用于硅基底的光吸收增强与减反结构及其制备、测试方法

1.本发明涉及硅太阳能电池中的减反领域，具体涉及一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构及其制备、测试方法。


背景技术：

2.硅太阳能电池是一种常见的太阳能电池，已实现大规模的应用。但因硅基底表面对太阳光具有较高的反射，光无法进入硅太阳能电池，光电转换效率受到了极大的限制。因此，宽波段增加硅基底对光的吸收、降低表面反射是提高硅太阳能电池性能的关键问题。
3.传统上，由电介质构成的多层薄膜结构可以获得宽波段的减反射效果，但该结构对膜层材料的折射率有严格的要求。由于材料的选择有限，采用多层薄膜结构很难达到理想的减反射效果。
4.为了克服以上技术问题，典型的就是《nano letters》在2011年11期1760
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1765页上登载的“optical impedance matching using coupled plasmonic nanoparticle arrays”一文，spinelli等人在硅基底表面设计了一种介质减反射层与金属纳米颗粒阵列复合结构。研究发现金属纳米颗粒因支持局域表面等离激元共振，对入射光具有强烈的散射，且散射光优先进入折射率较高的硅基底中。利用介质减反射层的减反射效应及金属纳米颗粒的向前散射效应的共同作用，可以进一步降低硅基底的表面反射。但这一结构只能在一些特定的波段起到较好的减反射效果，其它波段(例：600-800nm波段)的反射仍较高。此外，金属材料具有较大的吸收损耗，限制了硅基底对光的进一步吸收，进而限制了硅太阳能电池光电转换效率的进一步提高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服介质减反射层与金属纳米颗粒阵列复合结构只在特定波段具有较好的减反射性能，其它波段的反射仍需进一步降低，且金属材料由于具有较大的吸收损耗，限制了硅基底对光的进一步吸收的缺陷，提供一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构，它可在较宽的波段起到光吸收增强与减反射作用。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构，包括:
7.位于硅基底上表面的半导体纳米柱多聚体周期阵列，所述半导体纳米柱多聚体周期阵列由半导体纳米柱多聚体周期性均匀排布而成；
8.覆在所述硅基底和所述半导体纳米柱多聚体的半导体纳米柱上表面的介质减反射层。
9.进一步，所述半导体纳米柱的材质为si或gaas或ge。
10.进一步，所述半导体纳米柱多聚体为半导体纳米柱二聚体或半导体纳米柱三聚体或半导体纳米柱四聚体。
11.进一步，所述介质减反射层材料为si3n4或sio2或tio2。
12.进一步，所述介质减反射层的厚度为5nm～100nm。
13.本发明还提供了一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构的制备方法，包括：
14.s1，在硅基底上制备由半导体纳米柱多聚体构成的周期阵列；
15.s2，在所述硅基底上表面和所述半导体纳米柱多聚体的半导体纳米柱上表面制备一层介质减反射层。
16.进一步，s1中，在半导体纳米柱多聚体中的半导体纳米柱的材质为si的情况下，半导体纳米柱多聚体的制备方法为电子束曝光技术或聚焦离子束技术或纳米压印技术；
17.在半导体纳米柱多聚体中的半导体纳米柱的材质为ge或gaas的情况下，半导体纳米柱多聚体的制备方法包括：首先采用电子束蒸发法在硅基底上表面制备半导体纳米薄膜，再用电子束曝光技术或聚焦离子束技术或纳米压印技术制备在所述半导体纳米薄膜上制备半导体纳米柱多聚体。
18.进一步，s2中，介质减反射层的制备方法为化学气相沉积法或电子束蒸发法。
