一种用于硅材料表面的复合结构及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种用于硅材料表面的复合结构及其应用，其中该复合结构包括光栅结构和纳米线阵列，光栅结构包括多个周期性并列排列的长方体，相邻的两个长方体之间的间距保持固定；纳米线阵列为多个周期性排列的圆柱体，这些圆柱体均位于光栅结构的长方体的顶面上；位于同一长方体顶面上的相邻两个圆柱体的中心轴线之间距离保持固定。本发明通过对复合结构的关键形状参数等进行改进，能够提高硅太阳能电池的光吸收率，并且降低制备成本，提高复合结构的整体稳定性；此外，通过调节该复合结构内部光栅结构和纳米线阵列的排列组成方式，能够调控硅太阳能电池表面的光吸收率，减小由于光波段不同造成的光吸收率的波动。
【专利说明】
一种用于硅材料表面的复合结构及其应用
技术领域
[0001]本发明属于太阳能电池减反系统设计技术领域，更具体地，涉及一种用于硅材料表面的复合结构及其应用，该复合结构适用于光伏发电系统，尤其是硅太阳能电池，可以提高太阳能电池对光的吸收率，提高太阳能电池的光电转换效率。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是一种可以将太阳能转换成电能的装置，随着能源危机及环境问题的凸显，光伏发电技术变得越来越重要。太阳能电池的应用可以追溯到20世纪50年代，国内外许多学者对其进行了研究。经过半个多世纪的发展，太阳能电池的类型已经有很多，且其吸收率及转换率也有了较大的提高。提高转换率是太阳能电池的技术关键，为了增大转换率，我们可以提高太阳能电池对光的吸收率。随着微纳米技术的发展及应用，其提高光的吸收率的作用也越来越明显。
[0003]硅太阳能电池的成本较低，且易于加工，因此，在实际应用中太阳能电池大量采用硅材料。为了提高太阳能电池的吸收率，国内外研究人员已经研究了许多微纳米结构，并将其应用于太阳能电池的表面。光栅和纳米线是太阳能电池中最常用的两种表面结构，并且研究人员已对其性质做了大量的研究。
[0004]现在的光栅结构和纳米线结构主要存在两大问题。一、简单光栅的吸收率较小，且吸收率随波长的变化具有较大的波动;二、为了保证高吸收率，纳米线结构的轴向长度必须很长，一般都是微米级别，这使得成本提高，且结构的稳定性下降。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于硅材料表面的复合结构及其应用，其中通过对构成该复合结构的关键形状参数等进行改进，与现有技术相比能够有效解决硅太阳能电池光吸收率不高的问题，并且该复合结构能够降低纳米线结构的制备成本，提高复合结构的整体稳定性;此外，通过调节该复合结构内部光栅结构和纳米线阵列的排列组成方式，能够调控硅太阳能电池表面的光吸收率，减小由于光波段不同造成的光吸收率的波动。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，该复合结构包括光栅结构和纳米线阵列，其中，
[0007]所述光栅结构包括多个周期性并列排列的长方体，这些长方体均为相同形状，并且均设置在硅材料表面上，每个所述长方体的底面均与该硅材料表面相接触，相邻的两个所述长方体之间的间距保持固定；
[0008]所述纳米线阵列为多个周期性排列的圆柱体，这些圆柱体均为相同形状，并且均位于所述光栅结构的长方体的顶面上，所述圆柱体的轴向方向均垂直于所述长方体的顶面;此外，位于任意一个所述长方体顶面上的所述圆柱体均为多个，位于同一所述长方体顶面上的相邻两个所述圆柱体的中心轴线之间距离保持固定，并且位于同一所述长方体顶面上的所述圆柱体的中心轴线在该长方体顶面上的投影均位于同一条直线上，该直线平行于该长方体的长度方向，且经过该长方体顶面宽度边长上的两个中点。
[0009]作为本发明的进一步优选，任意取两个所述长方体分别作为第一长方体和第二长方体，所述第一长方体以及在该第一长方体顶面上的所述圆柱体在该第一长方体顶面所在平面上的投影图形与所述第二长方体、以及在该第二长方体顶面上的所述圆柱体在该第二长方体顶面所在平面上的投影图形两者相同。
[0010]作为本发明的进一步优选，所述纳米线阵列中相邻两个所述圆柱体的中心轴线之间距离保持固定。
[0011]作为本发明的进一步优选，任意一个所述长方体的宽度为190nm，高度为IlOnm;相邻的两个所述长方体之间的间距均为90nm。
