一种提高砷化镓太阳能电池光电转换效率方法与流程

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用飞秒激光在电池表面制备微纳米减反结构，从而提高太阳能电池的光电转换效率的方法。

背景技术：

GaAs太阳能电池作为Ⅲ-Ⅴ族半导体电池中的代表，与硅太阳能电池相比，除了其具有较高的光电转换效率外，还具有较好的耐高温性能、较强抗辐射性能等。这些优异的性能使GaAs太阳能电池非常适合用作空间能源电池，但是由于目前的研制水平和工艺问题，使得GaAs太阳能电池的光电转换效率仍有很大的提升空间，而提高GaAs太阳能电池的光电转换效率的最主要的方法之一就是提高GaAs电池表面的抗反射性能。

Kyoung Seok Cho,P.Mandal等利用低成本的激光光刻技术制备出GaAs电池表面的一维与二维微纳米结构，并有效的提高了电池的光电转换效率。F.C.Marques利用溶液喷涂法将SnCl₄喷涂在硅太阳能电池表面形成金字塔结构。而Yangsen Kang的团队则采用ECR等离子体刻蚀、湿法化学蚀刻与金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)在预先制备好图案的GaAs太阳能电池模版上成功制作出规则的纳米锥列阵，这几种方法虽然可以实现光电转换效率的提高，但还没达到预期效果。如激光光刻技术容易造成电池表面损伤，且效率较低；至于化学方法制备微结构则容易造成污染，且GaAs的高稳定性使得生成的形貌不易控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于飞秒激光的砷化镓太阳能电池减反结构及制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

利用飞秒激光，在不同的环境介质中，辐照GaAs电池表面，通过选择相应的激光单脉冲能量，在GaAs电池表面得到不同的微纳米减反结构，从而降低GaAs电池表面的反射率，提高GaAs电池的光电转换效率。

进一步地，所述不同的环境介质中为空气、乙醇或水，优选的顺序为水、乙醇、空气；飞秒激光器的脉宽为120fs，中心波长700nm，频率为1KHz；激光加工参数为扫描速率为2.2mm/s，扫描间距为30μm。

进一步地，在水中，当激光单脉冲能量为15μJ时，制得的微纳米结构为圆锥结构，圆锥的底面直径大小为1μm，该结构在300-2000nm波段能够将电池表面的反射率由原来的平均为22.5％降低到3％。

进一步地，在乙醇中，当激光单脉冲能量为15μJ时，制得的微纳米结构为波浪状微结构，该结构在300-1000nm波段能够将电池表面的反射率由原来的平均为22.5％降低到17.3％。

进一步地，在空气中，当激光单脉冲能量为30μJ时，制备的微纳米结构为一维矩形光栅结构，该结构在300-1000nm波段能够将电池表面的反射率由原来的平均为33％降低到23.6％。

本方法采用放大级钛蓝宝石飞秒激光系统(Legend Elite-1K-HE,Coherent,America)照射未加减反射层GaAs电池表面(The 18th Research Institute of China Electronic Technology Group Co.,Ltd.,China)；实验装置如图1所示，脉冲功率可以通过使用一个半波片和格兰泰勒棱镜的组合装置来不断地调整；激光线偏振的方向和波长分别通过格兰泰勒棱镜和光学参量放大器进行变换；激光束由50mm焦距的平凸透镜进行聚焦；电池薄片安装在由高精度计算机控制的线性移动平台上，可以通过改变水平移动平台在X方向上的移动速度来获得一系列不同的光斑搭接率。

本发明具有如下优点：

1.加工损伤小。飞秒超短脉冲激光脉冲持续时间短，能量在极小时间和空间内完成与物质的相互作用。从加工开始至结束,热量来不及扩散,能量仅积累在材料微小区域的薄层内。加工完成后,损伤区域周围的材料仍处于“冷”状态,对电池薄片的损伤较小。

2.加工精度高。飞秒激光能量在空间和时间上都呈现高斯型或类高斯型分布。这可以使得只有聚焦光斑中心部位的强度可达到材料的加工阈值,此时加工中的能量吸收与作用范围被限制于焦点中心处很小体积内,加工尺度远小于光斑尺寸,达到亚微米级甚至纳米级。

3.制备方法工艺优越。采用本发明方法，不需要其他的辅助工序，就能获得周期性的微纳米结构，且减反效果非常明显。

附图说明

图1为飞秒激光加工方法的光路图。

其中，1-飞秒激光器，2-光学参量放大器，3-格兰泰勒棱镜，4-半波片，5-第一反射镜，6-第二反射镜，7-二向色镜，8-平凸透镜，9-样品，10-移动平台，11-移动平台控制系统，12-白光光源，13-第三反射镜，14-CCD。

图2实施例一中电池表面结构的扫描电子显微镜图。

图3实施例一中电池表面结构反射率曲线。

图4实施例二中电池表面结构的扫描电子显微镜图。

图5实施例二中电池表面结构反射率曲线。

图6实施例三中电池表面结构的扫描电子显微镜图。

图7实施例四中电池表面结构反射率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

1.搭建飞秒激光加工平台。采用放大级钛蓝宝石飞秒激光系统(Legend Elite-1K-HE,Coherent,America)照射未加减反射层GaAs电池表面，飞秒激光脉宽为120fs，中心波长700nm，频率为1KHz。实验装置如图1所示。脉冲功率可以通过使用一个半波片和格兰泰勒棱镜的组合装置来不断地调整。激光线偏振的方向和波长分别通过格兰泰勒棱镜和光学参量放大器进行变换。激光束由50mm焦距的平凸透镜进行聚焦，并且焦斑的直径为约22μm。电池薄片安装在由高精度计算机控制的移动平台上。可以通过改变移动平台在X方向上的移动速度来获得一系列不同的光斑搭接率。

2.制备微纳米减反结构。利用上述飞秒激光加工系统在水环境中对GaAs电池薄片进行加工；选用的激光加工参数为：单脉冲能量为15μJ，扫描速率为2.2mm/s，扫描间距为30μm，加工环境为水。

所得到飞秒激光加工的太阳能电池表面用扫描电子显微镜(ESEM,JSM-6700F,JEOL,Tokyo,Japan)、太阳光谱反射率测量仪(SOLID3700，Shimadzu,Japan)进行表征，结果见图2～3。

由图2可见，在水中制得的微纳米结构为圆锥结构，“圆锥”的底直径大小为1μm；由图3可见，该结构在300-2000nm波段能够将电池表面的反射率由原来的平均为33％降低到3％。

实施例2

在实施例1的步骤2中，将激光加工参数改为：单脉冲能量为15μJ，扫描速率为2.2mm/s，扫描间距为30μm，加工环境为乙醇。

由图4可见，在乙醇中制得的微纳米结构为一种类似波浪状的微结构，一层叠着一层；由图5可见，该结构在300-2000nm波段能够将电池表面的反射率由原来的平均为22.5％降低到17.3％。

实施例3

在实施例1的步骤2中，将激光加工参数改为：单脉冲能量为30μJ，扫描速率为2.2mm/s，扫描间距为30μm，加工环境为空气。

由图6可见，在空气中制得的微纳米结构为矩形光栅结构，矩形的宽为600nm，周期为700nm；由图7可见，该结构在300-1000nm波段能够将电池表面的反射率由原来的平均为33％降低到23.6％。