[发明专利]宽谱宽角吸收太阳电池类蛾眼减反结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及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，属于太阳能电池及应用。

背景技术

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[P.Doshi，et al，Appl.Opt.36，7826(1997)]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[Z.N.Yu，et al，J.Vac.Sci.Technol.B 21，2874(2003)]，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[C.G.Bernhard et al，Acta Physiol.Scand.56，385(1962).]。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4×4cm²的纳米反射表面[Z.Yu，et al，J.Vac.Sci.Technol.B21，2874(2003)]。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[Applied physicsletters 91.23115(2007)]。已有基于Ag掩模的纳米结构报道[S.Pillai，等，Journal of applied physics 101，093105(2007)]，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匀性难以控制。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0项。