[0012]作为本发明的进一步优选，任意一个所述圆柱体的直径为120nm，高度为110nm。
[0013]作为本发明的进一步优选，位于同一所述长方体顶面上的相邻两个所述圆柱体的中心轴线之间距离均为280nmo
[0014]作为本发明的进一步优选，与所述光栅结构的长方体的底面相接触的所述硅材料为本征单晶硅或掺杂单晶硅。
[0015]作为本发明的进一步优选，所述复合结构采用本征单晶硅或掺杂单晶硅。
[0016]按照本发明的另一方面，提供了上述用于硅材料表面的复合结构在硅太阳能电池表面作为光吸收面的应用。
[0017 ]作为本发明的进一步优选，所述娃太阳能电池为单晶娃太阳能电池。
[0018]通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用光栅结构与纳米线阵列结构复合的复合结构，可以调控太阳能电池表面(尤其是硅太阳能电池表面)的光吸收率，并且该复合结构能够减小由于光波段不同造成的光吸收率的波动;该复合结构的整体厚度可以保持在较小尺寸，稳定性好。本发明光栅结构为一维光栅结构(构成该一维光栅结构的多个并列排列的长方体中，相邻的任意两个长方体之间的间隙均平行于同一直线，并且，在任意一个长方体顶面上均设置有多个纳米线结构，即设置有多个圆柱体)，该光栅结构中的长方体均为相同形状，每个长方体的长度彼此相同，宽度彼此相同，高度彼此相同；纳米线阵列结构中的圆柱体也均为相同形状，每个圆柱体的半径彼此相同，高度(即纳米线的长度)彼此相同。
[0019]本发明的光栅-纳米线复合结构，在可见光及近红外光谱范围内，能够综合单一光栅结构和单一纳米线结构的优势，减少甚至消除单一光栅结构和单一纳米线结构的不利点，能够在可见光及近红外光谱范围增强光吸收率，并减少由于光波段不同造成的光吸收率的波动;光栅结构中任意一个长方体的宽度为190nm，高度为11Onm，相邻的两个长方体之间的间距均为90nm ；纳米线阵列结构中，任意一个圆柱体的直径为120nm，高度为11 Onm ；通过光栅结构与纳米线阵列结构两者形状和位置的配合，有效了发挥了光栅结构与纳米线结构各自的光吸收优点。在可见光及近红外光谱范围内，单一光栅结构和纳米线结构具有不同的吸收特性，单一光栅结构的吸收率随波长的变化幅度较大，尤其是在可见光的短波区，并且光栅结构受偏振波的影响较大。对于纳米线结构，单一纳米线的长径比越大，结构稳定性也会越差。本发明中的光栅-纳米线复合结构克服了单一光栅结构和纳米线结构的缺点，在300?I10nm的光谱范围内，这种复合结构的吸收率较为稳定，波动幅度较小;复合结构的高度为220nm(相应单一纳米线的长度大大减小，在保证光吸收效果的前提下，也大大减小了纳米线的制作成本)，结构稳定性也随之变强。本发明中的复合结构，纳米线阵列位于组成光栅结构的长方体的上表面上(长方体的下表面与硅材料表面，如硅太阳能电池的表面接触，长方体的高度方向均垂直该上表面和下表面)，纳米线的中心轴线垂直于光栅结构中长方体的顶面，纳米线阵列的设计并不会对光栅结构的光吸收造成负面影响，该复合结构保持了纳米线短波段高吸收率与光栅长波段高吸收率的优势，得到的复合结构在300?11OOnm波段具有较高的吸收率。
[0020]本发明中的硅材料表面的复合结构可用于调控硅太阳能电池表面吸收率，通过调节光栅结构和纳米线阵列两种结构，实现共同调控太阳能电池表面光吸收率的作用。本发明提出的周期性光栅-纳米线复合结构，可以较为方便对太阳能电池表面的吸收率进行调控。本发明中的光栅结构可以激发微腔效应，使光栅结构在部分波段的吸收率增强;纳米线则可以形成导模共振，使得纳米线在部分波段的吸收率增强;这两种结构组合之后形成光栅-纳米线复合结构，该复合结构不但可以形成微腔效应，还可以形成导模共振，复合结构的表面结构更加多元化，表面也显著增大，因而可以捕获、吸收更多的光子，大大提高结构的吸收率。使用该复合结构，通过对微腔效应和导模共振等效应进行调控，硅表面对太阳辐射能量的总体吸收率可以达到最大，并且吸收率的波动幅度降到最小。本发明采用的周期性复合结构，合理利用了光栅和纳米线两种结构的辐射吸收特性，优化了太阳能电池表面的整体吸收率。
