[发明专利]一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅薄膜结构技术领域，具体涉及一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法。

背景技术

为了能够最大程度吸收可见光波段的能量，目前大部分的太阳能电池仍然是以180um-300um的硅基作为载体，所以大量硅材料的消耗和其能量吸收效率不高仍然是硅太阳能产业的不足。一种可以减少材料消耗和制造成本的可能的制造方法是利用纳米薄膜硅作为吸收层。但是由于硅的介电常数和带隙宽度等因素，单纯的纳米硅薄膜对靠近带隙波段的能量吸收效率很低。所以如果能提高在长波段的太阳能的吸收效率，就可以得到高效，经济的太阳能吸收层。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，开口型硅薄膜球壳阵列结构实现硅膜吸收效率大幅提高。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种光吸收增强的开口型硅薄膜球壳阵列结构的制备方法，包括以下步骤：

1)在基材表面制备一层金属材料，在金属层表面制备紧密排列的单层二氧化硅纳米的粒子阵列；

2)在粒子阵列上沉积硅薄膜；

3)在硅薄膜表面制备聚合物层；

4)将金属层利用酸溶液溶解使得硅膜结构与基材脱离；

5)以聚合物层为基底，选择性刻蚀二氧化硅纳米粒子表面的硅薄膜并部分暴露出二氧化硅粒子阵列；

6)用氢氟酸去除二氧化硅粒子，形成以聚合物层为基底的开口型硅薄膜球壳阵列结构。

所述的步骤1)中基材为非金属材料，包括玻璃、塑料或者硅片。

所述的步骤1)中金属材料是铝或者铬，厚度为200～500nm。

所述的步骤1)中紧密排列的单层二氧化硅纳米粒子阵列利用单层膜转移法或旋涂法制备。

所述的步骤2)中硅薄膜利用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或磁控溅射方法制备。

所述的步骤3)中聚合物层材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者环氧树脂聚合物。

所述的步骤4)中酸溶液为稀硫酸或者稀盐酸，将金属层溶解。

所述的步骤6)中氢氟酸为体积分数3～7％的稀释溶液。

本发明的有益效果为：

(1)开口型硅薄膜球壳阵列结构可以提高硅薄膜吸收效率：当太阳光入射至开口型硅薄膜球壳阵列结构表面时，由于其上表面开口结构，所以可以使更多的入射能量进入硅薄膜球壳内，这种开口的硅空壳薄膜结构又可以看作一个近似的光学谐振腔，进入球壳内的特定波长的入射光会在球壳内形成稳定的共振模，这种共振模可以理解为回音壁模式(Whispering gallerymode)，由于球壳的直径是亚微米级，所以共振模是低品质因数的回音壁模式，球壳结构的顶端开口对共振模影响不大，所以该回音壁模式共振波长的入射能量在球壳中的有效光传播长度会大幅增加，而且由于球壳的密排阵列结构，相邻的球壳之间也会发生共振耦合，所以使得硅球壳对该共振波长的能量吸收也得到很大的增强，而且结合硅材料的介电常数和带隙宽度，共振增强在长波段更加明显，这也正好解决了大多数光吸收材料在长波段吸收效率低的问题。

(2)本发明制备的二氧化硅粒子并非绝对的单一直径，所以得到的硅球壳的内径也不是均匀统一，这使得入射光在硅球壳内的回音壁共振波长是一个较宽的频率带，而不是特定的单一波长的共振增强，所以更能提高硅球壳对长波段的能量吸收。

附图说明

图1是转移至基材上的二氧化硅粒子密排单层阵列的截面示意图。

图2是在二氧化硅球形粒子密排单层阵列沉积硅膜后截面示意图。

图3是在已沉积硅膜的样片表面做PDMS层的示意图。

图4是二氧化硅粒子和硅层被转移至PDMS表面后示意图。

图5是将二氧化硅粒子的上表面硅层去除部分后的横截面示意图。

图6是去除二氧化硅粒子后的开口型硅薄膜球壳阵列结构示意图。

图7是在二氧化硅粒子密排阵列表面进行等离子增强化学气相沉积硅膜后样片的实物图，其中图(a)是沉积硅膜之前图；图(b)是刻蚀后图。

图8是直径D＝400nm二氧化硅粒子密排阵列表面沉积50nm硅膜并转移至PDMS表面后进行刻蚀后得到的结构以及在有限时域差分软件FDTD solution中仿真该结构计算得到的吸收效率曲线和50nm单纯硅膜的实验吸收效率曲线。