一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，本发明专利技术的结构是：在硅太阳能薄膜电池硅有源层上下表面均设置有沿两个方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅，每个周期内有两个硅材料的光栅齿,以及两个材料为空气的光栅沟槽。通过调控硅有源层上下表面微纳二维多齿谐振光栅的结构尺寸、光栅齿位置以及光栅厚度，理论分析表明，该硅太阳能薄膜电池对入射光的吸收效率可达81.8%以上，这能使得硅有源层与太阳光之间的相互作用能力得到明显提升，从而能提高硅太阳能薄膜电池光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池
本专利技术属于光学领域，具体为一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池。
技术介绍
太阳能薄膜电池因其制作工艺相对简单，能耗低、体积小而倍受研究者的关注。然而，目前困扰太阳能薄膜电池一个重要的难题就是其光电转换性能问题。有研究表明，通过改进太阳能薄膜电池表面结构，可以提高其对太阳光的捕获吸收能力，使更多的光子参与光电转换过程，从而能提高太阳能薄膜电池的光电转换性能。这其中，因光栅结构简单、易于集成、制作工艺简便等优点，因而它常被置于太阳能薄膜电池表面，以降低太阳能薄膜电池表面光反射率，并通过光栅衍射效果来改善入射光在太阳能薄膜电池内部的传输光程，增强对太阳光子的吸收率。由光栅衍射理论可知，常规均匀光栅（一个周期内光栅齿数为1）对入射光的偏振态、入射角度以及波长都较敏感，这使得常规均匀光栅在太阳能薄膜电池中的应用受到了限制，而与常规均匀相比，多齿光栅（一个周期内有2个或以上不等宽光栅齿）在设计自由度，控制光栅区域内光场分布，操控光栅中泄漏模的传输，实现宽谱、大角度响应等具有巨大优势，从而使得该结构可以实现宽带、大角度、全偏振光捕获吸收，能够获得光电转换效率的明显提升。
技术实现思路
根据上述内容，利用微纳多齿光栅独有特性，本专利技术设计了一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，得益于该双层微纳二维多齿谐振光栅，此硅太阳能薄膜电池可以实现对太阳光的宽带、大角度、全偏振的捕获与吸收，能够使得光电转换性能得到提升。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，其特征在于：在薄膜电池硅有源层上下表面均设置有沿X、Y轴方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅（可使得硅有源层对入射光的吸收效率大大提高，增强了硅太阳能薄膜电池光电转化性能。），且每个周期内有两个硅材料的光栅齿,以及两个材料为空气的光栅沟槽，光栅层厚度沿Z轴方向。①硅有源层上表面微纳二维多齿谐振光栅：沿X轴方向光栅周期为1200纳米(Tx1=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wx11和wx12),以及两个材料为空气的光栅沟槽(kx11和kx12)，且wx11=130纳米，wx12=54纳米，kx11=306纳米，kx12=710纳米；沿Y轴方向光栅周期为1200纳米(Ty1=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wy11和wy12),以及两个材料为空气的光栅沟槽(ky11和ky12)，且wy11=51纳米，wy12=838纳米，ky11=261纳米，ky12=50纳米；沿Z轴方向光栅厚度为340纳米；②硅有源层下表面微纳二维多齿谐振光栅：沿X轴方向光栅周期为400纳米(Tx2=400nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wx21和wx22),以及两个材料为空气的光栅沟槽(kx21和kx22)，且wx21=141纳米，wx22=141纳米，kx21=59纳米，kx22=59纳米；沿Y轴方向光栅周期为1200纳米(Ty2=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wy21和wy22),以及两个材料为空气的光栅沟槽(ky21和ky22)，且wy21=50纳米，wy22=50纳米，ky21=50纳米，ky22=1050纳米；沿Z轴方向光栅高度为340纳米。通过调控硅有源层上下表面微纳二维多齿谐振光栅的结构尺寸、光栅齿位置以及光栅厚度，可使得硅有源层上表面微纳二维多齿谐振光栅能在300~1200纳米宽谱范围内透射率保持在95%以上，且入射角度在-40度到+40度范围内反射率能维持在5%以下；硅有源层下表面微纳二维多齿谐振光栅在各个入射角度内的平均反射率（入射角度为-85°~85°内反射率的平均值）大于81.9%，这样能使得透射光被反射回硅有源层而被吸收。理论分析表明，硅有源层对入射光的吸收效率可达81.8%以上，这样能大大提高硅太阳能薄膜电池光电转化性能。