[0021 ]本发明中的光栅-纳米线复合结构，均可采用与硅太阳能电池相似的硅材料，如单晶硅、多晶硅，也可以是N型掺杂硅或P型掺杂硅，该光栅-纳米线复合结构与现有的硅太阳能电池配合使用时，可以明显提高光学吸收率。本发明综合利用光栅的微腔效应和纳米线的导模共振，发挥光栅结构和纳米线阵列各自的优势，最大程度的提高该复合结构的光吸收率。另一方面，本发明中复合结构的结构形状参数对该复合结构的最优光吸收率具有重要作用，本发明中光栅结构中长方体的宽度为190nm、高度为llOnm，相邻的两个长方体之间的间距均为90nm(也就是说该光栅结构的周期可以为280nm);纳米线阵列中圆柱体的直径为120nm、高度为IlOnm(由于纳米线阵列均设置在光栅结构长方体顶面的中心线上，纳米线阵列的周期可以为280nm或280nm的倍数)。通过采用上述形状参数，可以使光栅具有较强的微腔效应，并使纳米线具有较强的导模共振，使该复合结构整体达到最优的光吸收率。
[0022]总体而言，本发明中用于硅材料表面的复合结构，具有以下有益效果:
[0023](I)复合结构对光子的吸附表面积增大，更多的光子可以被结构捕获；
[0024](2)复合结构的表面更加复杂，光子在结构内部可以进行更强的多次反射、衍射和吸收；
[0025](3)复合结构是由光栅和纳米线两种结构组成，可以形成多种效应，增强了其对太阳光的吸收性能；
[0026](4)复合结构的高度为220nm，纳米线阵列内的单一纳米线(即对应一个圆柱体)的轴向长度则更小，因此该结构的稳定性较好。
【附图说明】
[0027]图1是本发明光栅-纳米线复合结构示意图；
[0028]图2A是TM波下的复合结构、光栅和纳米线各自的吸收率曲线，图2B是TE波下的复合结构、光栅和纳米线各自的吸收率曲线；
[0029]图3A是本发明中的复合结构在不同纳米线直径下的TM波吸收率曲线，图3B是本发明中的复合结构在不同纳米线长度下的TM波吸收率曲线；
[0030]图4A是本发明中的复合结构在不同入射角下的TM波吸收率曲线，图4B是本发明中的复合结构在不同入射角下的TE波吸收率曲线；
[0031]图5A是本发明中的复合结构在不同掺杂浓度下的TM波吸收率曲线，图5B是本发明中的复合结构在不同掺杂浓度下的TE波吸收率曲线。
【具体实施方式】
[0032]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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]如图1所示，本发明中的光栅-纳米线复合结构设置在硅基底上，该硅基底在Z方向可视为半无限厚(当该硅基底为单晶硅时，该Z方向可以平行于硅单晶晶胞的c轴方向)，基底上均匀排列着周期性的一维光栅，光栅的每个脊背(即对应长方体结构)上均匀排列着一排纳米线，纳米线的截面中心与脊背的中心线重合，光栅间隙与纳米线间隙的介质均为空气。光栅在X方向的周期为Λ，脊背宽为W，高度为h。纳米线在X和Y方向的周期均为Λ，高度为L，直径为d。光栅的填充率Sf1=W/Λ。纳米线结构的填充率为f2 = Jid2/(4 Λ2)。
[0034]在地面上接收到的太阳光谱范围为0.3?4μπι，本征硅的禁带宽度为1.12eV，光子能量大于本征硅的禁带宽度时光子才可以被吸收。因此，为了简化起见，我们近似选取300?IlOOnm波段作为太阳能电池的调控波段(波长IlOOnm即对应1.12eV的临界激发光子能量)。
[0035]下面将对图1所示的光栅-纳米线复合结构，给出解释。
[0036]简单光栅可以激发微腔效应，使光栅结构在部分波段的吸收率增强；纳米线可以形成导模共振，使得纳米线在部分波段的吸收率增强。两种结构组合之后形成光栅-纳米线复合结构，复合结构不但可以形成微腔效应，还可以形成导模共振，复合结构的表面结构更加多元化，表面也显著增大，因而可以捕获、吸收更多的光子，大大提高结构的吸收率。
[0037]对于光栅-纳米线复合结构来说，结构参数众多，为了简化起见，在接下来的所有分析中，我们将几个参数固定。即，Λ =280nm，W=190nm，h = 110nm。
