本發(fā)明涉及一種太陽能電池領域，具體涉及一種等離子體多尖端納米結構太陽能電池及其制造方法。

背景技術：

太陽能作為緩解能源危機的潔凈新能源具有非常重要的應用價值及發(fā)展前景，點楊能電池是利用光生伏特效應，使半導體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢，將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的器件，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心技術，基礎組成部件。但是目前的太陽能電池存在的最大的問題就是光電轉(zhuǎn)化效率較低和成本高。

薄膜太陽能電池具有用材少、能耗低、成本低、能量回收期短等優(yōu)點，并且其生產(chǎn)過程中不會污染環(huán)境，是具有很好發(fā)展前景的新型太陽能電池。

中國專利cn104979413公開了一種利用金屬納米線做透明導電膜的薄膜太陽能電池。該發(fā)明在玻璃基板上生長銀，銅等金屬納米線，代替一般的半導體材料做透明導電層，以減少膜層帶來的電阻。該發(fā)明由于金屬納米線材料的不透光性，減少了與太陽光的耦合，雖然降低了電池器件的電阻，但收集的光生載流子總量并沒有很大提高。

中國專利cn102456761公開了一種具有波導結構的薄膜太陽能電池。該發(fā)明中電池的上層金屬薄膜和下層金屬薄膜形成波導的包覆層，厚玻璃，透明導電薄膜和光電活性薄膜形成波導層以提高太陽能電池的內(nèi)部光場強度。該發(fā)明中的上層金屬薄膜的厚度需要根據(jù)光電活性薄膜光響應度大的波段來確定，即對光電活性薄膜具有依賴性，這會使得生產(chǎn)工藝變得繁瑣增加成本。

綜上所述，目前薄膜太陽能電池存在的主要問題是生產(chǎn)成本高，光電轉(zhuǎn)化率低。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本申請?zhí)峁┮环N可以提高光電轉(zhuǎn)換效率的等離子多尖端金屬納米結構太陽能電池及其制造方法。

為解決以上技術問題，本發(fā)明提供的技術方案是一種等離子體多尖端納米結構太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池包括背電極層、襯底層、復合結構層、正電極層，所述復合結構層包括多尖端金屬納米結構層和光吸收層，所述多尖端金屬納米結構為納米星結構或納米雙邊塔結構。利用金屬納米結構的尖端區(qū)電磁場增強的特性，增大太陽光與表面等離子體激元的耦合，增強光電流。

其中，納米星結構具體為中間為圓球形結構，在圓球形結構的外表面生長著至少一個錐體結構，從而形成立體的星狀結構，稱之為納米星結構，所述尖端指的是椎體結構的尖端。

雙邊金字塔結構指的的兩個金字塔的底面相對形成的結構，金字塔的底面為正五邊形，兩個金字塔的塔頂形成尖端結構。

優(yōu)選的，所述多尖端納米結構層與所述光吸收層交替堆積形成所述復合層結構，所述多尖端金屬納米結構層可以設置于所述光吸收層的頂部，或者嵌入所述光吸收層中或者設置于所述光吸收層的底部。當多尖端納米結構層置于光吸收層的頂部時，光通過多次和大角度散射優(yōu)先散射進入半導體光吸收層，使得有效光程長度增加，光捕獲增強。當多尖端納米結構層嵌入光吸收層中時，多尖端金屬納米結構會激發(fā)局部表面等離子體激元，耦合太陽光，金屬納米結構尖端附近的電磁場增強，發(fā)生近場耦合，增強光電流。當多尖端納米結構層置于光吸收層的底部時，多尖端金屬納米結構會激發(fā)表面等離子體激元，通過耦合入射光實現(xiàn)對太陽光的捕獲。

優(yōu)選的，所述多尖端金屬納米結構的材料選自金、銀、銅中的任意一種。

更優(yōu)選的，所述多尖端納米結構的材料為金屬金。

優(yōu)選的，所述納米星結構包括至少一個尖端。

更優(yōu)選的，所述納米星結構包括三個尖端。

優(yōu)選的，所述納米星的核直徑為30～60nm，所述納米星尖端的長度和直徑分別為30～60nm和10～30nm，所述納米雙邊金字塔的縱軸長度為60～140nm，所述納米雙邊金字塔橫軸的長度為20～45nm。

更優(yōu)選的，所述納米星的核直徑為60nm，所述納米星尖端的長度為60nm，所述納米星尖端的直徑為20nm。

具體的，所述納米星的核直徑指的是納米星結構中圓球體的直徑，所述納米星尖端的長度指的是球形表面椎體的高度，尖端的直徑指的的椎體底面直徑。所述雙邊金字塔的縱軸長度指的是兩個金字塔頂端的距離，所述雙邊金字塔橫軸的長度指的是金字塔底面的最長距離的長度。