由光栅衍射理论分析可知，此太阳能薄膜电池硅有源层上表面微纳二维多齿谐振光栅，在300~1200纳米宽谱范围内平均反射率保持在12.26%以下，而光栅高度在340±60纳米变化范围内，其反射率变化不超过0.7%。另外，此谐振光栅在入射角度±40度范围内，其反射率能保持5%以下；而硅有源层下表面微纳二维多齿谐振光栅，在各个入射角度内的平均反射率约为81.9%。在此双层光栅的共同作用下，硅有源层对各个角度入射太阳光的平均吸收效率可达81.8%以上，这能使得硅有源层与太阳光相互作用时间得到大大延长，从而能有效的提高光电转换性能。本专利技术采用的原理如下：1.此结构中硅有源层上下表面微纳二维多齿谐振光栅的宽带、高衍射率及大角度谱宽特性源于此双层光栅泄漏模谐振效应及泄漏模的相互作用。理论分析表明，当光栅发生泄漏模谐振时，会使得光栅衍射谱能量重新分布，表现为在光栅衍射谱中强调质光栅的0级反射(或透射)率几乎将近100%的现象，而泄漏模的相互作用能扩展高衍射率带宽；另外，此双层光栅的宽带、高衍射率及大角度谱宽特性还与此双层光栅构成材料的高折射率差（强调质）及多齿形状调制有关。高折射率差的光栅层能够扩展谐振区域，从而有利于宽带、高衍射率及大角度谱宽特性的形成，而且，此双层光栅的多齿形状调制能够有效防止入射光泄漏模的快速衰逝，这能大大增加对入射光的捕获吸收能力，从而能增强此器件的性能。2.此结构中，上表面微纳二维多齿谐振光栅能够使得入射到硅有源层表面的太阳光大部分被透射进硅有源层。而下表面微纳二维多齿谐振光栅能够使得进入到硅有源层的太阳光被反射回有源层，有效防止太阳光的泄露。因而，在此双层光栅的共同作用下，太阳光在硅有源层中的光程大大增加，从而使得太阳光与硅有源层的相互作用时间得到大大延长，而这又使得光子驻留时间增加，其中光子驻留时间定义为：在不施加光场的情况下，光子数目由最大值衰减到1/e的时间。光子驻留时间延长，则意味着太阳光与薄膜电池的作用时间增加，则硅太阳能薄膜电池对太阳光的捕获能力增强，从而能增强硅太阳能薄膜电池的光电转化性能。本专利技术具有下列优点和积极效果：①基于硅材料系统，便于利用现有的微纳加工平台对器件进行加工制备，利于大规模集成；②该结构可以实现宽带、高衍射效率、大角度谱宽及全偏振的太阳光捕获与吸收；③在此双层光栅的共同作用下，太阳光在硅有源层中的光程大大增加，从而使得太阳光与硅有源层的相互作用时间得到大大延长，这增强了硅太阳能薄膜电池对太阳光的捕获吸收能力，从而能增强硅太阳能薄膜电池的光电转化性能。附图说明图1是基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池芯层三维结构图。图2是硅有源层上表面微纳二维多齿谐振光栅的俯视图。图3是硅有源层下表面微纳二维多齿谐振光栅的仰视图。图4是上表面微纳二维多齿谐振光栅反射率随入射（垂直）波长的变化曲线。图5是上表面微纳二维多齿谐振光栅平均反射率随入射波长的变化曲线。图6是下表面微纳二维多齿谐振光栅平均反射率随入射波长的变化曲线。图7太阳能薄膜电池硅有源层平均反射率、吸收率、透射率随波长的变化曲线。具体实施方式下面结合附图加以详细说明：1、总体如图1所示，在太阳能薄膜电池硅有源层上下表面均设置有沿X、Y轴方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅，且每个周期内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，其特征在于：在硅有源层上下表面均设置有沿X、Y轴方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅，且每个周期内有两个硅材料的光栅齿,以及两个材料为空气的光栅沟槽，光栅层厚度沿Z轴方向。

【技术特征摘要】
1.一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，其特征在于：在硅有源层上下表面均设置有沿X、Y轴方向周期变化的微纳二维多齿谐振光栅，且每个周期内有两个硅材料的光栅齿,以及两个材料为空气的光栅沟槽，光栅层厚度沿Z轴方向。2.根据权利要求1所述的一种基于双层微纳二维多齿谐振光栅的硅太阳能薄膜电池，其特征在于：①硅有源层上表面微纳二维多齿谐振光栅：沿X轴方向光栅周期为1200纳米(Tx1=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wx11和wx12),以及两个材料为空气的光栅沟槽(kx11和kx12)，且wx11=130纳米，wx12=54纳米，kx11=306纳米，kx12=710纳米；沿Y轴方向光栅周期为1200纳米(Ty1=1200nm)，每个周期内有两个硅材料的光栅齿(wy11和wy12),以及两个材料为空气的光栅沟槽(ky11和ky12)，且wy11=51纳米，wy12=838纳米，ky11=261纳米，ky12=50纳米；沿Z轴方向光栅厚度为340纳米；②硅有源层下表面微纳二维多齿谐振光栅：沿X轴方向光栅周期为400纳米(Tx...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华明，肖文波，马林飞，徐欢欢，刘宪爽，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36