19.本发明还提供了一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构的测试方法，包括使用时域有限差分法进行仿真计算：首先构建用于硅基底的光吸收增强与减反结构中的一个周期单元的物理模型；然后将物理模型上下边界上设置为完美匹配层，四周边界上设置为周期边界条件，上表面设置一束垂直入射的平面波；再计算相应物理模型的透射光谱及反射光谱。
20.采用上述技术方案后，本发明中的用于硅基底的光吸收增强与减反射结构，可以支持多个米氏共振，这些米氏共振的峰位、带宽、局域场等特性受到半导体纳米柱多聚体中的各个半导体纳米柱之间的干涉作用、半导体纳米柱多聚体与周期阵列衍射波之间耦合作用的影响。通过调节半导体纳米柱的尺寸、多聚体的间隙与分布、介质层的材料与厚度、阵列的周期等因素，可以获得多个性能优异的米氏共振。这些米氏共振具有显著的局域场增强、较低的吸收损耗，对入射光具有强烈的散射，且散射光优先进入折射率较高的硅基底中，进而增强硅基底对光的吸收。多个米氏共振使光在多个波段范围进入硅基底，结合介质减反射层的减反射效果，该发明结构可在宽波段范围对硅基底起到光吸收增强与减反射效果，从而提高硅太阳能电池的性能，适合于工业化生产。
附图说明
21.图1为实施例1中的用于硅基底的光吸收增强与减反结构的制备流程图；
22.图2为对比例1中的介质减反射层与半导体纳米柱周期阵列相结合的结构的制备流程图；
23.图3为使用时域有限差分法计算实施例1中的结构与裸硅结构在400-1100nm波段的垂直入射光照射下所得的反射曲线图；
24.图4为使用时域有限差分法计算实施例1中的结构与裸硅结构在400-1100nm波段的垂直入射光照射下所得的透射曲线图；
25.图5为使用时域有限差分法计算对比例1中的结构在400-1100nm波段的垂直入射光照射下所得的透射曲线与反射曲线图；
26.图1和图2中，1、硅基底；2、半导体纳米柱多聚体周期阵列；3、介质减反射层；4、半导体纳米柱周期阵列。
具体实施方式
27.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
28.如图1所示，一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构，包括：
29.位于硅基底1上表面的半导体纳米柱多聚体周期阵列2，所述半导体纳米柱多聚体周期阵列2由半导体纳米柱多聚体周期性均匀排布而成；半导体纳米柱多聚体包括至少两个间隔设置的半导体纳米柱。
30.覆在所述硅基底1和所述半导体纳米柱多聚体的半导体纳米柱上表面的介质减反射层3。
31.在本实施例中，所述半导体纳米柱的材质为si或gaas或ge。
32.在本实施例中，所述半导体纳米柱多聚体为半导体纳米柱二聚体或半导体纳米柱三聚体或半导体纳米柱四聚体等。
33.在本实施例中，所述介质减反射层3材料为si3n4或sio2或tio2。
34.在本实施例中，所述介质减反射层3的厚度为5nm～100nm。
35.上述用于硅基底的光吸收增强与减反结构的制备方法，包括：
36.s1，在硅基底1上制备由半导体纳米柱多聚体构成的周期阵列；
37.s2，在所述硅基底1上表面和所述半导体纳米柱多聚体的半导体纳米柱上表面制备一层介质减反射层3。
38.s1中，在半导体纳米柱多聚体中的半导体纳米柱的材质为si的情况下，半导体纳米柱多聚体的制备方法为电子束曝光技术或聚焦离子束技术或纳米压印技术；
39.在半导体纳米柱多聚体中的半导体纳米柱的材质为ge或gaas的情况下，半导体纳米柱多聚体的制备方法包括：首先采用电子束蒸发法在硅基底1上表面制备半导体纳米薄膜，再用电子束曝光技术或聚焦离子束技术或纳米压印技术制备在所述半导体纳米薄膜上制备半导体纳米柱多聚体。
40.s2中，介质减反射层3的制备方法为化学气相沉积法或电子束蒸发法。
41.上述用于硅基底的光吸收增强与减反结构的测试方法，包括使用时域有限差分法进行仿真计算：
42.首先构建用于硅基底的光吸收增强与减反结构中的一个周期单元的物理模型；然后将物理模型上下边界上设置为完美匹配层，四周边界上设置为周期边界条件，上表面设置一束垂直入射的平面波；再计算相应物理模型的透射光谱及反射光谱。
