本发明涉及太阳能电池、光电探测器技术领域，具体为一种核壳光栅上表面太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，它只要被满足一定照度条件的光照度，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。
在以往的研究中发现，横向核壳纳米线具有很强的天线效应，入射光可以在此类核壳结构内部激发回音壁模式、等离体子共振模式、光纤波导模式等，横向圆弧壳层的张角度会影响可激发的泄漏模数量，以部分圆核壳横向纳米线阵列构成的光栅结构覆盖在电池上表面，可以很大程度地增强光吸收机制以及调控电池的损耗机制。
目前，与本发明最接近的方案是由美国哈佛大学tian等人实验制备出了横向p-i-n结同轴核壳硅纳米线结构，以用于驱动低功耗纳米电子元件。该横向核壳纳米线是由p型硅纳米线芯和i型和n型硅壳组成。这种核壳结构的最大优势是载流子可以沿径向分离而不是沿较长的轴向进行，载流子收集距离较短或可与少数载流子扩散长度比拟，光生载流子可以高效率地到达电荷收集极，而不被大量地体复合。实验也证明了这种几何结构可以允许半导体材料质量远低于传统的p-n结器件。
目前光伏市场采用的光电转换模块主体依然为硅晶平板，现有的平板太阳能电池在长波段的反射率较高，吸收率较低，光电转换效率偏低，传统光伏电池板半导体耗材大，成本高，单位半导体材料发电效率低，由此提出一种核壳光栅上表面太阳能电池。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种核壳光栅上表面太阳能电池，解决了现有的太阳能电池光电转化率低和成本高的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种核壳光栅上表面太阳能电池，包括砷化镓平板，所述砷化镓平板上通过周期阵列化分布着半圆柱形砷化镓核芯和拱形氧化锌壳层，所述半圆柱形砷化镓核芯和拱形氧化锌壳层张角均为180°，所述半圆柱形砷化镓核芯和拱形氧化锌壳层构成核壳，所述半圆柱形砷化镓核芯的上方设置有拱形氧化锌壳层，所述砷化镓平板的上端固定连接有铝，所述砷化镓平板的下端固定连接有银和二氧化硅背板层。
优选的，所述砷化镓平板与所述半圆柱形砷化镓核芯的材料相同，所述砷化镓平板的厚度为1μm。
优选的，所述拱形氧化锌壳层的厚度为70nm，所述半圆柱形砷化镓核芯的半径为210nm，所述半圆柱形砷化镓核芯和拱形氧化锌壳层通过周期阵列形成等宽等间距的光栅，阵列一维周期为600nm。
优选的，所述银为发射极电极，所述铝为基极电极，所述银和铝作为金属电极，每15个所述核壳周期间安排一对电极点，金属电极宽1.6μm，厚度均为1μm。
优选的，所述砷化镓平板且靠近电极点处需要进行重掺杂，使半导体费米能级发生简并，所述砷化镓平板与所述金属电极之间形成势垒，从而形成两者的理想欧姆接触。
优选的，所述二氧化硅背板层的厚度为100μm。
优选的，所述光栅上方承接来自太阳照射的光线所述银与所述铝的左侧设置有用电器。
(三)有益效果
本发明提供了一种核壳光栅上表面太阳能电池。具备以下有益效果：
1、本发明利用核壳光栅结构中特殊的光电耦合模式，兼顾短波段与长波段的光吸收效率，整体提升可见光波段的光吸收效率，本发明能够有效降低太阳能电池的光电损耗机制，提高输出电压和电流，并且，本发明能够利用阵列间隙和光栅栅格的空间占比有效降低半导体材料的使用量，降低电池成本，相比平板太阳能电池更加经济。
2、本发明能够明显弥补单根电池发电功率低下的问题，本发明利用光栅与平板结构相结合，显著提高了太阳能电池的整体稳固性和使用寿命，同时体现本发明有明显的鲁棒性优势，运用场景更加广泛，环境适应性更强。
3、本发明利用光栅上表面，可以对入射太阳光进行二次调光，使入射光透入基部块体半导体材料中实现光场再调控，使得共振耦合模式加强，相对于传统平板材料的单一耦合模式，本发明能够针对不同入射波长下的太阳光进行有选择的光子调控，对载流子空间分布起到了关键调制作用。
4、本发明光栅阵列化的优化设计，不仅可以为超小型微纳器件提供能源，而且更加适应愈加广阔的大规模光伏发电市场，主要提高太阳能电池发电功率的同时，有效降低单位发电成本，为市场提供更加低廉、环保、稳定、持续的光伏发电。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为掺杂浓度与区域示意图；
