一種調控硅表面太陽能吸收率的方法技術

本發明專利技術屬于光伏電池表面減反系統設計技術，具體為一種調控硅表面太陽能吸收率的方法，該方法是通過硅表面采用周期性凹形階梯式亞波長光柵結構以提高硅表面對太陽能的吸收效率。本發明專利技術采用凹形階梯式周期性光柵，合理利用不同簡單光柵的輻射吸收特性，優化表面整體吸收效率。使用凹形階梯式光柵表面后，起到如下作用：1）增大表面積，使得接收到的光盡可能的多；2）使得光在結構內部形成多重反射、衍射和吸收；3）凹形階梯式光柵的輻射特性由多個槽深不等的簡單光柵的輻射特性相疊加而得到，能夠更加有效的利用各簡單光柵引起的異常效應進行組合優化。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光伏電池表面減反系統設計技術，通過使用周期性凹形階梯式亞波長光柵提高硅表面對太陽能的吸收效率，具體為。
技術介紹
隨著可再生能源、國防和航天等領域的發展，對熱輻射傳輸的光譜性和方向性提出了更高的要求；即在研究輻射系統光譜輻射特性與傳輸規律的同時，還需要從微觀角度入手，分析影響輻射傳輸的機理，進而實現熱輻射的光譜和方向調控技術。經過多年來的探索研究，人們對于微結構表面的輻射特性已經有了一定程度的認識，并且利用這些研究成果開展了許多重要的應用。如，紅外熱像儀、太陽能電池中的波長選擇性發射與吸收等。在眾多被研究的微結構表面中，一維光柵因其由單一材料構成以及能夠使用光刻技術進行大規模生產而被廣泛使用。研究結果表明簡單光柵的波長選擇性吸收具有方向敏感性，調控波段較窄；而組合光柵則具有方向不敏感性，調控波段較廣，前期研究的組合光柵由多個不同脊背寬和槽寬的簡單光柵組成。進一步研究發現槽深對于光柵的波長選擇特性的影響也很大。本專利技術中所選用的階梯式光柵即由槽深不相等的簡單光柵組合而成，具有大波段調控的作用，適用于太陽能電池中進行增強吸收。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供，該方法可以比較方便的實現光譜輻射特性調控，能夠提高硅表面對太陽輻射能量在300-1100nm范圍內的總體吸收效率。本專利技術提供的，其特征在于，該方法是硅表面采用周期性凹形階梯式亞波長光柵結構。作為上述技術方案的改進，所述凹形階梯式光柵結構由光柵單元陣列組成，每個光柵單元由至少二個光柵組成，各光柵的凹槽深度逐漸遞減或者遞增，光柵頂部保持水平。作為上述技術方案的進一步改進，各光柵單元中，相鄰二個光柵的凹槽深度之差基本相等。作為上述技術方案的更進一步改進，在所述光柵結構中，f/Λ為O. 571至O. 714， f為光柵結構的脊背的寬度，Λ為光柵的周期長度。本專利技術提出了人工制造周期性光柵，可以較為方便地實現光譜輻射特性調控。使用凹形階梯式光柵，通過調整利用Wood異常和空腔諧振等效應進行調控，使得硅表面對太陽輻射能量的總體吸收效率達到最大。本專利技術采用周期性凹形階梯式亞波長光柵，合理利用不同簡單光柵的輻射吸收特性，優化表面整體吸收效率。使用凹形階梯式光柵表面后，起到如下作用1)增大表面積，使得接收到的光盡可能的多；2)使得光在結構內部形成多重反射、衍射和吸收；3)凹形階梯式光柵的輻射特性由多個簡單光柵的輻射特性相疊加而得到，能夠更加有效的利用各簡單光柵引起的異常效應進行組合優化。附圖說明圖I是現有的簡單光柵結構示意圖2是本專利技術所使用的凹形階梯式光柵示意圖；(a)為由二個簡單光柵合成的光柵的結構示意圖，(b)為由三個簡單光柵合成的光柵的結構示意圖3是硅材料水平表面、簡單光柵結構及凹形階梯式光柵結構的光譜吸收率對比。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。圖I所示為簡單光柵結構，圖中Λ為光柵的周期長度，f和g分別為光柵結構的脊背和凹槽的寬度，h為凹槽的深度。對于光柵結構，一個周期是由一個脊背f和一個凹槽 g合并組成的，所以其周期長度可以表示為A=f+g。圖2所示為本專利技術所采用的凹形階梯式光柵結構，分別由用兩個和三個階梯組成，圖中Λ為光柵的周期長度，4、4、&和81、&、&分別為光柵結構的脊背和凹槽的寬度， 4、h2和h3為凹槽的深度。