更優(yōu)選的，所述金納米星的制備方法具體為：以haucl4·3h2o為原料，在溶液中添加十六烷基三甲基溴化銨作為封端劑，添加抗壞血酸作為還原劑，添加agno3觸發(fā)au納米星的成核和生長，通過一鍋法合成

優(yōu)選的，所述襯底層的材料選自砷化鎵，硅，鈉鈣玻璃中的任意一種。

優(yōu)選的，所述的光吸收層選自p型層、n型層，p-n結層或p-i-n結層中的任意一種。

優(yōu)選的，所述光吸收層的材料選自cdte、cu(in,ga)se2、cu(in,ga)(se,s)2、cuinse2、cugase2、cuins2、cu(in,ga)s2、cuscn中的任意一種。

優(yōu)選的，所述光吸收層與所述正電極層之間還設置有透明導電層，所述光吸收層與所述透明導電層之間還設置有緩沖層。

更優(yōu)選的，所述透明導電層的材料選自鋁摻雜氧化鋅、氧化銦錫、氟摻雜氧化錫中的任意一種。

本發(fā)明還提供一種等離子體多尖端納米結構太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：(1)提供一襯底層，所述襯底層的材料為砷化鎵、非晶硅、鈉鈣玻璃中的任意一種；(2)在所述襯底層上通過表面蒸發(fā)方法形成復合結構層，所述復合結構層包括多尖端金屬納米結構層和光吸收層，所述多尖端納米結構層與所述光吸收層交替堆積形成復合結構層；(3)在所述復合結構層上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正電極層，在所述襯底層下真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層。

優(yōu)選的，在所述復合結構層上通過化學浴方法沉積緩沖層，在所述緩沖層上通過磁控濺射法沉積透明導電層。

優(yōu)選的，所述金屬納米結構層的厚度為200～300nm，所述光吸收層的厚度為1.0～2.0μm，所述緩沖層的厚度為50～100nm，所述透明導電層的厚度為500～600nm。

更優(yōu)選的，所述金屬納米結構層的厚度為200nm，所述光吸收層的厚度為1.0～2.0μm，所述緩沖層的厚度為50nm，所述透明導電層的厚度為500nm。

本申請與現(xiàn)有技術相比，其詳細說明如下：

金屬納米結構因可誘導表面等離子體激元和具有局部場增強特性被應用于薄膜太陽能電池，該結構通常被用作等離子元來增強薄膜太陽電池的光吸收。在等離子共振頻率附近金屬納米結構激發(fā)的表面等離子體激元可以有效地捕獲和引導半導體層中的光，金屬納米顆粒局部場增強會增加周圍半導體材料的光吸收，通過近場耦合使得光電流增強。相同體積納米結構，尖端處有更大的曲率，而局部場增強與表面的曲率成比例，所以多尖端金屬納米結構在其尖端區(qū)域內(nèi)，電磁強度進一步增強，近場耦合增強，表面等離子體激元可以更有效地捕獲入射光，從而提高太陽能電池光電效率。

與通過減少薄膜層帶來的電阻和通過改變光吸收層的材料和結構來增強光吸收的強度等現(xiàn)有技術方案不同，本發(fā)明結合了等離子體多尖端納米結構，利用其誘導的表面離子體激元與入射光的耦合作用，提高了光的吸收，等離子體多尖端納米結構在尖端區(qū)域電磁場增強是的近場耦合增大，提高了對入射光的捕獲，增大了光載流子從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明還將透明導電薄膜層和光電活性薄膜層形成波導層，提高太陽能電池的內(nèi)部光場強度來增大光載流子，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽能電池的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽能電池的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽能電池的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽能電池的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽能電池的結構示意圖；

圖6為本發(fā)明的等離子體多尖端金屬納米太陽能電池的結構示意圖；

附圖標記說明

1、背電極層；2、襯底層；3、多尖端金屬納米結構層；4、光吸收層；41、緩沖層；5、透明導電層；6、正電極層；7復合結構層。

具體實施方式

為了使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本申請所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，如圖1、圖2所示，包括依次設置的背電極層1、襯底層2、復合結構層7、正電極層6，所述復合結構層包括多尖端金屬納米結構層3和光吸收層4，所述復合結構層7與所述正電極層6之間還可以設置有緩沖層41，所述緩沖層41與所述正電極層6之間還可以設置有透明導電層5。

其中，襯底層2的材料為所述襯底層的材料為砷化鎵、非晶硅、鈉鈣玻璃中的任意一種，所述多尖端金屬納米結構層的材料為金、銀、銅中的任意一種，厚度為200nm，所述光吸收層的材料為cdte、cu(in,ga)se2、cu(in,ga)(se,s)2、cuinse2、cugase2、cuins2、cu(in,ga)s2、cuscn中的任意一種，厚度為1～2μm，所述透明導電層的材料為azo、ito、fto中的任意一種，厚度為500nm，所述緩沖層的材料為硫化鎘，厚度為50nm，所述正電極層與所述背電極層的材料為摻鋁氧化鋅。