43.与现有的介质减反射层与金属纳米颗粒阵列复合结构相比，本实施例中的结构可产生多个米氏共振，这些米氏共振具有较低的吸收损耗、显著的向前散射效应，可在更宽波段范围对硅基底1表面起到减反射效果并增强硅基底1对入射光的吸收，克服了介质减反射层与金属纳米颗粒阵列复合结构只在特定波段具有较好的减反射性能，以及因金属材料较大的吸收损耗对硅基底1光吸收增强的限制作用。
44.下面结合一个优选的实施例对上述实施例涉及的技术方案进行说明。
45.实施例1
46.如图1所示，一种用于硅基底的光吸收增强与减反结构，包括位于硅基底1上的半导体纳米柱多聚体周期阵列2和最上层的介质减反射层3，所述半导体纳米柱多聚体周期阵
列2为硅纳米柱二聚体周期阵列，所述介质减反射层3为si3n4介质减反射层。
47.本实施例中的用于硅基底的光吸收增强与减反结构包括如下制备步骤：
48.(1)在硅基底1上制备由硅纳米柱二聚体构成的周期阵列；
49.(2)在步骤(1)基础上制备一层si3n4介质减反射层。
50.其中，硅纳米柱二聚体的高度都为125nm；硅纳米柱二聚体中两个硅纳米柱的直径分别为80nm、100nm；硅纳米柱二聚体中两个硅纳米柱之间的间隙为40nm，硅纳米柱二聚体周期阵列为正方形阵列，周期为500nm；si3n4介质减反射层的厚度为60nm。
51.使用时域有限差分法进行仿真计算，首先构建本实施例中的用于硅基底的光吸收增强与减反结构的一个周期单元的物理模型，然后将物理模型上下边界上设置为完美匹配层，四周边界上设置为周期边界条件，上表面设置一束垂直入射的平面波，再计算相应物理模型的透射光谱及反射光谱。在仿真计算中，硅的折射率来源于palik的实验数据，空气和si3n4的折射率分别设定为1和2。
52.图3为使用时域有限差分法计算本实施例中的结构与裸硅结构在400-1100nm波段的垂直入射光照射下所得的反射曲线图。根据图3可知，在400-1100nm波段范围内，本实施例中的结构在整个波段都能起到较好的减反射效果，平均反射率为2.6％，裸硅结构的平均反射率约为35％，本实施例中的结构的平均反射率远远低于裸硅结构的平均反射率。
53.图4为使用时域有限差分法计算本实施例中的结构与裸硅结构在400-1100nm波段的垂直入射光照射下所得的透射曲线图。根据图4可知，在400-1100nm波段范围内，本实施例中的结构在整个波段都能起到较好的光吸收增强效果，平均透射率,即进入硅基底的光/入射光为93％，裸硅的平均透射率约为65％，本实施例中的结构的平均透射率远远高于裸硅结构的平均透射率。
54.对比例1
55.如图2所示，一种介质减反射层3与半导体纳米柱周期阵列4相结合的结构，包括位于硅基底1上的半导体纳米柱周期阵列4以及最上层的介质减反射层3。所述半导体纳米柱周期阵列4为硅纳米柱周期阵列，最上层的介质减反射层3为si3n4介质减反射层。
56.本对比例中的结构的制备包括如下制备步骤：
57.(1)在硅基底1上制备由硅纳米柱构成的周期阵列；
58.(2)在步骤(1)基础上制备一层si3n4介质减反射层。
59.其中，硅纳米柱的高度和直径分别为125nm和100nm；硅纳米柱周期阵列为正方形阵列，周期为500nm；si3n4介质减反射层的厚度为60nm。
60.使用时域有限差分法进行仿真计算，首先构建本对比例的结构中的一个周期单元的物理模型，然后将物理模型上下边界上设置为完美匹配层，四周边界上设置为周期边界条件，上表面设置一束垂直入射的平面波，再计算相应物理模型的透射光谱及反射光谱。在仿真计算中，硅的折射率来源于palik的实验数据，空气和si3n4的折射率分别设定为1和2。
61.图5为使用时域有限差分法计算本对比例中的结构在400-1100nm波段的垂直入射光照射下所得的透射光谱与反射光谱图。根据图5可知，在400-1100nm波段范围内，该结构也能起到较好的减反射与光吸收增强效果，平均透射率为92％，平均反射率为5.2％。这一数值比实施例1中的结构的平均反射率高了一倍。
62.与介质减反射层3与半导体纳米柱周期阵列4相结合的结构相比，实施例1中的结
构中的半导体纳米柱多聚体周期阵列2相比于半导体纳米柱阵列4可产生更多个米氏共振，因而可在更宽波段起到减反射效果与光吸收增强作用。
63.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。