ПЛАЗМОННЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области производства фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии в электрическую и может быть использована для изготовления солнечных активных элементов.
Известен солнечный элемент на основе барьера Шоттки [Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы: пер. с англ. М.: Мир, 1986 - С. 319, 438 с], содержащий молибденовую подложку, на которую последовательно нанесены фотоприемник в виде слоев легированного и нелегированного аморфного кремния, полупрозрачная пленка палладия, контактные электроды к пленке палладия и просветляющее покрытие.
Недостатком такого солнечного элемента является малый коэффициент поглощения света, обусловленный малой толщиной фотоприемного слоя, а также относительно низкое напряжение холостого хода, что обусловливает низкий коэффициент полезного действия (КПД) элемента и ограничивает использование устройств на его основе.
Известен тонкопленочный кремниевый солнечный элемент, содержащий в качестве фотоприемника слой тонкопленочного окисленного аморфного кремния на изоляторе, при этом на поверхность аморфного кремния нанесены наночастицы серебра [Pillai S., Catchpole KR, Trupke Т., Green M.A. Surface plasmon enhanced silicon solar cells // J. Appl. Phys. 2007 Vol. 101, N 9093105], [Catchpole KR, Polman A. Plasmonic solar cells // Opt. Express. 2008 Vol. 16 N 26 P. 21793-21800]. В таком элементе увеличение коэффициента поглощения падающего излучения, а, следовательно, и КПД устройства в целом, происходит за счет эффекта возбуждения падающим излучением плазмон-поляритонов в слое диэлектрика под металлическими наночастицами.
Недостатком устройства является недостаточно высокий коэффициент поглощения света фотоприемным слоем, что не позволяет получить достаточно высокие значения
кпд.
В качестве прототипа выбран плазмонный солнечный элемент, представляющий собой структуру, в которой используется субволновая металлическая решетка на поверхности аморфного кремния, которая изготавливается методом фотолитографии [Doskolovich LL, Kadomina EA, Kadomin II, Nanoscale 25 photolithography by means of surface plasmon interference // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2007 Vol. 9 P. 854-857].
Недостатком устройства является недостаточно высокий коэффициент поглощения света фотоприемным слоем аморфного кремния, что не позволяет получить в нем достаточно высокие значения КПД.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать плазмонный солнечный элемент путем дополнительного использования в нем отражающего тонкопленочного диэлектрического интерференционного широкополосного зеркала, что обеспечит повышение КПД элемента за счет повышения коэффициента поглощения света в слое фотоприемника.
Поставленная задача решается тем, что плазмонный солнечный элемент, содержащий полупроводниковый фотоприемник, субволновую металлическую решетку, нанесенную на поверхность фотоприемника через слой окиси со стороны падения света, согласно полезной модели, дополнительно содержит отражающее тонкопленочное диэлектрическое интерференционное широкополосное зеркало, нанесенное на поверхность фотоприемника со стороны, противоположной падению света, причем слой окиси и слой зеркала, контактирующие с фотоприемником, являются электропроводящими.
Такой плазмонный солнечный элемент с отражающим тонкопленочным диэлектрической интерференционным широкополосным зеркалом позволит получать более высокие, чем у прототипа, значения коэффициента поглощения света в фотоприемнике и, соответственно, более высокий КПД устройства на его основе.
На Фиг. 1 приведено схематическое изображение плазмонного солнечного элемента с отражающим тонкопленочным диэлектрическим интерференционным широкополосным зеркалом. Плазмонный солнечный элемент содержит стеклянную подложку (1), на которую последовательно нанесены отражающее тонкопленочное диэлектрическое широкополосное интерференционное зеркало (2), состоящее из последовательно нанесенных зеркал со смещенными по спектру областями высокого отражения, фотоприемник (3), слой электропроводящего окисла (4), субволновая решетка из благородного металла (5). (6) - падающее излучение.