[0038]为了形象地说明复合结构具有较强的吸收率，我们将光栅结构、纳米线结构和复合结构的吸收率进行了比较，如图2A、图2B所示。硅平板的吸收率仅作参考。复合结构的结构参数为，d = 120nm，L = llOnm。对于一维光栅结构，周期、脊背宽度和槽深分别为280nm、190nm、llOnm。对于纳米线结构，周期、直径和长度分别是280nm、120nm、llOnm。复合结构的吸收率总体上高于光栅和纳米线的吸收率。TM波时，复合结构的总体吸收率明显大于光栅结构和纳米线结构，并且其吸收率在整个波段内波动幅度不大，尤其是波长大于600nm时，其吸收率几乎不随波长变化。在300?400nm波段，纳米线的吸收率明显大于光栅的吸收率，即纳米线对复合结构的吸收率具有较大的贡献。在600?IlOOnm波段，光栅的吸收率明显大于纳米线的吸收率，即光栅对复合结构的吸收率具有较大的贡献。将短波段高吸收率的纳米线与长波段高吸收率的光栅组合，得到的复合结构在300?IlOOnm波段具有较高的吸收率。而且在400nm处，光栅、纳米线和复合结构均有吸收率峰值。TE波时，复合结构与纳米线在整个波段的吸收率具有相同的趋势，但是复合结构的吸收率略大于纳米线的吸收率。在整个波段，光栅对复合结构吸收率的贡献明显小于纳米线，这是因为一维光栅对TE波比较敏感。因此，复合结构在TE波下的吸收率主要源于纳米线对光子的吸收。
[0039]为了比较复合结构纳米线部分的结构参数对吸收率的影响，我们计算了不同直径d和长度L下复合结构的TM波吸收率，如图3A和图3B所示；图3A和图3B很好的说明了我们所选取的复合结构的结构参数具有较高的吸收率，是最优的结构参数。图3A表示了纳米线直径对复合结构吸收率的影响，其中直径L= 110醒，长度(1分别为6011111、8011111、120nm和160nmo在300?400nm和660?I 10nm波段，复合结构的吸收率随着直径的增大而增大，导模共振的增强及纳米线由于侧面积的增大而吸收了更多的光子这两种因素共同提高了吸收率。随着直径的增大，400nm处的峰值明显朝短波方向移动，这是因为纳米线控制了这一波长附近的吸收率，且导模共振的激发条件改变了。470nm处的吸收率峰值增加的幅度较小，且峰值朝长波段方向轻微移动，虽然光栅在此处激发了较强的的微腔效应，但是微腔效应几乎不随纳米线直径的变化而变化。在600?I 10nm波段，复合结构的吸收率随直径的增大而增大，但是曲线的趋势保持不变，这是因为纳米线在这一波段提高了吸收率，但是光栅对吸收率的贡献较大。随着直径的增大，复合结构的吸收率分别是0.936,0.943,0.955，和0.951。在d=120nm时，复合结构在整个波段的平均吸收率达到0.955，这源于导模共振，导模共振取决于波导层的结构参数，直径的增大会强化导模共振。图3B表示了纳米线长度对复合结构吸收率的影响，其中，直径d = 120nm，长度L分别为40nm、7Onm、11Onm和140nm。在大多数波长处，由于侧面积的增大，复合结构的吸收率随长度的增大而增大。4 O O nm波长处的峰值也随纳米线长度的增大而增大，并且没有明显的峰值位移。波导层变厚，增强了导模共振，但是导模层的厚度对导模共振的激发条件影响不大。470nm处的峰值保持不变，因为变化的纳米线长度对光栅的微腔效应影响很小，尽管微腔效应控制着这一波长处的吸收率强化。在800?IlOOnm波段，不同长度L下的复合结构吸收率的趋势是相似的，这是因为光栅控制着这一波段的吸收率，且纳米线层增厚会提高光子的吸收率。随着纳米线长度的增加，复合结构的吸收率分别为0.931，0.953，0.955，0.940。纳米线长度L= I 1nm时，由于光栅和纳米线在整个波段的共同作用，复合结构的吸收率最高。对于TE波，复合结构的吸收率随着纳米线的直径和长度的增大而增大，但是TE波的吸收率比TM要小。
[0040]图4A和图4B分别是复合结构在TM波和TE波下不同入射角时的光谱吸收率图，其中，直径d= 120nm，长度L= 110nm。在TM波下斜入射时，复合结构的吸收率在短波段较小，在长波段较大。400nm处的峰值减小但是位置不变。470nm处的峰值减小，并且峰值随着入射角的增大而移向长波段。这是由减弱的微腔效应和纳米线的影响造成的。斜入射时在670nm处，光与光栅的耦合效应变强。结果表明，TM波下的入射角对复合结构吸收率的影响较大。在TE波下斜入射时，大多数波段的复合结构吸收率随着入射角的增大而减小。在400?I 10nm波段，入射角小于15°时，入射角对吸收率的影响很小。入射角小于30°时，入射角对580nm处的吸收率峰值的影响较小。因此，TE波下吸收率对入射角不敏感。随着入射角的减小，吸收率峰值减小且略微向长波段移动，这是因为纳米线控制着TE波下的吸收率强化，并且纳米线对入射角不敏感。