其制備方法包括以下步驟：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵、非晶硅、鈉鈣玻璃中的任意一種；

(2)在所述襯底層2表面形成多尖端金屬納米結構層3；

(3)在所述多尖端金屬納米結構層3上形成光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4上采用化學浴法沉積緩沖層41；

(5)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導電層5；

(6)在所述透明導電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正電極層6；

(7)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

為了驗證本申請技術方案的技術效果，在上述具體實施方式要求的基礎上，采用具體參數(shù)進行試驗驗證，得到以下具體實施例。

實施例1

如圖1所示，本實施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，包括依次設置的背電極層1，襯底層2，多尖端金屬納米結構層3，光吸收層4，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面蒸發(fā)形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為60nm，尖端長度和直徑分別為60納米和20納米的au納米星結構，厚度為200nm；

(3)在所述多尖端金屬納米結構層3上形成2μm厚的p型cuscn光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正電極層6；

(5)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實施例2

如圖2所示，本實施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，包括依次設置的背電極層1，襯底層2，光吸收層4，多尖端金屬納米結構層3，緩沖層41，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面形成2μm厚的n型cuscn光吸收層4；

(3)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為30nm，尖端長度和直徑分別為30nm和10nm的au納米星結構，厚度為200nm；

(4)在所述多尖端金屬納米結構層3上采用化學浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(5)在所述緩沖層41上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(6)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實施例3

如圖3所示，本實施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，包括依次設置的背電極層1，襯底層2，多尖端金屬納米結構層3，光吸收層4，緩沖層41，透明導電層5，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為非晶硅；

(2)在所述襯底層2表面形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為50nm，尖端長度和直徑分別為50nm和20nm的ag納米星結構，厚度為200nm；

(3)在所述多尖端金屬納米結構層3上形成2μm厚的n型cuins2光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4上采用化學浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(5)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導電層，材料為azo，厚度為500nm；

(6)在所述透明導電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(7)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實施例4

如圖4所示，本實施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，包括依次設置的背電極層1，襯底層2，光吸收層4，多尖端金屬納米結構層3，光吸收層4，緩沖層41，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為鈉鈣玻璃；

(2)在所述襯底層2表面形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(3)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為60nm，尖端長度和直徑分別為60nm和30nm的cu納米星結構，厚度為200nm；

(4)在所述多尖端金屬納米結構層3上形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(5)在所述光吸收層4上采用化學浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(6)在所述緩沖層41上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(7)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實施例5

如圖5所示，本實施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，包括依次設置的背電極層1，襯底層2，光吸收層4，多尖端金屬納米結構層3，光吸收層4，緩沖層41，透明導電層5，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(3)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為60nm，尖端長度和直徑分別為60nm和30nm的au納米星結構，厚度為200nm；

(4)在所述多尖端金屬納米結構層3上形成1μm厚的p型cuinse2光吸收層4；

(5)在所述光吸收層4上采用化學浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(6)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導電層，材料為ito，厚度為500nm

(7)在所述透明導電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(8)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

實施例6

如圖6所示，本實施例所述的一種等離子體多尖端金屬納米結構太陽能電池，包括依次設置的背電極層1，襯底層2，多尖端金屬納米結構層3，光吸收層4，多尖端金屬納米結構層3，光吸收層4，緩沖層41，透明導電層5，正電極層6。

其制備方法如下：

(1)提供一襯底層2，所述襯底層2的材料為砷化鎵；

(2)在所述襯底層2表面形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為60nm，尖端長度和直徑分別為60nm和30nm的au納米星結構，厚度為200nm；

(3)在所述多尖端金屬納米結構層上形成1μm厚的p型cuscn光吸收層4；

(4)在所述光吸收層4上形成多尖端金屬納米結構層3，所述多尖端金屬納米結構為具有三個尖端的核直徑為60nm，尖端長度和直徑分別為60nm和30nm的au納米星結構，厚度為200nm；

(5)在所述多尖端金屬納米結構層3上形成1μm厚的p型cuscn光吸收層4；

(6)在所述光吸收層4上采用化學浴法沉積cds緩沖層41，厚度為50nm；

(7)在所述緩沖層41上采用磁控濺射法沉積透明導電層5，材料為ito，厚度為500nm

(8)在所述透明導電層5上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成正面電極層6；

(9)在所述襯底層2上真空蒸鍍摻鋁氧化鋅形成背電極層1。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出的是，上述優(yōu)選實施方式不應視為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。