图3为te偏振光照下不同壳层厚度与核芯半径配置的结构光吸收等效短路电流密度jsc；
图4为tm偏振光照下不同壳层厚度与核芯半径配置的结构光吸收等效短路电流密度jsc；
图5为非偏振光照下不同壳层厚度与核芯半径配置的结构光吸收等效短路电流密度jsc；
图6为横向核壳光栅上表面太阳能电池与等厚度平板电池吸收光谱比较；
图7为te偏振光下的载流子g分布图；
图8为tm偏振光下的载流子g分布图。
其中，1、铝；2、拱形氧化锌壳层；3、半圆柱形砷化镓核芯；4、砷化镓平板；5、二氧化硅背板层；6、银。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1-8所示，本发明实施例提供一种核壳光栅上表面太阳能电池，包括砷化镓平板4，其特征在于：砷化镓平板4上通过周期阵列化分布着半圆柱形砷化镓核芯3和拱形氧化锌壳层2，半圆柱形砷化镓核芯3和拱形氧化锌壳层2张角均为180°，半圆柱形砷化镓核芯3和拱形氧化锌壳层2构成核壳，半圆柱形砷化镓核芯3的上方设置有拱形氧化锌壳层2，砷化镓平板4的上端固定连接有铝1，砷化镓平板4的下端固定连接有银6和二氧化硅背板层5，二氧化硅背板层的厚度为100μm。
砷化镓平板4与半圆柱形砷化镓核芯3的材料相同，砷化镓平板4的厚度为1μm，拱形氧化锌壳层2的厚度为70nm，半圆柱形砷化镓核芯3的半径为210nm，半圆柱形砷化镓核芯3和拱形氧化锌壳层2通过周期阵列形成等宽等间距的光栅，阵列一维周期为600nm，银6为发射极电极，铝1为基极电极，光栅上方承接来自太阳照射的光线银6与铝1的左侧设置有用电器，银6和铝1作为金属电极，每15个核壳周期间安排一对电极点，金属电极宽1.6μm，厚度均为1μm，砷化镓平板4且靠近电极点处需要进行重掺杂，使半导体费米能级发生简并，砷化镓平板4与金属电极之间形成势垒，从而形成两者的理想欧姆接触。
本发明中二维方向的长度是不限的，可以是几百几千纳米或微米级或厘米级的尺寸，视具体应用场景而定，光栅上方承接来自太阳照射的光线，金属电极引导光伏效应产生的光电流输出，驱动用电器。
实施例二：
如图2所示，掺杂是太阳能电池制备中的重要环节，通常有高温热扩散和离子注入等方式，而掺入的杂质有两类：第一类是提供载流子的受主或施主杂质；第二类是产生复合中心的重金属杂质。本发明采用第一类杂质，在两个电极与块体接触面附近进行重掺杂。
本发明创造性地将横向半圆柱核壳纳米线阵列附着于传统平板上表面，形成光栅上表面太阳能电池设计，实现光俘获性能的提高，并通过优化设计相关电学参数，一并实现载流子复合损耗的降低。如图3-5所示，本发明为最佳的核壳光栅上表面结构，已对壳层厚度d与核芯半径r进行扫描寻优，图3(a)显示最佳te光吸收达到等效短路电流密度jsc为30.43ma/cm2(r＝260nm,d＝60nm)，图4(b)显示最佳tm光吸收达到等效jsc为30.03ma/cm2(r＝200nm,d＝70nm)，图5(c)显示最佳非偏振光吸收达到等效jsc为30.11ma/cm2(r＝210nm,d＝70nm)。注意到，三种偏振态下的光学响应最佳结构呈现出了高度的一致性：d为50～80nm，纳米线半径为150～300nm的半圆核壳纳米线光栅结构具有最好的光俘获效益。经比较，70nm厚度的zno壳层对电池光学吸收的增益效果达到最佳。简单理解为，70nm厚度的zno壳层起到了最佳的减反射效果。需要明确的是，这里当d r>300nm时，结构周期单位内的壳层将会部分重叠，整体形成共形核壳结构，相当于在电池上表面覆盖一层连续起伏的透明介质层。此外，也可以明显观察到核壳光栅上表面比裸光栅上表面普遍具有更大的陷光优势，与半径为210nm的裸光栅结构(jsc＝25.08ma/cm2)相比，核壳结构光吸收增益20.1％。另一方面，等效厚度为1116nm的砷化镓平板电池的极限吸收jsc＝18.53ma/cm2，最佳核壳光栅上表面电池又较之增益达62.5％。
