寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，所述的陷光結(jié)構(gòu)由截面積為橢圓形的半導體納米線并行排列形成縱向陣列，而且相鄰橢圓納米線在截面上的長軸之間相互有一定的角度，該角度＞0°，且≤90°。這種具有寬光譜寬角度高陷光效率的橢圓半導體納米線陣列結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，相比以往的圓形半導體納米線陣列結(jié)構(gòu)，在太陽光譜長波段和短波段的吸收效率均有了顯著提高。
【專利說明】寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光伏領(lǐng)域，為一種高效光調(diào)控器件的微納結(jié)構(gòu)，具體涉及一種在太陽光譜范圍內(nèi)具有大的光吸收效率的微納結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，在高效光伏探測器件、薄膜太陽能電池方面有應用前景。

【背景技術(shù)】
[0002]半導體納米線陣列構(gòu)成的薄膜太陽能電池具有低反射損耗，優(yōu)良的光俘獲性能。與常規(guī)半導體太陽能電池或薄膜太陽能電池相比可節(jié)省原料，降低成本，因此受到人們的廣泛關(guān)注。半導體納米線陣列可設(shè)計成軸向光吸收，徑向電荷收集的形式。使軸向有大的光吸收長度，而徑向有小的電荷收集距離，從而實現(xiàn)既具有高的光吸收效率，同時又具有高的載流子收集效率的電池結(jié)構(gòu)。通過對納米線陣列的周期、納米線直徑、長度、以及排列等方面進行優(yōu)化，可有效地提高半導體納米線陣列薄膜太陽能電池的光捕獲效率。在納米線陣列薄膜太陽能電池設(shè)計中，納米線的直徑是一個重要的參數(shù)，在其它幾何參數(shù)固定不變的條件下，較小的納米線直徑有助于降低半導體納米線陣列的等效折射率，從而提升電池結(jié)構(gòu)在短波太陽光譜的吸收效率，而較大的納米線直徑，則會引入更多的共振模式，從而增加長波太陽光譜的吸收效率。
[0003]現(xiàn)有的納米線陣列設(shè)計僅涉及納米線截面為圓形的半導體納米線陣列，或者半導體納米線陣列雖為橢圓形截面，但所有納米線的長軸均相互平行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，為一種可應用于太陽能電池的寬光譜寬角度高陷光效率納米線陣列結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，所述的陷光結(jié)構(gòu)由截面積為橢圓形的半導體納米線(以一定間隔)并行排列形成縱向陣列，而且相鄰(最近鄰)橢圓納米線的長軸之間相互有一定的角度，該角度>0°，且<90°。
[0006]橢圓納米線的長軸指的是納米線的截面方向上的橢圓形的長軸。
[0007]這種結(jié)構(gòu)中，相鄰橢圓納米線的長軸之間有一定角度，有助于增強納米線中共振吸收模式之間的耦合。
[0008]所述的相鄰橢圓納米線的長軸之間的角度優(yōu)選為50°?90°。
[0009]所述的相鄰橢圓納米線的長軸之間的角度進一步優(yōu)選為60°?90°。
[0010]所述的相鄰橢圓納米線的長軸之間的角度最佳為65° 75°。
[0011]所述的納米線陣列的周期為40(T800nm，橢圓納米線的長軸和短軸的范圍均為300?600nm。
[0012]如果將納米線陣列在截面方向上以方格進行等分，每個方格內(nèi)均有一根橢圓納米線，方格的邊長即可視作納米線陣列的周期。
[0013]所述的橢圓納米線的長軸與短軸長度比(長短軸比)為(1.05?2):1。
[0014]所述的長短軸比優(yōu)選為(1.3 ^ 1.7):1。
[0015]所述的長短軸比最優(yōu)選為(1.4 ^ 1.6):1。
[0016]橢圓截面納米線具有適當?shù)拈L短軸比，橢圓納米線在短軸方向上的較小尺寸還更有利于電荷的收集。
[0017]橢圓納米線的長軸與納米線陣列周期X軸間的夾角為(Γ90°。該定義只是為了方便文中對橢圓納米線自轉(zhuǎn)的描述，橢圓納米線長軸與周期X軸間的夾角即為納米線的自轉(zhuǎn)角度。
[0018]當相鄰橢圓納米線的長軸相互垂直時,橢圓納米線的長軸與納米線陣列周期X軸間的夾角優(yōu)選為15°?30°，或60°?75°。
[0019]本發(fā)明所設(shè)計的寬光譜寬角度高效橢圓納米線陣列，還可以通過調(diào)整半導體納米線相對于其自身軸線的轉(zhuǎn)動角度(即相對于周期X軸的轉(zhuǎn)動角度)，從而改變相鄰納米線表面之間的相對距離，進一步改善結(jié)構(gòu)對入射光的吸收。
[0020]若相鄰橢圓納米線的長軸相互垂直，將相鄰橢圓納米線與陣列周期X軸間的夾角分別標記為<9及0，貝1J <9 = O?90。, Φ= 90。- Θ。
[0021]所述的橢圓納米線的長度為0.3?5μ m。
[0022]所述的橢圓納米線的長度優(yōu)選為I?5μπι。
[0023]本發(fā)明涉及的半導體納米線材料可以是硅，還可以是磷化銦，砷化鎵等。在【具體實施方式】中以硅為例予以說明。
