阅读说明：本技术 一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池 (Thin-film solar cell based on negative refractive index metamaterial ) 是由 王霖 金尚忠 周碧颖 于 2019-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明为一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池。本发明通过渔网结构的负折射率超材料,改善薄膜太阳能电池对红外线和部分可见光谱的吸收,使得更多的光线到达太阳能电池表面,实现有效的光捕获和高的太阳能电池效率；该结构采用简单的蚀刻技术制造,其渔网结构周期性排布,从而具有大的宽带吸收。本发明渔网结构和薄膜太阳能电池组成的系统,在渔网结构的作用下,薄膜太阳能电池光吸收的带宽变大,提高了薄膜太阳能电池的效率。(The invention relates to a thin film solar cell based on a negative refractive index metamaterial. According to the invention, the thin-film solar cell can improve the absorption of infrared rays and part of visible spectrum by the negative refractive index metamaterial of the fishing net structure, so that more rays can reach the surface of the solar cell, and effective light capture and high solar cell efficiency can be realized; the structure is manufactured by adopting a simple etching technology, and the fishing net structures are periodically arranged, so that the structure has large broadband absorption. According to the system consisting of the fishing net structure and the thin-film solar cell, under the action of the fishing net structure, the light absorption bandwidth of the thin-film solar cell is increased, and the efficiency of the thin-film solar cell is improved.)

一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池。

背景技术

太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁环保的能源，近年来得到前所未有的发展，有望成为二十一世纪的主导新能源。太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，市场上主流的是晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，两者各具优劣，晶体硅太阳能电池工艺成熟，光电转换效率相对较高，但材料消耗和电池成本很高；薄膜太阳能电池制备在廉价的衬底上，材料消耗和电池成本很低，但光电转化效率还有待提高。

碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池已经成为太阳能光伏领域中最有竞争力的一种电池，产业化的电池效率已经达到16％以上。但目前碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池要达到较高的转换效率依然困难，这在一定程度上限制了碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池的应用。目前提高碲化镉薄膜太阳电池转换效率主要是提高短波区域的太阳光的利用率和提高近红外区域太阳光的利用。

负折射率超材料(NIMs)是一种具有负介电常数和负磁导率的人工设计材料,近些年一直是电磁、光学、材料等研究领域的一个热点,表现出了一系列自然界材料中不存在的特异性质,诸如完美透镜以及负折射效应等特性。负折射率超材料折射在垂直于表面同一侧的光。当应用于太阳能电池时，更多的光可以被吸收，而不是被太阳能电池反射。通过设计超材料亚波长结构单元及尺寸,可以调控超材料的磁谐振特性,可以使其在一段波长范围的电磁场作用下都产生较强的局域场效应，吸收更多的光。

发明内容

针对现有技术中的问题以及研究现状，本发明提供一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池，其特征在于整个系统分为薄膜太阳能电池（1）和渔网结构（2）两部分；不同方向的入射光线通过渔网结构（2）到达薄膜太阳能电池（1）的受光表面。薄膜太阳能电池（1）是碲化镉薄膜太阳能电池，由玻璃衬底（6），透明导电氧化层（7），硫化镉窗口层（8），光吸收层（9）和金属电极（11）构成；所述光吸光层（9）使用碲化镉光伏材料制作，所述碲化镉光伏材料在碲化镉材料表面涂覆了碳纳米管薄膜（10）。渔网结构（2）是由中间的介质板（4）和介质板两侧的金属平板（3）（5）及双连接线组成的，其中两侧的金属平板及双连接线是完全相同的，它是一个十字和一个圆的混合物。

所述的一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池，其特征在于：薄膜太阳能电池的玻璃衬底是钠钙玻璃覆盖层，硫化镉窗口层的厚度是100~200nm。

所述的一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池，其特征在于：在碳纳米管薄膜上沉积的金属电极为金Au电极或镍电极。

所述的一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述碲化镉光伏材料厚度是5~10μm，碲化镉表面覆盖的碳纳米管薄膜厚度为50～100nm。