Плазмонный солнечный элемент действует так. Поскольку верхнее металлическое покрытие (5) представляет собой субволновую металлическую дифракционную решетку, то при освещении структуры светом (6) вблизи границы раздела металл (5) - окись (4) в слое диэлектрика толщиной несколько сотен нанометров будет происходить резонансное возбуждение падающим излучением поверхностных электромагнитных волн - плазмон-поляритонный резонанс. В результате плазмон-поляритонного резонанса локальное усиление интенсивности падающей электромагнитной волны может составлять десятки
раз [Slaoui A., Collins RT Advanced inorganic materials for photovoltaics // MRS Bullettin. 2007 Vol. 32, N 3 P. 211-218], [Безус Е.А., Досколович Л.Л. Расчет и моделирование дифракционных структур для формирования двумерных интерференционных картин поверхностных электромагнитных волн // Компьютерная оптика, 2009 - Т. 33 - № 1 - С. 10-16]. Наиболее эффективно плазмон-поляритоны возбуждаются при использовании благородных металлов - золота и серебра. Кроме того, эти металлы имеют малые потери на поглощение. Падающее излучение, усиленное плазмон-поляритонным резонансом, будет вызывать в фотоприемнике (3) генерацию неравновесных носителей заряда (электронно-дырочных пар) за счет явления внутреннего фотоэффекта. Часть солнечного излучения, не поглощенная в фотоприемнике и прошедшая через него, отразится диэлектрическим интерференционным зеркалом и снова попадет на фотоприемник. Поскольку в подобном зеркале отсутствуют потери на поглощение, а эффективность отражения очень высокая, то практически все излучение будет возвращено обратно в фотоприемник и поглощено им. При этом на электродах фотоприемника будет возникать разность потенциалов (напряжение холостого хода), а при замыкании электродов через фотоприемник потечет ток.
Поскольку локальное усиление интенсивности падающего на солнечный элемент излучения может составлять десятки раз, то квантовый выход фотоэффекта в фотоприемнике такого солнечного элемента будет намного выше, чем в элементе без субвлоновой решетки. Дополнительное поглощение излучения, отраженного от диэлектрического интерференционного широкополосного зеркала, обеспечит повышение КПД устройства в целом.
Интерференционное широкополосное зеркало (2) состоит из нескольких последовательно нанесенных зеркал со смещенными по спектру областями высокого отражения. Это обеспечивает высокий коэффициент отражения падающего солнечного излучения во всем диапазоне солнечного спектра.
Пример выполнения
Плазмонный солнечный элемент изготавливается на подложке из плавленого кварца и содержит следующие структурные элементы.
10
3
1. Широкополосное диэлектрическое зеркало, нанесенное на подложку, состоящее, например, из 39 слоев с большим и малым показателями преломления, причем слой с большим показателем преломления является электропроводным, например, это может быть слой ИТО (индий-оловянный окись) или ZnO, а как слой с малым показателем преломления может быть использован слой SiO2. Условно конструкцию такого зеркала можно представить в таком виде: S(BH)B(H'B')H'(B"H")B". Здесь S - подложка; В и Н -
четвертьволновые слои с большим и малым показателями преломления (ИТО или ZnO и SiO2, соответственно). Максимумы отражения для слоев В и Н находятся на длине волны 700 нм, для слоев В' и Н' - на 650 нм и для слоев В" и Н" - на 600 нм. На (Фиг. 2) показан график спектральной зависимости коэффициента отражения R такого отражающего интерференционного широкополосного зеркала.
При разработке покрытия с таким большим числом слоев главной задачей повышения его качества является уменьшение потерь, связанных с рассеянием излучения. Выбранная конструкция покрытия с размещением более толстых слоев у подложки способствовала уменьшению рассеяния в 1,5-2 раза.
Слой гидрогенизированного аморфного кремния «-типа толщиной 1000 нм.
Слой гидрогенизированного аморфного кремнияр-типа толщиной 800 нм.
4.
Тонкий (толщиной 20-30 нм) слой ИТО или ZnO.
h =
а =
Субволновяа решетка из благородного металла (золота или серебра) с такимиразмерами: толщина 100 нм, ширина полоски металла 120 нм, период решеткиЙ?=400НМ.
Верхний   металлический   электрод,   например,   пленка   алюминия   толщиной300 нм.
Диэлектрические слои широкополосного зеркала и тонкий слой окиси ИТО или ZnO могут быть изготовлены методом электронно-лучевого испарения соответствующих материалов.
Токосъемные электроды к электропроводящим слоям ИТО или ZnO могут быть изготовлены нанесением колец из пленок А1 термическим испарением в вакууме, толщина каждого кольца составляет примерно 200 нм.
Преимуществом предлагаемого плазмонного солнечного элемента является его более высокая эффективность по сравнению с прототипом, обусловленая более высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения в слое фотоприемника.