[发明专利]一种调控硅表面太阳能吸收率的方法

说明书

技术领域

本发明属于光伏电池表面减反系统设计技术，通过使用周期性凹形阶梯式亚波长光栅提高硅表面对太阳能的吸收效率，具体为一种调控硅表面太阳能吸收率的方法。

背景技术

随着可再生能源、国防和航天等领域的发展，对热辐射传输的光谱性和方向性提出了更高的要求；即在研究辐射系统光谱辐射特性与传输规律的同时，还需要从微观角度入手，分析影响辐射传输的机理，进而实现热辐射的光谱和方向调控技术。经过多年来的探索研究，人们对于微结构表面的辐射特性已经有了一定程度的认识，并且利用这些研究成果开展了许多重要的应用。如，红外热像仪、太阳能电池中的波长选择性发射与吸收等。

在众多被研究的微结构表面中，一维光栅因其由单一材料构成以及能够使用光刻技术进行大规模生产而被广泛使用。研究结果表明简单光栅的波长选择性吸收具有方向敏感性，调控波段较窄；而组合光栅则具有方向不敏感性，调控波段较广，前期研究的组合光栅由多个不同脊背宽和槽宽的简单光栅组成。进一步研究发现槽深对于光栅的波长选择特性的影响也很大。本发明中所选用的阶梯式光栅即由槽深不相等的简单光栅组合而成，具有大波段调控的作用，适用于太阳能电池中进行增强吸收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调控硅表面太阳能吸收率的方法，该方法可以比较方便的实现光谱辐射特性调控，能够提高硅表面对太阳辐射能量在300-1100nm范围内的总体吸收效率。

本发明提供的一种调控硅表面太阳能吸收率的方法，其特征在于，该方法是硅表面采用周期性凹形阶梯式亚波长光栅结构。

作为上述技术方案的改进，所述凹形阶梯式光栅结构由光栅单元阵列组成，每个光栅单元由至少二个光栅组成，各光栅的凹槽深度逐渐递减或者递增，光栅顶部保持水平。

作为上述技术方案的进一步改进，各光栅单元中，相邻二个光栅的凹槽深度之差基本相等。

作为上述技术方案的更进一步改进，在所述光栅结构中，f/Λ为0.571至0.714，f为光栅结构的脊背的宽度，Λ为光栅的周期长度。

本发明提出了人工制造周期性光栅，可以较为方便地实现光谱辐射特性调控。使用凹形阶梯式光栅，通过调整利用Wood异常和空腔谐振等效应进行调控，使得硅表面对太阳辐射能量的总体吸收效率达到最大。本发明采用周期性凹形阶梯式亚波长光栅，合理利用不同简单光栅的辐射吸收特性，优化表面整体吸收效率。使用凹形阶梯式光栅表面后，起到如下作用：1）增大表面积，使得接收到的光尽可能的多；2）使得光在结构内部形成多重反射、衍射和吸收；3）凹形阶梯式光栅的辐射特性由多个简单光栅的辐射特性相叠加而得到，能够更加有效的利用各简单光栅引起的异常效应进行组合优化。

附图说明

图1是现有的简单光栅结构示意图；

图2是本发明所使用的凹形阶梯式光栅示意图；(a)为由二个简单光栅合成的光栅的结构示意图，(b)为由三个简单光栅合成的光栅的结构示意图；

图3是硅材料水平表面、简单光栅结构及凹形阶梯式光栅结构的光谱吸收率对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为简单光栅结构，图中Λ为光栅的周期长度，f和g分别为光栅结构的脊背和凹槽的宽度，h为凹槽的深度。对于光栅结构，一个周期是由一个脊背f和一个凹槽g合并组成的，所以其周期长度可以表示为Λ=f+g。

图2所示为本发明所采用的凹形阶梯式光栅结构，分别由用两个和三个阶梯组成，图中Λ为光栅的周期长度，f₁、f₂、f₃和g₁、g₂、g₃分别为光栅结构的脊背和凹槽的宽度，h₁、h₂和h₃为凹槽的深度。采用光刻技术将硅材料表面加工成图2所示凹形阶梯式亚波长光栅结构，光栅结构由光栅单元阵列组成，图中所示为一个光栅单元，每个光栅单元由两个或者三个简单光栅组成，且这几个光栅的凹槽深度逐渐递减或者递增，光栅顶部保持水平，形成凹形阶梯式光栅结构；光栅单元周期性出现形成一个阵列。

下面将对采用图2所示凹形阶梯式光栅结构，给出解释。