一種用于硅材料表面的復合結構及其應用
【專利摘要】本發明公開了一種用于硅材料表面的復合結構及其應用，其中該復合結構包括光柵結構和納米線陣列，光柵結構包括多個周期性并列排列的長方體，相鄰的兩個長方體之間的間距保持固定；納米線陣列為多個周期性排列的圓柱體，這些圓柱體均位于光柵結構的長方體的頂面上；位于同一長方體頂面上的相鄰兩個圓柱體的中心軸線之間距離保持固定。本發明通過對復合結構的關鍵形狀參數等進行改進，能夠提高硅太陽能電池的光吸收率，并且降低制備成本，提高復合結構的整體穩定性；此外，通過調節該復合結構內部光柵結構和納米線陣列的排列組成方式，能夠調控硅太陽能電池表面的光吸收率，減小由于光波段不同造成的光吸收率的波動。
【專利說明】
一種用于硅材料表面的復合結構及其應用
技術領域
[0001]本發明屬于太陽能電池減反系統設計技術領域，更具體地，涉及一種用于硅材料表面的復合結構及其應用，該復合結構適用于光伏發電系統，尤其是硅太陽能電池，可以提高太陽能電池對光的吸收率，提高太陽能電池的光電轉換效率。
【背景技術】
[0002]太陽能電池是一種可以將太陽能轉換成電能的裝置，隨著能源危機及環境問題的凸顯，光伏發電技術變得越來越重要。太陽能電池的應用可以追溯到20世紀50年代，國內外許多學者對其進行了研究。經過半個多世紀的發展，太陽能電池的類型已經有很多，且其吸收率及轉換率也有了較大的提高。提高轉換率是太陽能電池的技術關鍵，為了增大轉換率，我們可以提高太陽能電池對光的吸收率。隨著微納米技術的發展及應用，其提高光的吸收率的作用也越來越明顯。
[0003]硅太陽能電池的成本較低，且易于加工，因此，在實際應用中太陽能電池大量采用硅材料。為了提高太陽能電池的吸收率，國內外研究人員已經研究了許多微納米結構，并將其應用于太陽能電池的表面。光柵和納米線是太陽能電池中最常用的兩種表面結構，并且研究人員已對其性質做了大量的研究。
[0004]現在的光柵結構和納米線結構主要存在兩大問題。一、簡單光柵的吸收率較小，且吸收率隨波長的變化具有較大的波動;二、為了保證高吸收率，納米線結構的軸向長度必須很長，一般都是微米級別，這使得成本提高，且結構的穩定性下降。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種用于硅材料表面的復合結構及其應用，其中通過對構成該復合結構的關鍵形狀參數等進行改進，與現有技術相比能夠有效解決硅太陽能電池光吸收率不高的問題，并且該復合結構能夠降低納米線結構的制備成本，提高復合結構的整體穩定性;此外，通過調節該復合結構內部光柵結構和納米線陣列的排列組成方式，能夠調控硅太陽能電池表面的光吸收率，減小由于光波段不同造成的光吸收率的波動。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，該復合結構包括光柵結構和納米線陣列，其中，
[0007]所述光柵結構包括多個周期性并列排列的長方體，這些長方體均為相同形狀，并且均設置在硅材料表面上，每個所述長方體的底面均與該硅材料表面相接觸，相鄰的兩個所述長方體之間的間距保持固定；
[0008]所述納米線陣列為多個周期性排列的圓柱體，這些圓柱體均為相同形狀，并且均位于所述光柵結構的長方體的頂面上，所述圓柱體的軸向方向均垂直于所述長方體的頂面;此外，位于任意一個所述長方體頂面上的所述圓柱體均為多個，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定，并且位于同一所述長方體頂面上的所述圓柱體的中心軸線在該長方體頂面上的投影均位于同一條直線上，該直線平行于該長方體的長度方向，且經過該長方體頂面寬度邊長上的兩個中點。
[0009]作為本發明的進一步優選，任意取兩個所述長方體分別作為第一長方體和第二長方體，所述第一長方體以及在該第一長方體頂面上的所述圓柱體在該第一長方體頂面所在平面上的投影圖形與所述第二長方體、以及在該第二長方體頂面上的所述圓柱體在該第二長方體頂面所在平面上的投影圖形兩者相同。
[0010]作為本發明的進一步優選，所述納米線陣列中相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定。
[0011]作為本發明的進一步優選，任意一個所述長方體的寬度為190nm，高度為IlOnm;相鄰的兩個所述長方體之間的間距均為90nm。