所述的一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池，其特征在于：整个薄膜太阳能电池尺寸是（10~20）*（10~20）cm，其渔网结构有（20~30）*（20~30）个单元，介质板两侧的金属平板（3）（5）的厚度是15~18μm，每个渔网单元周期包含的十字和圆的混合物中，a=5~10mm，厚度t=750~800μm，十字线宽w=1~2mm，圆半径R=2~3mm。

所述的一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述渔网结构采用蚀刻技术制造，其中间的介质板材料是氟化镁，介质板两侧的金属材料是金。

渔网结构的吸收原理是：渔网结构单元与入射电磁波发生磁谐振，渔网单元与入射电磁波的磁场发生强烈的耦合，而金属衬底与入射电磁场的电场耦合，整个渔网结构与自由空间形成阻抗匹配，大大减少在发生磁谐振的波段的反射率，而由于背面的金属衬底使透射率也为0，根据吸收率、透射率、反射率三者相加总和1，可以推得在渔网单元处发生磁谐振的频率段能实现很高的吸收率，故而，该负折射率超材料的薄膜太阳能电池能够改善红外线和部分可见光谱的吸收，实现比一般碲化镉薄膜太阳能电池更高的转换效率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1. 碲化镉的多晶半导体材料具有高化学稳定性的优点，且与硅太阳能电池相比，制造碲化镉薄膜太阳能电池所需的沉积工艺更简单且成本更低。

2. 通过电池表面的这种特定渔网结构可以改善红外线和部分可见光谱的吸收，实现比一般碲化镉薄膜太阳能电池更高的转换效率。

3. 由于碳纳米管具备很好的热稳定性，从而电池不会像铜Cu掺杂做背电极那样出现效率减退，可延长使用寿命；利用旋涂的方法制备碳纳米管薄膜，制备方法简单，成本便宜。

附图说明

图1是本发明的太阳能电池的总示意图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是本发明的渔网结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种基于负折射率超材料的薄膜太阳能电池分为薄膜太阳能电池（1）和渔网结构（2）两部分。不同方向的入射光线通过渔网结构（2）到达薄膜太阳能电池（1）的受光表面。所述薄膜太阳能电池（1）是碲化镉薄膜太阳能电池，在碲化镉薄膜太阳能电池中采用覆板结构和外差结结构；它由作为支撑材料的钠钙玻璃覆盖层（6），透明导电氧化层（7），厚度为100~200nm的硫化镉窗口层（8），光吸收层（9）和金属电极（11）构成。光吸光层使用碲化镉光伏材料制作，所述碲化镉光伏材料在碲化镉材料表面涂覆了碳纳米管薄膜（10）。碲化镉光伏材料厚度是5~10μm，碲化镉表面覆盖的碳纳米管薄膜厚度为50～100nm。所述渔网结构（2）适用于任意线性极化，是由中间的介质板（10）和介质板两侧的金属平板（9）（11）及双连接线组成的，其中两侧的金属平板及双连接线是完全相同的，它是一个十字和一个圆的混合物；中间的介质板材料是氟化镁，介质板两侧的金属材料是金。介质板两侧的金属平板（3）（5）的厚度是15~18μm，该渔网结构有（20~30）*（20~30）个单元，整个薄膜太阳能电池尺寸是（10~20）*（10~20）cm。

如图3所示，是渔网结构示意图。该结构可以采用蚀刻技术制造；每个渔网单元周期包含的十字和圆的混合物中，a（周期）=5~10mm，厚度t=750~800μm，十字线宽w=1~2mm，圆半径R=2~3mm。渔网结构周期性排布，使结构上的电流密度非常高，产生高磁共振，实现了大的负折射率超材料带宽，具有负值折射率约为1。薄膜太阳能电池上的这种特定渔网结构可以改善红外线和部分可见光谱的吸收，帮助太阳能电池实现更有效的光捕获和更高的效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。