[0024]用極限效率來評價不同納米線陣列結(jié)構(gòu)的陷光性能，其定義為:
I(A)A(A)^dA
J JOOrnnλ
g ，
TJ 二 --
1#4000nm
I I(A)M

J 300rim
其中，/U)是太陽能AML?光譜密度d U )是吸收系數(shù)，是與晶體硅的禁帶寬度相對應的波長。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明的具有寬光譜寬角度高陷光效率的橢圓半導體納米線陣列結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，相比以往的圓形半導體納米線陣列結(jié)構(gòu)，在太陽光譜長波段和短波段的吸收效率均有了顯著提高，可應用于太陽能光伏領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是寬光譜寬角度橢圓截面納米線陣列示意圖，其中，圖(a)是立體圖，圖(b)是垂直于納米線的截面圖。
[0027]圖2是寬光譜寬角度橢圓納米線陣列的極限吸收與橢圓納米線陣列的長軸和短軸長度間的關(guān)系。圖中虛線標示了硅納米線橫截面與陣列周期平方之比(即填充系數(shù)/)為常數(shù)的位置。
[0028]圖3是相應于圖2中A、B、和C三個位置的硅納米線陣列結(jié)構(gòu)的吸收光譜。
[0029]圖4是圓形和橢圓納米線陣列結(jié)構(gòu)的極限吸收與陣列周期之間的關(guān)系。
[0030]圖5是圓形和橢圓納米線陣列結(jié)構(gòu)的極限吸收與納米線長度之間的關(guān)系。
[0031]圖6是相鄰橢圓納米線的長軸相互垂直時，寬光譜寬角度橢圓納米線陣列的極限吸收與橢圓納米線長軸繞X軸自轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。
[0032]圖7是相應于圖6中橢圓納米線長軸繞X軸自轉(zhuǎn)(a)0°，(b)25°，和(c)45°時納米線陣列的示意圖。
[0033]圖8是寬光譜寬角度橢圓納米線陣列的極限吸收與相鄰納米線長軸之間夾角的關(guān)系。
[0034]圖9是相應于圖8中相鄰納米線長軸之間夾角為(a) 90°，(b) 45°，和(c) 0°時納米線陣列的示意圖。
[0035]圖10是圓形和橢圓納米線陣列結(jié)構(gòu)的極限吸收與太陽光入射角度之間的關(guān)系。

【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)進行具體說明，半導體材料以硅為例，也可為其他材料。
[0037]實施例1
如圖1所示，橢圓納米線陣列的周期標記為&橢圓納米線在截面上的長軸和短軸分別標記為^Zma和^Zmi，相鄰橢圓納米線的長軸相對于陣列周期X軸的旋轉(zhuǎn)角度分別標記為〃和
0。當P + 0=90°時(圖1(b)所示)，該相鄰納米線長軸之間相互垂直；而當β - 0=0°時，該相鄰納米線長軸之間相互平行。
[0038]以周期a= 600nm進行設(shè)計，橢圓納米線的長短軸比選取不同的數(shù)值，計算相應的納米線陣列的極限吸收，如圖2所示。位置A處為長軸和短軸分別為550nm和375nm的橢圓納米線(長短軸比1.47: 1)，位置B和位置C處分別為直徑454nm和550nm的圓形納米線(參比納米線陣列)。圖2中不同的顏色深淺表示不同的極限吸收，顏色趨淺表示吸收效率增大，趨深則表示吸收效率減小，虛線位置表示具有相同的填充系數(shù)。比較橢圓納米線陣列的吸收效率(偏離斜邊的位置)與圓形納米線陣列的吸收效率(斜邊上的位置)。在偏離斜邊的區(qū)域?qū)ふ业綐O限吸收最大的位置(A點，28.22%)，斜邊上和該位置具有相同的填充系數(shù)的位置(B點，25.05%),以及斜邊上極限吸收最大的位置(C點，25.43%)。結(jié)果是:在納米線長短軸分別是550nm和375nm時，橢圓納米線陣列的極限吸收達到最大，和相同填充系數(shù)的圓形納米線陣列結(jié)構(gòu)相比增大了 16%。
[0039]橢圓納米線陣列寬光譜吸收的驗證。具體計算圖2中相應于A、B、和C點處在太陽光譜范圍(300?IlOOnm)的吸收光譜,如圖3所示。得到在此光譜范圍內(nèi)，橢圓納米線陣列(A點)的吸收系數(shù)高于具有相同的填充系數(shù)的圓形納米線(B點)的吸收系數(shù)，也高于具有最大極限吸收的圓形納米線(C點)。
[0040]實施例2 橢圓與圓形納米線陣列在其他陣列周期時的極限吸收的比較。對周期為400?SOOnm的陣列進行與實施例1相同的設(shè)計，如圖4所示。圖中陣列結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)均為0.45，橢圓納米線陣列中納米線長短軸比是550/375。結(jié)果是:橢圓納米線陣列比圓形納米線陣列的極限吸收高出10?30%。
[0041]圖4中，自轉(zhuǎn)0°表明相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為β 二 0°及Φ= 90°。自轉(zhuǎn)25°表明相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為β 二 25。及0 =65。。