[0012]作為本發明的進一步優選，任意一個所述圓柱體的直徑為120nm，高度為110nm。
[0013]作為本發明的進一步優選，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離均為280nmo
[0014]作為本發明的進一步優選，與所述光柵結構的長方體的底面相接觸的所述硅材料為本征單晶硅或摻雜單晶硅。
[0015]作為本發明的進一步優選，所述復合結構采用本征單晶硅或摻雜單晶硅。
[0016]按照本發明的另一方面，提供了上述用于硅材料表面的復合結構在硅太陽能電池表面作為光吸收面的應用。
[0017 ]作為本發明的進一步優選，所述娃太陽能電池為單晶娃太陽能電池。
[0018]通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由于采用光柵結構與納米線陣列結構復合的復合結構，可以調控太陽能電池表面(尤其是硅太陽能電池表面)的光吸收率，并且該復合結構能夠減小由于光波段不同造成的光吸收率的波動;該復合結構的整體厚度可以保持在較小尺寸，穩定性好。本發明光柵結構為一維光柵結構(構成該一維光柵結構的多個并列排列的長方體中，相鄰的任意兩個長方體之間的間隙均平行于同一直線，并且，在任意一個長方體頂面上均設置有多個納米線結構，即設置有多個圓柱體)，該光柵結構中的長方體均為相同形狀，每個長方體的長度彼此相同，寬度彼此相同，高度彼此相同；納米線陣列結構中的圓柱體也均為相同形狀，每個圓柱體的半徑彼此相同，高度(即納米線的長度)彼此相同。
[0019]本發明的光柵-納米線復合結構，在可見光及近紅外光譜范圍內，能夠綜合單一光柵結構和單一納米線結構的優勢，減少甚至消除單一光柵結構和單一納米線結構的不利點，能夠在可見光及近紅外光譜范圍增強光吸收率，并減少由于光波段不同造成的光吸收率的波動;光柵結構中任意一個長方體的寬度為190nm，高度為11Onm，相鄰的兩個長方體之間的間距均為90nm ；納米線陣列結構中，任意一個圓柱體的直徑為120nm，高度為11 Onm ；通過光柵結構與納米線陣列結構兩者形狀和位置的配合，有效了發揮了光柵結構與納米線結構各自的光吸收優點。在可見光及近紅外光譜范圍內，單一光柵結構和納米線結構具有不同的吸收特性，單一光柵結構的吸收率隨波長的變化幅度較大，尤其是在可見光的短波區，并且光柵結構受偏振波的影響較大。對于納米線結構，單一納米線的長徑比越大，結構穩定性也會越差。本發明中的光柵-納米線復合結構克服了單一光柵結構和納米線結構的缺點，在300?I10nm的光譜范圍內，這種復合結構的吸收率較為穩定，波動幅度較小;復合結構的高度為220nm(相應單一納米線的長度大大減小，在保證光吸收效果的前提下，也大大減小了納米線的制作成本)，結構穩定性也隨之變強。本發明中的復合結構，納米線陣列位于組成光柵結構的長方體的上表面上(長方體的下表面與硅材料表面，如硅太陽能電池的表面接觸，長方體的高度方向均垂直該上表面和下表面)，納米線的中心軸線垂直于光柵結構中長方體的頂面，納米線陣列的設計并不會對光柵結構的光吸收造成負面影響，該復合結構保持了納米線短波段高吸收率與光柵長波段高吸收率的優勢，得到的復合結構在300?11OOnm波段具有較高的吸收率。
[0020]本發明中的硅材料表面的復合結構可用于調控硅太陽能電池表面吸收率，通過調節光柵結構和納米線陣列兩種結構，實現共同調控太陽能電池表面光吸收率的作用。本發明提出的周期性光柵-納米線復合結構，可以較為方便對太陽能電池表面的吸收率進行調控。本發明中的光柵結構可以激發微腔效應，使光柵結構在部分波段的吸收率增強;納米線則可以形成導模共振，使得納米線在部分波段的吸收率增強;這兩種結構組合之后形成光柵-納米線復合結構，該復合結構不但可以形成微腔效應，還可以形成導模共振，復合結構的表面結構更加多元化，表面也顯著增大，因而可以捕獲、吸收更多的光子，大大提高結構的吸收率。使用該復合結構，通過對微腔效應和導模共振等效應進行調控，硅表面對太陽輻射能量的總體吸收率可以達到最大，并且吸收率的波動幅度降到最小。本發明采用的周期性復合結構，合理利用了光柵和納米線兩種結構的輻射吸收特性，優化了太陽能電池表面的整體吸收率。