采用光刻技術將硅材料表面加工成圖2所示凹形階梯式亞波長光柵結構，光柵結構由光柵單元陣列組成，圖中所示為一個光柵單元，每個光柵單元由兩個或者三個簡單光柵組成，且這幾個光柵的凹槽深度逐漸遞減或者遞增，光柵頂部保持水平， 形成凹形階梯式光柵結構；光柵單元周期性出現形成一個陣列。下面將對采用圖2所示凹形階梯式光柵結構，給出解釋。在地面上觀測的太陽輻射的波段范圍大約為O. 295-2. 5μπι。硅的禁帶寬度為I. 12ev，其所能夠吸收的太陽光譜范圍為波長小于1107nm。因此，我們近似選取 300-1100nm作為調控波段，增強硅對于太陽輻射能量的吸收。如圖3所示，采用簡單光柵，能激發空腔諧振效應，可以在部分波段形成輻射吸收增強；而使用凹形階梯式光柵，每個簡單光柵形成一個空腔，則可以激發多項空腔諧振效應，在更大的波段范圍內增強輻射吸收，通過調整光柵的結構，可以使得吸收在整個波段內得到增強。另外，內凹的形狀能夠將太陽輻射更好的束縛在內部，在結構內部形成多重反射、衍射和吸收；階梯式光柵必然包含簡單光柵的情況(階梯為O的時候)，因此其對輻射的吸收好于簡單光柵。所以，我們選用凹形階梯式光柵。選用凹形階梯式光柵需要確定眾多參數，如等。為了選取最優化結構參數用于增強吸收，我們進行如下對比。此處假設一個三階梯組成的凹形階梯式光柵，h^lOOnm, h2彡h3，另外為了減化制作工藝和成本，選取feffffd, g1=g2=g3=t,計算不同凹槽深度組合下的吸收率,得到吸收能量占入射能量的百分比(即總吸收率)。表I為給定凹槽深度h組合時，最大總體吸收率對應的填充比i Λ。如表I所示， 最大的總體吸收率一般出現在槽深接近等差變化處，隨著槽深的增加最大的總體吸收率對應的背脊和凹槽寬度也是增加的，在最優化光柵結構中，f/Λ —般大于O. 5，優選在O. 571至O. 714之間，此時能得到最大的總體吸收率。所以，我們選取f/Λ為O. 571至O. 714且槽深等差變化的凹形階梯式光柵以獲得較大的總體吸收率。另外，計算表明凹形階梯式光柵在斜入射60°以下仍然具有較好的寬光譜吸收特性，即其具有方向不敏感性。綜上所述，凹形階梯式光柵在300_1100nm范圍內具有高吸收率，且其具有方向不敏感性，能夠滿足在硅太陽能電池中的應用。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本專利技術的較佳實施范例而已，并不用以限制本專利技術，凡在本專利技術的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本專利技術的保護范圍之內。表I權利要求1.，其特征在于，該方法是硅表面采用周期性凹形階梯式亞波長光柵結構。2.根據權利要求I所述的調控硅表面太陽能吸收率的方法，其特征在于，所述凹形階梯式光柵結構由光柵單元陣列組成，每個光柵單元由至少二個光柵組成，各光柵的凹槽深度逐漸遞減或者遞增，光柵頂部保持水平。3.根據權利要求2所述的調控硅表面太陽能吸收率的方法，其特征在于，各光柵單元中，相鄰二個光柵的凹槽深度之差基本相等。4.根據權利要求1、2或3所述的調控硅表面太陽能吸收率的方法，其特征在于，在所述光柵結構中，f/A為0.571至0.714，f為光柵結構的脊背的寬度，A為光柵的周期長度。全文摘要本專利技術屬于光伏電池表面減反系統設計技術，具體為，該方法是通過硅表面采用周期性凹形階梯式亞波長光柵結構以提高硅表面對太陽能的吸收效率。本專利技術采用凹形階梯式周期性光柵，合理利用不同簡單光柵的輻射吸收特性，優化表面整體吸收效率。使用凹形階梯式光柵表面后，起到如下作用1)增大表面積，使得接收到的光盡可能的多；2)使得光在結構內部形成多重反射、衍射和吸收；3)凹形階梯式光柵的輻射特性由多個槽深不等的簡單光柵的輻射特性相疊加而得到，能夠更加有效的利本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種調控硅表面太陽能吸收率的方法，其特征在于，該方法是硅表面采用周期性凹形階梯式亞波長光柵結構。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：程強，盧佳，李萍萍，周懷春，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：