％(AM1.5D)。在此基础上，很多人希望通过制作表面纳米结构的方式获得进一步改良，其中包括纳米线、纳米锥、减反层镀膜等技术，通过降低表面反射率的方法提高太阳能电池材料整体对入射光的吸收率，从而提高光电转换效率。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提出一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池，解决了传统太阳能电池反射率高、光子吸收率低、短路电流和开路电压较低等缺点，并针对太阳能电池结层的第一结PN结区和第二结PN结区进行设计优化。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术包括太阳能电池，在所述太阳能电池的上表面设有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜由一系列同心圆环刻蚀槽构成，所述同心圆环刻蚀槽的深度由公式h＝λ/[2(n-1)]计算得出，使得入射光从菲涅尔透镜上表面传播到下表面的相位差为π，其中λ为入射光的中心波长，n是太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率；所有同心圆环刻蚀槽两侧边缘的半径向外依次根据惠更斯-菲涅尔原理设计，由菲涅尔波带法计算得出。所述同心圆环刻蚀槽的深度为入射光的中心波长的四分之一，使从同心圆环刻蚀槽底部反射的光与从菲涅尔透镜上表面反射的光的相位差为π。所述太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率接近3。所述太阳能电池为三结叠层砷化镓太阳能电池，其中第一结材料为铟镓磷，第二结材料为砷化镓，第三结材料为铟镓砷。所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第一结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜，把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第一结的PN结区发射极底部。所述三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第二结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜，把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第二结的PN结区发射极底部。本专利技术具有的有益效果是：1.本专利技术的带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池利用一个新的结构机制将菲涅尔透镜与太阳能电池集成，实现高性能、小尺寸高效率光伏系统。2.本专利技术的菲涅尔透镜可以有效降低太阳能电池表面的反射率。3.本专利技术的透射型菲涅尔透镜可以有效增加光子在太阳能电池PN结区的吸收长度。4.本专利技术的菲涅尔透镜可以有效增加入射光在太阳能电池的PN结区的光场强度。5.本专利技术的菲涅尔透镜可以有效提高太阳能电池的PN结区对光子的有效吸收。附图说明图1是本专利技术带有表面菲涅尔透镜的太阳能电池的示意图。图2是本专利技术的菲涅尔透镜设计示意图。图3是本专利技术的针对三结叠层砷化镓电池的实施例设计的500纳米波长焦平面在第一结PN结区吸收层底部的菲涅尔透镜(简称第一种透镜)的示意图。图4是当透菲涅尔透镜聚焦面设定在电池第一结的PN结结区发射极底部时，500纳米波长入射光在聚焦面处的光强分布。图5是在三结叠层砷化镓电池表面制作了第一种透镜后的反射率与未制作第一种透镜时反射率的对比曲线图。图6是在多结叠层砷化镓电池表面制作了第一种透镜后的第一结PN结区的吸收率与未制作第一种透镜时第一结PN结区吸收率的对比曲线图。图7是本专利技术提出的针对750纳米波长设计的焦平面在第二结PN结区发射极底部的菲涅尔透镜(简称第二种透镜)的示意图。图8是当菲涅尔透镜聚焦面设定在电池第二结的PN结结区发射极底部时，750纳米波长入射光在聚焦面处的光强分布。图9是在多结叠层砷化镓电池表面制作了第二种透镜后的反射率与未制作第二种透镜时反射率的对比曲线图。图10是在多结叠层砷化镓电池表面制作了第二种透镜后的第二结PN结区的吸收率与未制作第二种透镜时第二结PN结区吸收率的对比曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术是在太阳能电池的上表面制作透射型菲涅尔透镜形成新的太阳能电池，菲涅尔透镜由一系列同心圆环刻蚀槽构成，所述刻蚀槽的深度h由公式h＝λ/[2(n-1)]计算得出，使得入射光从菲涅尔透镜刻蚀槽上表面传播到下表面的相位差为π，其中λ为入射光的中心波长，n是太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率；同心圆环刻蚀槽的半径根据惠更斯-菲涅尔原理设计，由菲涅尔波带法计算得出。刻蚀槽的深度为入射光的中心波长的四分之一，使从刻蚀槽底部反射的光与从菲涅尔透镜上表面反射的光的相位差为π。太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率接近3。太阳能电池为三结叠层砷化镓太阳能电池，其中第一结材料为铟镓磷，第二结材料为砷化镓，第三结材料为铟镓砷的太阳能电池。如图3所示，三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第一结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜,把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第一结PN结区发射极底部。如图7所示，三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第二结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜,把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第二结PN结区发射极底部。如图1所示，本专利技术所述的带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池包含一种制作在太阳能电池表面的菲涅尔透镜，该实施例为三结叠层砷化镓太阳能电池，其第一结材料为铟镓磷，第二结材料为砷化镓，第三结材料为铟镓砷(通过双面生长法生长在砷化镓衬底上)。太阳能电池的光电转换效率是指在外部回路上连接最佳负载电阻时的输出功率与入射到太阳能电池表面的总能量之比。光电转换效率是衡量太阳能电池的质量和技术水平的重要参数。除太阳能电池PN结本身的光生载流子产生能力之外，影响光电转换效率的外部因素有很多，常见的有太阳能电池表面对于太阳光的反射率，太阳能电池PN结结区对光子的吸收能力等。对于太阳能电池，不仅需要通过降低电池表面的反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池，包括太阳能电池，其特征在于：在所述太阳能电池的上表面设有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜由一系列同心圆环刻蚀槽构成，所述同心圆环刻蚀槽的深度由公式h＝λ/[2(n‑1)]计算得出，使得入射光从菲涅尔透镜上表面传播到下表面的相位差为π，其中λ为入射光的中心波长，n是太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率；所有同心圆环刻蚀槽两侧边缘的半径向外依次根据惠更斯‑菲涅尔原理设计，由菲涅尔波带法计算得出。

【技术特征摘要】
1.一种带有菲涅尔透镜纳米结构的太阳能电池，包括太阳能电池，其特征在于：在所述太阳能电池的上表面设有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜由一系列同心圆环刻蚀槽构成，所述同心圆环刻蚀槽的深度由公式h＝λ/[2(n-1)]计算得出，使得入射光从菲涅尔透镜上表面传播到下表面的相位差为π，其中λ为入射光的中心波长，n是太阳能电池表面菲涅尔透镜材料的折射率；所有同心圆环刻蚀槽两侧边缘的半径向外依次根据惠更斯-菲涅尔原理设计，由菲涅尔波带法计算得出；所述太阳能电池为三结叠层砷化镓太阳能电池，三结叠层砷化镓太阳能电池上表面，针对第一结的聚焦点和中心波长有菲涅尔透镜把入射光聚焦在三结叠层砷化镓太阳能电池的第一结的PN结区发射极底部，或者针...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳楠，胡昱，何建军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33