[0021 ]本發明中的光柵-納米線復合結構，均可采用與硅太陽能電池相似的硅材料，如單晶硅、多晶硅，也可以是N型摻雜硅或P型摻雜硅，該光柵-納米線復合結構與現有的硅太陽能電池配合使用時，可以明顯提高光學吸收率。本發明綜合利用光柵的微腔效應和納米線的導模共振，發揮光柵結構和納米線陣列各自的優勢，最大程度的提高該復合結構的光吸收率。另一方面，本發明中復合結構的結構形狀參數對該復合結構的最優光吸收率具有重要作用，本發明中光柵結構中長方體的寬度為190nm、高度為llOnm，相鄰的兩個長方體之間的間距均為90nm(也就是說該光柵結構的周期可以為280nm);納米線陣列中圓柱體的直徑為120nm、高度為IlOnm(由于納米線陣列均設置在光柵結構長方體頂面的中心線上，納米線陣列的周期可以為280nm或280nm的倍數)。通過采用上述形狀參數，可以使光柵具有較強的微腔效應，并使納米線具有較強的導模共振，使該復合結構整體達到最優的光吸收率。
[0022]總體而言，本發明中用于硅材料表面的復合結構，具有以下有益效果:
[0023](I)復合結構對光子的吸附表面積增大，更多的光子可以被結構捕獲；
[0024](2)復合結構的表面更加復雜，光子在結構內部可以進行更強的多次反射、衍射和吸收；
[0025](3)復合結構是由光柵和納米線兩種結構組成，可以形成多種效應，增強了其對太陽光的吸收性能；
[0026](4)復合結構的高度為220nm，納米線陣列內的單一納米線(即對應一個圓柱體)的軸向長度則更小，因此該結構的穩定性較好。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明光柵-納米線復合結構示意圖；
[0028]圖2A是TM波下的復合結構、光柵和納米線各自的吸收率曲線，圖2B是TE波下的復合結構、光柵和納米線各自的吸收率曲線；
[0029]圖3A是本發明中的復合結構在不同納米線直徑下的TM波吸收率曲線，圖3B是本發明中的復合結構在不同納米線長度下的TM波吸收率曲線；
[0030]圖4A是本發明中的復合結構在不同入射角下的TM波吸收率曲線，圖4B是本發明中的復合結構在不同入射角下的TE波吸收率曲線；
[0031]圖5A是本發明中的復合結構在不同摻雜濃度下的TM波吸收率曲線，圖5B是本發明中的復合結構在不同摻雜濃度下的TE波吸收率曲線。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0033]如圖1所示，本發明中的光柵-納米線復合結構設置在硅基底上，該硅基底在Z方向可視為半無限厚(當該硅基底為單晶硅時，該Z方向可以平行于硅單晶晶胞的c軸方向)，基底上均勻排列著周期性的一維光柵，光柵的每個脊背(即對應長方體結構)上均勻排列著一排納米線，納米線的截面中心與脊背的中心線重合，光柵間隙與納米線間隙的介質均為空氣。光柵在X方向的周期為Λ，脊背寬為W，高度為h。納米線在X和Y方向的周期均為Λ，高度為L，直徑為d。光柵的填充率Sf1=W/Λ。納米線結構的填充率為f2 = Jid2/(4 Λ2)。
[0034]在地面上接收到的太陽光譜范圍為0.3?4μπι，本征硅的禁帶寬度為1.12eV，光子能量大于本征硅的禁帶寬度時光子才可以被吸收。因此，為了簡化起見，我們近似選取300?IlOOnm波段作為太陽能電池的調控波段(波長IlOOnm即對應1.12eV的臨界激發光子能量)。
[0035]下面將對圖1所示的光柵-納米線復合結構，給出解釋。
[0036]簡單光柵可以激發微腔效應，使光柵結構在部分波段的吸收率增強；納米線可以形成導模共振，使得納米線在部分波段的吸收率增強。兩種結構組合之后形成光柵-納米線復合結構，復合結構不但可以形成微腔效應，還可以形成導模共振，復合結構的表面結構更加多元化，表面也顯著增大，因而可以捕獲、吸收更多的光子，大大提高結構的吸收率。
[0037]對于光柵-納米線復合結構來說，結構參數眾多，為了簡化起見，在接下來的所有分析中，我們將幾個參數固定。即，Λ =280nm，W=190nm，h = 110nm。
