本发明专利技术涉及一种基于单晶硅衬底的宽谱宽角吸收太阳电池类蛾眼减反结构及其制作方法，其特征在于借助仿生学原理，采用类蛾眼微纳结构作为减反层，增加光能捕获；微纳结构是采用拉膜（ＬＭ）法形成密集单层硅或硅化物颗粒网络，作为掩模形成的；采用干法刻蚀工艺，刻蚀单晶Ｓｉ，形成微纳结构，避免了湿法腐蚀腐蚀深度受限的不足；调节掩模颗粒大小和密度，来调节类蛾眼微纳结构的光学折射系数梯度，实现０－６０度宽入射光的宽角度吸收；采用调节微纳结构的尺寸（２０－８００纳米）、深度和周期性的方法，实现红外、可见、紫外（２５０纳米－２．５微米）的宽谱段光能吸收，从而提高电池效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于太阳能电池及应用。
技术介绍
太阳能以其清洁、可持续引起世界各国政府、企业和研究机构的广泛关注。在过去 的十年中，光伏产业保持强劲增长，平均增长率达40%。预期未来十年这一增长率仍将保 持在25-40%。这无疑对减少全世界对化石燃料的依赖，减少与火力发电相关的CO2的排放 大有裨益。目前，基于晶体硅的太阳电池主宰着光伏市场，其市场占有率超过90%。然而 国内主流市场的单晶硅基电池效率普遍偏低，仅为15%。若按照20年使用寿命计算，并网 发电成本为2-3元/度，显然尚不能与常规火力发电价格(0. 6元/度)竞争，不能满足平 价发电需求。因此，探索电池的高效率、低成本途径对太阳电池的普及应用具有显著的经济 和社会价值。在晶硅表面增加减反膜是增强光能捕获，提高效率的有效手段之一。目前最 为常用的电池多采用工艺简单的1/4波长SiN减反薄膜法获得对可见光波段的部分光能吸收，但该工艺只能在某个点频处获得较低反 射，在其它波段反射率高达10-20%，导致光能大量反射，从而浪费大量光能；另一种方法， 采用“自上而下”的湿法腐蚀硅表面微纳制绒工艺，尽管可以获得周期微纳结构，但由于受 到硅各项异性腐蚀特性的限制，腐蚀深度较浅，总的平均反射也在10%以上，且采用光刻工 艺，工艺复杂，工艺成本偏高。迫 切需要一种新型高效、低成本光捕获方式，实现对宽入射角度范围光能的宽谱段有效捕获。蛾眼结构是根据自然界长期演化形成的完美结构，其表面具有周期或准周期排列 微纳米结构的突体(如图1)，可以帮助夜蛾夜间不被敌人发现。该蛾眼的微纳阵列结构 是由 C. G. Bernhard 与 W. H. Miller 等人于 1962 年首次发现。借助这一仿生学原理，人们对蛾眼微纳结构开展了广泛 的研究。2003年美国普林斯顿大学S. Y. Chou团队基于硅衬底，利用纳米压印刻蚀制程，制 作出面积 4X4cm2 的纳米反射表面。 美国佛罗里达大学Chih-huang Sun等人，研发出基于旋涂技术的湿法腐蚀技术，借助电子 束蒸发Cr掩膜技术，形成350纳米尺度倒金字塔结构，获得了 10-15%发射率。工艺相当复 杂，而且昂贵，不适合规模生产。已有基于Ag 掩模的纳米结构报道， 但Ag颗粒大小、周期性难以控制。这方面的研究多基于工艺昂贵的光刻、纳米压印等技术手段，与实际太阳电池规 模生产工艺较难接轨，而且多集中于对蛾眼的光学研究及在平板显示、防水玻璃和促进生 物细胞增值方面的应用研究，对基于晶硅太阳电池光捕获增强的蛾眼微纳减反结构及其形 成方法方面的研究，相关专利报道较少，已有的报道主要是采用湿法腐蚀形成结构的，结构 呈现金字塔型，反射率较高(10-15% )，旋涂工艺制作掩模的网孔大面积均勻性难以控制。未见采用拉膜法成膜形成硅及硅化物颗粒(如SiO2, SiN, FeSi2, TiSi2, CoSi2，硅)掩模来 制备大面积周期可控减反薄膜结构的报道。国外专利检索方面，查阅到美国专利method of fabrication of diamondmoth-eye surface (US005334342A)，主要是采用微光刻技术，生长蛾眼结构金刚石 薄膜，技术比较昂贵。查阅到台湾Yu-Lun HO等人的国际专利，Optical filter with moth-eyegrating structure (US20090080075A1)。采用蛾眼光栅结构，制作了光过滤器，用以选择性透过特定 波长的光。在国家知识产权网(中外专利数据库)上，搜索“蛾眼、太阳、电池”关键词，发现专利O项。查阅“宽谱”关键词，发现2项相关专利，2002年，耿新华等，宽谱域低温叠层薄膜 太阳电池(CN1420570A)主要是采取调节三叠层电池带隙，互补吸收不同波长光能获得光 谱吸收效果。