[0041]硅材料中具有杂质时，材料的物理性质会发生变化，例如，与本征硅相比，掺杂有η型杂质的掺杂硅的禁带会变小。因此，为了提高具有复合结构表面的太阳能电池的转换率，我们计算复合结构在不同掺杂硅浓度下的光谱吸收率，如图5Α和图5Β所示，其中，掺杂浓度分别为6.5 X 11W，6.0 X 118Cnf3，和1.5 X 102Qcm—3，掺杂元素均为磷元素。掺杂硅浓度对复合结构的吸收率几乎没有影响，这是因为在300?IlOOnm波段，掺杂浓度对掺杂硅的电介质函数几乎没有影响。
[0042]综上所述，本发明由一维娃光栅和娃纳米线组合而成光栅-纳米线复合结构的福射特性可以适应太阳能电池吸收表面的要求，尤其是小入射角时，其转换率较高；另外，该复合结构还在TM波吸收方面具有较高的吸收率。本发明采用光栅和纳米线两种结构的共同作用对复合结构的光吸收率进行调控;使用该复合结构，通过对微腔效应和导模共振等效应进行调控，可以使硅表面对太阳光辐射能量的总体吸收率达到最大，并且将不同波段的光的吸收率的波动幅度降到最小。本发明采用的周期性复合结构，合理利用了光栅和纳米线两种结构的辐射吸收特性，可以优化太阳能电池表面的整体吸收率。
[0043]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，该复合结构包括光栅结构和纳米线阵列，其中， 所述光栅结构包括多个周期性并列排列的长方体，这些长方体均为相同形状，并且均设置在硅材料表面上，每个所述长方体的底面均与该硅材料表面相接触，相邻的两个所述长方体之间的间距保持固定； 所述纳米线阵列为多个周期性排列的圆柱体，这些圆柱体均为相同形状，并且均位于所述光栅结构的长方体的顶面上，所述圆柱体的轴向方向均垂直于所述长方体的顶面;此夕卜，位于任意一个所述长方体顶面上的所述圆柱体均为多个，位于同一所述长方体顶面上的相邻两个所述圆柱体的中心轴线之间距离保持固定，并且位于同一所述长方体顶面上的所述圆柱体的中心轴线在该长方体顶面上的投影均位于同一条直线上，该直线平行于该长方体的长度方向，且经过该长方体顶面宽度边长上的两个中点。2.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，任意取两个所述长方体分别作为第一长方体和第二长方体，所述第一长方体以及在该第一长方体顶面上的所述圆柱体在该第一长方体顶面所在平面上的投影图形与所述第二长方体、以及在该第二长方体顶面上的所述圆柱体在该第二长方体顶面所在平面上的投影图形两者相同。3.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，所述纳米线阵列中相邻两个所述圆柱体的中心轴线之间距离保持固定。4.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，任意一个所述长方体的宽度为190nm，高度为IlOnm;优选的，相邻的两个所述长方体之间的间距均为90nmo5.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，任意一个所述圆柱体的直径为120nm，高度为I 1nm06.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，位于同一所述长方体顶面上的相邻两个所述圆柱体的中心轴线之间距离均为280nm。7.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，与所述光栅结构的长方体的底面相接触的所述硅材料为本征单晶硅或掺杂单晶硅。8.如权利要求1所述用于硅材料表面的复合结构，其特征在于，所述复合结构采用本征单晶硅或掺杂单晶硅。9.如权利要求1一 8任意一项所述用于硅材料表面的复合结构在硅太阳能电池表面作为光吸收面的应用。10.如权利要求9所述用于硅材料表面的复合结构在硅太阳能电池表面作为光吸收面的应用，其特征在于，所述硅太阳能电池为单晶硅太阳能电池。
【文档编号】H01L31/028GK105977316SQ201610301844
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】程强, 贾志浩, 宋金霖, 刘杨, 司梦婷
【申请人】华中科技大学