[0038]為了形象地說明復合結構具有較強的吸收率，我們將光柵結構、納米線結構和復合結構的吸收率進行了比較，如圖2A、圖2B所示。硅平板的吸收率僅作參考。復合結構的結構參數為，d = 120nm，L = llOnm。對于一維光柵結構，周期、脊背寬度和槽深分別為280nm、190nm、llOnm。對于納米線結構，周期、直徑和長度分別是280nm、120nm、llOnm。復合結構的吸收率總體上高于光柵和納米線的吸收率。TM波時，復合結構的總體吸收率明顯大于光柵結構和納米線結構，并且其吸收率在整個波段內波動幅度不大，尤其是波長大于600nm時，其吸收率幾乎不隨波長變化。在300?400nm波段，納米線的吸收率明顯大于光柵的吸收率，即納米線對復合結構的吸收率具有較大的貢獻。在600?IlOOnm波段，光柵的吸收率明顯大于納米線的吸收率，即光柵對復合結構的吸收率具有較大的貢獻。將短波段高吸收率的納米線與長波段高吸收率的光柵組合，得到的復合結構在300?IlOOnm波段具有較高的吸收率。而且在400nm處，光柵、納米線和復合結構均有吸收率峰值。TE波時，復合結構與納米線在整個波段的吸收率具有相同的趨勢，但是復合結構的吸收率略大于納米線的吸收率。在整個波段，光柵對復合結構吸收率的貢獻明顯小于納米線，這是因為一維光柵對TE波比較敏感。因此，復合結構在TE波下的吸收率主要源于納米線對光子的吸收。
[0039]為了比較復合結構納米線部分的結構參數對吸收率的影響，我們計算了不同直徑d和長度L下復合結構的TM波吸收率，如圖3A和圖3B所示；圖3A和圖3B很好的說明了我們所選取的復合結構的結構參數具有較高的吸收率，是最優的結構參數。圖3A表示了納米線直徑對復合結構吸收率的影響，其中直徑L= 110醒，長度(1分別為6011111、8011111、120nm和160nmo在300?400nm和660?I 10nm波段，復合結構的吸收率隨著直徑的增大而增大，導模共振的增強及納米線由于側面積的增大而吸收了更多的光子這兩種因素共同提高了吸收率。隨著直徑的增大，400nm處的峰值明顯朝短波方向移動，這是因為納米線控制了這一波長附近的吸收率，且導模共振的激發條件改變了。470nm處的吸收率峰值增加的幅度較小，且峰值朝長波段方向輕微移動，雖然光柵在此處激發了較強的的微腔效應，但是微腔效應幾乎不隨納米線直徑的變化而變化。在600?I 10nm波段，復合結構的吸收率隨直徑的增大而增大，但是曲線的趨勢保持不變，這是因為納米線在這一波段提高了吸收率，但是光柵對吸收率的貢獻較大。隨著直徑的增大，復合結構的吸收率分別是0.936,0.943,0.955，和0.951。在d=120nm時，復合結構在整個波段的平均吸收率達到0.955，這源于導模共振，導模共振取決于波導層的結構參數，直徑的增大會強化導模共振。圖3B表示了納米線長度對復合結構吸收率的影響，其中，直徑d = 120nm，長度L分別為40nm、7Onm、11Onm和140nm。在大多數波長處，由于側面積的增大，復合結構的吸收率隨長度的增大而增大。4 O O nm波長處的峰值也隨納米線長度的增大而增大，并且沒有明顯的峰值位移。波導層變厚，增強了導模共振，但是導模層的厚度對導模共振的激發條件影響不大。470nm處的峰值保持不變，因為變化的納米線長度對光柵的微腔效應影響很小，盡管微腔效應控制著這一波長處的吸收率強化。在800?IlOOnm波段，不同長度L下的復合結構吸收率的趨勢是相似的，這是因為光柵控制著這一波段的吸收率，且納米線層增厚會提高光子的吸收率。隨著納米線長度的增加，復合結構的吸收率分別為0.931，0.953，0.955，0.940。納米線長度L= I 1nm時，由于光柵和納米線在整個波段的共同作用，復合結構的吸收率最高。對于TE波，復合結構的吸收率隨著納米線的直徑和長度的增大而增大，但是TE波的吸收率比TM要小。
[0040]圖4A和圖4B分別是復合結構在TM波和TE波下不同入射角時的光譜吸收率圖，其中，直徑d= 120nm，長度L= 110nm。在TM波下斜入射時，復合結構的吸收率在短波段較小，在長波段較大。400nm處的峰值減小但是位置不變。470nm處的峰值減小，并且峰值隨著入射角的增大而移向長波段。這是由減弱的微腔效應和納米線的影響造成的。斜入射時在670nm處，光與光柵的耦合效應變強。結果表明，TM波下的入射角對復合結構吸收率的影響較大。在TE波下斜入射時，大多數波段的復合結構吸收率隨著入射角的增大而減小。在400?I 10nm波段，入射角小于15°時，入射角對吸收率的影響很小。入射角小于30°時，入射角對580nm處的吸收率峰值的影響較小。因此，TE波下吸收率對入射角不敏感。隨著入射角的減小，吸收率峰值減小且略微向長波段移動，這是因為納米線控制著TE波下的吸收率強化，并且納米線對入射角不敏感。
