一种用于太阳能电池的超表面陷光结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种能提升薄膜硅太阳能电池效率的周期性的超表面陷光结构及其制备方法。所述的结构整体由周期性的单元陷光结构组成，每个单元包含中心处的非对称十字梯形和每个角处的纳米方块构成。本发明专利技术所提出的超表面陷光结构是基于光波导理论与米氏共振理论，具有角谱范围大和光谱吸收高的优点，有利于提高薄膜硅电池的光吸收效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于太阳能电池的超表面陷光结构及其制备方法
本专利技术涉及新型清洁能源及微纳光子领域，具体涉及了一种太阳能电池的周期性全介质超表面陷光结构及其制备方法。
技术介绍
目前，硅依然是光伏产品的首选材料，拥有90％的市场份额。商业硅太阳能电池的厚度通常为170-180μm，而晶元生产时要经过多步工艺来纯化和结晶，单独的硅晶片占模块成本的30-40％。显然降低材料的成本能够有效的降低组件的价格，从而开辟太阳能电池的巨大新市场，至此，为了进一步降低成本，电池发展到第二代，即薄膜硅太阳能电池。薄膜硅太阳能电池由于降低了材料厚度导致材料吸收大幅降低，光损失较大，电池转换效率低。而陷光结构则能够通过增加入射光的光程有效的减小光损失。陷光结构就是在太阳能电池的表面做一些特殊的结构，增加太阳光的吸收率，使得薄膜硅太阳能电池在减少硅材料的同时仍然能够实现高效率。
技术实现思路
针对以上技术背景，本专利技术设计了一种基于耦合米氏共振的超表面陷光结构，该结构可以增强光吸收，并且可以大面积的制备到薄膜硅太阳能电池上。该结构的中心是非对称十字梯形，该非对称十字形谐振器用来激发可见光和近红外光谱上的Mie共振。而分布在四个角落的纳米方块不仅增加了Mie共振，而且还改善了前向散射即减少了反射。根据光波导理论，在对称情况下耦合入射光产生的波导模式数为非对称情形的一半，所以，这种非对称的超表面陷光结构能耦合入更多的波导模式。由于超表面结构的周期、厚度、梯形的长度和纳米块的边长等都可以改变，有极大的优化空间，能够更大限度的降低光损失。本专利技术采用如下技术方案：一种用于薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，其表面具有周期性的非对称超表面结构。本专利技术还提出一种基于耦合米氏共振和光波导理论的超表面陷光结构的制备方法，其特征在于该超表面陷光结构的制备方法具有以下工序：使用电子束曝光结合干法刻蚀方法在硅上制造周期性超表面结构的工序。其中，在Si衬底上形成掩膜的步骤包括：将光刻胶旋涂在Si衬底上，然后，利用电子束光刻在抗蚀剂层上形成周期性阵列结构，将刻蚀后的抗蚀剂涂层作为掩膜。所述刻蚀的方法包括但不限于反应离子束刻蚀，去除残留的掩膜版的方法为在丙酮中进行超声清洗。该结构置于电池的迎光面，用于减小表面光的反射率，并且增加光在太阳能电池内部的光程，从而增加电池的短路电流密度。与现有技术相比，本专利技术具有以下优良性质。一、该结构由周期性的非对称的十字梯形和纳米方块组成，在激发了近红外和可见光波段的米氏共振的同时改善了前向散射，即同时具备陷光和减反双重作用。二、该超表面结构的周期、厚度、梯形的长度和立方块的边长等都可以改变，有极大的优化空间。附图说明图1为所提出的的超表面的单元结构的图片。图2为结构的吸收率曲线。图3为结构的角度谱曲线。具体实施方式下面结合附图及具体实施对本专利技术进行进一步描述。本专利技术所提出的耦合米氏共振的超表面的陷光结构如图1所示，图1为单元结构的俯视图。在Si衬底上刻蚀出如图1所示的结构，再利用PECVD在该结构表面沉积一层钝化膜。这种结构包括中心处的非对称十字梯形和每个角纳米块。由于结构参数众多，需要更加细致的优化。在优化过程中，硅基底的厚度为2μm，偏振光从结构面正入射。经优化后的最佳结构参数为：结构的周期P为580nm，高度为335nm，立方块的边长T为80nm，梯形长度L为375nm，优化对应的参数如图1中标注。在优化过程中可以得出结论：在角上加上四个纳米块之后电池吸收率的增强效果非常明显。如图2为最佳周期下，三种结构吸收率的曲线。从结果中可以看出在400nm-760nm整个可见光波段内，平板的平均吸收为0.676，金字塔的平均吸收为0.929，而超表面的平均吸收率为0.951，超表面显示出了最优的吸收性能。如图3为金字塔和超表面陷光结构的平均增强因子的曲线。平均增强因子指的是在硅材料吸收波段，集成了陷光结构的太阳能电池的吸收率比上平板太阳能电池的吸收率所得到的比值。可以看出当入射角增加至60°时，超表面结构的平均增强因子仍然高达2.43，相比于金字塔提高了18％，这表明了超表面结构优异的角度特性，在宽角度入射时同样具有优良的吸收性能。本专利技术制备超表面陷光结构的步骤为。步骤一，首先利用旋涂覆盖法在基底上均匀的涂覆一层抗蚀剂涂层。步骤二，在抗蚀剂层上进行电子束曝光之后，使抗蚀剂显影而制作出带有周期超表面阵列结构的掩模。步骤三，利用化学或物理刻蚀的方法将抗蚀剂上的图案传递到硅衬底上，包括但不限于反应离子刻蚀，湿法刻蚀等。步骤四，洗去残余的抗蚀剂，通过真空溅射成膜等方法在超表面等陷光结构的表面覆盖一层钝化膜。本专利技术提出的基于薄膜硅太阳能电池的超表面陷光结构，保留有传统陷光结构的折射率周期渐变带来的陷光能力，同时超表面中心的非对称十字形谐振器能够激发可见光和近红外光谱上的Mie共振，并且根据光波导理论非对称模式下能够产生更多的波导模式共振，将光更有效耦合到吸收体内部。这使得超表面结构在提升太阳能电池的短路电流密度方面更加有优势。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升薄膜硅电池效率的周期性全介质超表面抗反射结构体，其特征在于，该结构具有：/n结构体每个周期的中心为非对称的十字梯形；每个周期的四个角分布有对称的纳米方块。/n

【技术特征摘要】
1.一种提升薄膜硅电池效率的周期性全介质超表面抗反射结构体，其特征在于，该结构具有：
结构体每个周期的中心为非对称的十字梯形；每个周期的四个角分布有对称的纳米方块。


2.如权利要求1所述的一种提升薄膜硅电池效率的周期性全介质超表面结构，其特征在于：所述非对称的十字梯形的长度高度均可改变，变化范围在100～500nm。


3.如权利要求1所述的一种提升薄膜硅电池效率的周期性全介质超表面结构，其特征在于：所述对称的纳米方块的边长可以改变，变化范围为40-150nm。


4.如权利要求1所述的的全介质超表面陷...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小伟，罗国凌，杨沛霖，王珂，张娟，李绍荣，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51