[0042]實施例3
橢圓與圓形納米線陣列在其他納米線長度時的極限吸收。對納米線長度為300?5000nm的陣列進行與實施例1相同的設(shè)計，如圖5所示。圖中陣列結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)均為0.45，橢圓納米線陣列中納米線長短軸之比是550/375。結(jié)果是:得到橢圓納米線陣列比圓形納米線陣列其極限吸收高出9?22%。
[0043]圖5中，自轉(zhuǎn)0°表明相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為β 二 0°及Φ 二 90。。
[0044]實施例4
自轉(zhuǎn)不同角度的橢圓納米線陣列的設(shè)計。使納米線陣列中的橢圓納米線繞其軸自轉(zhuǎn)不同的角度，并計算相應的極限吸收，結(jié)果如圖6所示。在旋轉(zhuǎn)角為25°時(即相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為β 二 25。及0= 65°。)，得到最大極限吸收為29.2%。圖7是相應于圖6中橢圓納米線長軸繞X軸自轉(zhuǎn)(a)0°，(b)25°，和(c)45°時納米線陣列的不意圖。
[0045]實施例5
相鄰納米線長軸之間的夾角在90°?0°之間的橢圓納米線陣列的設(shè)計。使納米線陣列中相鄰橢圓納米線長軸之間的夾角變化不同的角度，并計算相應的極限吸收，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果是:當相鄰橢圓納米線長軸間的夾角為50°?90°時，極限吸收均較高，在夾角為70°時，得到最大極限吸收為28.4%。
[0046]圖9是相應于圖8中相鄰納米線長軸之間夾角為(a) 90°，(b) 45°，和(c) 0°時納米線陣列的示意圖。圖中，(a)表明相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為Θ = 0°及0= 90° ; (b)表明相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為〃=0°及Φ= 45° ; (c)表明相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為〃=0°及0 = 0° ；
實施例6
橢圓納米線陣列寬角度吸收的驗證。具體計算具有相同填充系數(shù)的圓納米線陣列，及旋轉(zhuǎn)角度為0° (相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為〃=0°及0= 90° )和25° (相鄰橢圓納米線的長軸與周期X軸的夾角分別為〃=25°及Φ 二 65° )的橢圓納米線陣列的極限吸收隨太陽光入射角度的變化，如圖10所示。圖中陣列結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)均為0.45，陣列周期均為600nm，橢圓納米線陣列中納米線長短軸比為550/375。結(jié)果是:在O?80°的太陽光入射角度范圍，旋轉(zhuǎn)角度為0°和25°的橢圓納米線陣列相比之正圓納米線陣列，其平均極限吸收約增大8%。
【權(quán)利要求】
1.一種寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的陷光結(jié)構(gòu)由截面積為橢圓形的半導體納米線并行排列形成縱向陣列，而且相鄰橢圓納米線在截面上的長軸之間相互有一定的角度,該角度> 0°，且<90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的相鄰橢圓納米線的長軸之間的角度為50°?90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的納米線陣列的周期為40(T800nm，橢圓納米線的長軸和短軸范圍均為 300?600nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的橢圓納米線的長軸與短軸長度比為(1.05?2):1。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的橢圓納米線的長軸與納米線陣列周期X軸間的夾角為0、0°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的橢圓納米線的長度為0.3^5 μ Hi0
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬光譜寬角度橢圓納米線陣列薄膜太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的半導體納米線為硅、磷化銦、或砷化鎵材料。
【文檔編號】H01L31/054GK104201228SQ201410347108
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】吳永剛 申請人:同濟大學