如图6-8所示，本发明与传统平板太阳能电池的吸收光谱以及本发明对应于入射光谱的载流子产生率空间分布图，比较可知，在两种结构的砷化镓材料用量完全相同的情况下，加上拱形氧化锌壳层的光栅上表面结构能够实现基于平板电池吸收性能的全波段超高效率吸收增益。实验发现，位于波长566nm附近的光吸收率高达99.66％，在砷化镓材料可利用的可见光波段，较平板结构实现了大幅度吸收提高，平均吸收效率从50.73％提高到82.53％，上升31.8个百分点。本发明的吸收谱线展现了理想光伏器件的光学响应目标：高水平超宽带的吸收峰形状，该谱线在全波段展现了优越的吸收性能，说明核壳结构的引进，不只是针对某个或某段特定波长具有光俘获增强的效果，而是整体性地提升了各个波长的光学吸收响应。观察图6-7中单周期下的te光和tm光的载流子激发响应，可以得知，载流子产生速率稳定维持在1028/m3·s数量级，并且表明，两种偏振光下载流子激发强度较高的区域都在上表面光栅核芯层，其中tm波下的高载流子产生率出现在了块体结构与光栅结构的界面处。两个载流子分布图都能够表明，上表面光栅结构具有对基层块体半导体材料的光吸收调制作用。经过核壳光栅上表面的调节，块体材料中出现了有规则的强弱间隔分布，说明入射光子在主体结构中形成了明显的共振耦合。经过有效的电学掺杂和工艺优化，这些耦合模式能够最大限度地贡献光电转换效率
实施例三
如图1-8所示，与实施例一的不同之处在于由于几何形状的相似性，太阳能电池或光电探测器吸光层上表面的光栅阵列截面可以是其他形状的核壳结构，如椭圆形核壳、矩形核壳、三角形核壳、五边形核壳、六边形核壳、不规则核壳形状等。
壳层的形状可以为其他形状，比如共形；壳层介质材料可以为其他透明材料，比如氧化铟锡等。
核壳结构的核芯半导体材料可以是其他材料，比如硅、磷化铟、钙钛矿材料等。
核芯和壳层的张角可以设置为其他角度；阵列周期或光栅常数大小可以设计为其他大小，比如500、700、900nm等；光栅核芯半径根据周期大小确定；光栅壳层厚度根据具体周期大小而确定；光栅下附块体半导体厚度可以更大，比如1～1000μm；光栅阵列可以设置在二维方向上，不局限于一维方向；电极材料可以选取其他金属，比如au和cu；电极材料厚度可根据具体场景设置大小，比如5、10、100μm等；本发明整体结构底部材料可以是其他材料，比如玻璃，石英，塑料平板等；二氧化硅背板层厚度可以设计为其他值，比如5,10、100μm等，厚度不唯一；太阳能电池或光电探测器吸光层下表面也可设计为光栅结构；
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种核壳光栅上表面太阳能电池，包括砷化镓平板(4)，其特征在于：所述砷化镓平板(4)上通过周期阵列化分布着半圆柱形砷化镓核芯(3)和拱形氧化锌壳层(2)，所述半圆柱形砷化镓核芯(3)和拱形氧化锌壳层(2)张角均为180°，所述半圆柱形砷化镓核芯(3)和拱形氧化锌壳层(2)构成核壳，所述半圆柱形砷化镓核芯(3)的上方设置有拱形氧化锌壳层(2)，所述砷化镓平板(4)的上端固定连接有铝(1)，所述砷化镓平板(4)的下端固定连接有银(6)和二氧化硅背板层(5)。
2.根据权利要求1所述的一种核壳光栅上表面太阳能电池，其特征在于：所述砷化镓平板(4)与所述半圆柱形砷化镓核芯(3)的材料相同，所述砷化镓平板(4)的厚度为1μm。
3.根据权利要求1所述的一种核壳光栅上表面太阳能电池，其特征在于：所述拱形氧化锌壳层(2)的厚度为70nm，所述半圆柱形砷化镓核芯(3)的半径为210nm，所述半圆柱形砷化镓核芯(3)和拱形氧化锌壳层(2)通过周期阵列形成等宽等间距的光栅，阵列一维周期为600nm。
4.根据权利要求3所述的一种核壳光栅上表面太阳能电池，其特征在于：所述银(6)为发射极电极，所述铝(1)为基极电极，所述银(6)和铝(1)作为金属电极，每15个所述核壳周期间安排一对电极点，金属电极宽1.6μm，厚度均为1μm。
5.根据权利要求4所述的一种核壳光栅上表面太阳能电池，其特征在于：所述砷化镓平板(4)且靠近电极点处需要进行重掺杂，使半导体费米能级发生简并，所述砷化镓平板(4)与所述金属电极之间形成势垒，从而形成两者的理想欧姆接触。
6.根据权利要求1中任意一项所述的一种核壳光栅上表面太阳能电池，其特征在于：所述二氧化硅背板层(5)的厚度为100μm。
7.根据权利要求3所述的一种核壳光栅上表面太阳能电池，其特征在于：所述光栅上方承接来自太阳照射的光线,所述银(6)与所述铝(1)的左侧设置有用电器。
技术总结