[0041]硅材料中具有雜質時，材料的物理性質會發生變化，例如，與本征硅相比，摻雜有η型雜質的摻雜硅的禁帶會變小。因此，為了提高具有復合結構表面的太陽能電池的轉換率，我們計算復合結構在不同摻雜硅濃度下的光譜吸收率，如圖5Α和圖5Β所示，其中，摻雜濃度分別為6.5 X 11W，6.0 X 118Cnf3，和1.5 X 102Qcm—3，摻雜元素均為磷元素。摻雜硅濃度對復合結構的吸收率幾乎沒有影響，這是因為在300?IlOOnm波段，摻雜濃度對摻雜硅的電介質函數幾乎沒有影響。
[0042]綜上所述，本發明由一維娃光柵和娃納米線組合而成光柵-納米線復合結構的福射特性可以適應太陽能電池吸收表面的要求，尤其是小入射角時，其轉換率較高；另外，該復合結構還在TM波吸收方面具有較高的吸收率。本發明采用光柵和納米線兩種結構的共同作用對復合結構的光吸收率進行調控;使用該復合結構，通過對微腔效應和導模共振等效應進行調控，可以使硅表面對太陽光輻射能量的總體吸收率達到最大，并且將不同波段的光的吸收率的波動幅度降到最小。本發明采用的周期性復合結構，合理利用了光柵和納米線兩種結構的輻射吸收特性，可以優化太陽能電池表面的整體吸收率。
[0043]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，該復合結構包括光柵結構和納米線陣列，其中， 所述光柵結構包括多個周期性并列排列的長方體，這些長方體均為相同形狀，并且均設置在硅材料表面上，每個所述長方體的底面均與該硅材料表面相接觸，相鄰的兩個所述長方體之間的間距保持固定； 所述納米線陣列為多個周期性排列的圓柱體，這些圓柱體均為相同形狀，并且均位于所述光柵結構的長方體的頂面上，所述圓柱體的軸向方向均垂直于所述長方體的頂面;此夕卜，位于任意一個所述長方體頂面上的所述圓柱體均為多個，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定，并且位于同一所述長方體頂面上的所述圓柱體的中心軸線在該長方體頂面上的投影均位于同一條直線上，該直線平行于該長方體的長度方向，且經過該長方體頂面寬度邊長上的兩個中點。2.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，任意取兩個所述長方體分別作為第一長方體和第二長方體，所述第一長方體以及在該第一長方體頂面上的所述圓柱體在該第一長方體頂面所在平面上的投影圖形與所述第二長方體、以及在該第二長方體頂面上的所述圓柱體在該第二長方體頂面所在平面上的投影圖形兩者相同。3.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，所述納米線陣列中相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定。4.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，任意一個所述長方體的寬度為190nm，高度為IlOnm;優選的，相鄰的兩個所述長方體之間的間距均為90nmo5.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，任意一個所述圓柱體的直徑為120nm，高度為I 1nm06.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離均為280nm。7.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，與所述光柵結構的長方體的底面相接觸的所述硅材料為本征單晶硅或摻雜單晶硅。8.如權利要求1所述用于硅材料表面的復合結構，其特征在于，所述復合結構采用本征單晶硅或摻雜單晶硅。9.如權利要求1一 8任意一項所述用于硅材料表面的復合結構在硅太陽能電池表面作為光吸收面的應用。10.如權利要求9所述用于硅材料表面的復合結構在硅太陽能電池表面作為光吸收面的應用，其特征在于，所述硅太陽能電池為單晶硅太陽能電池。
【文檔編號】H01L31/028GK105977316SQ201610301844
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】程強, 賈志浩, 宋金霖, 劉楊, 司夢婷
【申請人】華中科技大學