[发明专利]一种用于太阳能电池的全介质超表面陷光结构及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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170-180um，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。

发明内容

针对以上技术背景，本发明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。

本发明采用如下技术方案：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。

本发明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，本发明具有以下优良性质。

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发明进行进一步描述。