另一项为中国科学院物理研究所的“一种含有多量子阱结构的InGaN系宽谱 太阳能电池”(公开号CN1929153，处于实质审查阶段)，采用量子阱结构获得宽谱效果。查阅关键词“减反and纳米”搜索到3项专利“用层层自组装法制备全纳米颗粒 可见光区减反射膜的方法”(公开号CN101638297)主要是利用针对纳米结构获得可见光范 围减反效果；“低折射率纳米材料减反射膜”(CN200810200774. 3)，主要特征是减反射膜中 至少有一层采用折射率在1. 1 1.4之间，达到多层膜减反效果；“硅太阳能电池减反射薄 膜”(200710019794. 6)，主要是采用多层薄膜技术获得减反效果。由于不同尺度微纳材料对应不同的光子共振吸收波长，而只有与纳米结构尺度对 应波长的光子能量才能被吸收，因此，增加调节微纳结构尺度、形状将对太阳能广谱吸收提 供帮助。具体而言，本专利技术拟利用仿生学原理，借鉴夜蛾复眼表面微纳尺度突体对光线的低 反射特性，制备结构参数可调的硅或硅化物(如Si02，SiN, FeSi2, TiSi2, CoSi2，硅)低成本 网状掩模结构，通过刻蚀，形成类蛾眼微纳结构，实现宽谱、宽角度的光学低反射，将有利于 光子在宽谱、宽角范围内的吸收，从而大大提高光电转换效率，降低薄膜太阳能电池的制造 成本。本专利技术正是基于这样的想法而产生的。本专利技术选用不同尺度(20-800纳米)硅或硅 化物(如Si02，SiN, FeSi2, TiSi2, CoSi2，硅)颗粒，对颗粒表面进行表面疏水处理，借助拉 膜法，在疏水晶硅表面形成网状硅或硅化物(如SiO2, SiN, FeSi2, TiSi2, CoSi2，硅)掩模， 通过CF4深反应离子刻蚀，形成类蛾眼微纳结构，作为电池减反层，降低宽谱宽角范围内表 面反射率，从而提高基于此减反结构太阳电池的光电转换效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种宽谱宽角吸收太阳电池类蛾眼减反结构及其制作方 法，具体而言，就是借助仿生学原理，借鉴夜蛾复眼表面结构，经过对不同粒径硅或硅化物 (如Si02，SiN，FeSi2, TiSi2, CoSi2，硅)颗粒和晶硅表面进行疏水处理后，采用拉膜(LM)法， 在硅表面形成微纳网状掩模，通过深反应离子刻蚀，在硅表面形成微纳蛾眼结构，通过调节 微纳结构的尺寸、形状和深度参数，实现对红外、可见和紫外光的宽谱低反射，通过调节蛾 眼结构的周期性达到宽角度范围内的低反射，从而达到提高电池光捕获能力的结构和制作 方法。本专利技术采用类蛾眼结构作为减反结构，其特征在于其以晶体硅为衬底，采用调节 掩模颗粒大小和密度，来调节类蛾眼微纳结构的光学折射系数梯度，实现0-60度宽入射光 的宽角度吸收。 本专利技术采用类蛾眼结构晶硅作为减反结构，其特征在于采用调节微纳结构的尺 寸、深度和周期性的方法，实现红外、可见、紫外(250纳米-2. 5微米)的宽谱段光能吸收， 从而提高电池效率。本专利技术采用干法刻蚀工艺，其特征在于刻蚀气体包括CF4、SF6、BC14等。本专利技术采用类蛾眼结构晶硅作为减反结构，其特征在于其由周期性或准周期性高 度可调(20纳米-10微米)，直径可调(20-800纳米)的硅圆柱体紧密排列而成。本专利技术采用类蛾眼结构晶硅作为减反结构，其特征在于周期性可控性好。本专利技术采用类蛾眼结构晶硅作为减反结构，其特征在于其晶体硅衬底经本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种宽谱宽角吸收太阳电池类蛾眼减反结构，其特征在于：①借鉴夜蛾复眼表面结构，以晶体硅为衬底采用类蛾眼微纳结构作为减反层；②所述的微纳结构是采用拉膜法形成密集单层纳米硅或硅化物固体颗粒网络，充当掩膜采用干法刻蚀工艺，刻蚀晶体硅形成的；③所述的微纳结构是由周期性或准周期性高度在２０纳米－１０微米范围可调，直径在２０纳米－１０微米可调的硅圆柱体紧密排列而成的。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周健，孙晓玮，谈惠祖，周舟，周建华，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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