一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)及其應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)及其應用，其中該復合結(jié)構(gòu)包括光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列，光柵結(jié)構(gòu)包括多個周期性并列排列的長方體，相鄰的兩個長方體之間的間距保持固定；納米線陣列為多個周期性排列的圓柱體，這些圓柱體均位于光柵結(jié)構(gòu)的長方體的頂面上；位于同一長方體頂面上的相鄰兩個圓柱體的中心軸線之間距離保持固定。本發(fā)明通過對復合結(jié)構(gòu)的關鍵形狀參數(shù)等進行改進，能夠提高硅太陽能電池的光吸收率，并且降低制備成本，提高復合結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；此外，通過調(diào)節(jié)該復合結(jié)構(gòu)內(nèi)部光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列的排列組成方式，能夠調(diào)控硅太陽能電池表面的光吸收率，減小由于光波段不同造成的光吸收率的波動。
【專利說明】
一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)及其應用
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池減反系統(tǒng)設計技術(shù)領域，更具體地，涉及一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)及其應用，該復合結(jié)構(gòu)適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，尤其是硅太陽能電池，可以提高太陽能電池對光的吸收率，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池是一種可以將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，隨著能源危機及環(huán)境問題的凸顯，光伏發(fā)電技術(shù)變得越來越重要。太陽能電池的應用可以追溯到20世紀50年代，國內(nèi)外許多學者對其進行了研究。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，太陽能電池的類型已經(jīng)有很多，且其吸收率及轉(zhuǎn)換率也有了較大的提高。提高轉(zhuǎn)換率是太陽能電池的技術(shù)關鍵，為了增大轉(zhuǎn)換率，我們可以提高太陽能電池對光的吸收率。隨著微納米技術(shù)的發(fā)展及應用，其提高光的吸收率的作用也越來越明顯。
[0003]硅太陽能電池的成本較低，且易于加工，因此，在實際應用中太陽能電池大量采用硅材料。為了提高太陽能電池的吸收率，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)研究了許多微納米結(jié)構(gòu)，并將其應用于太陽能電池的表面。光柵和納米線是太陽能電池中最常用的兩種表面結(jié)構(gòu)，并且研究人員已對其性質(zhì)做了大量的研究。
[0004]現(xiàn)在的光柵結(jié)構(gòu)和納米線結(jié)構(gòu)主要存在兩大問題。一、簡單光柵的吸收率較小，且吸收率隨波長的變化具有較大的波動;二、為了保證高吸收率，納米線結(jié)構(gòu)的軸向長度必須很長，一般都是微米級別，這使得成本提高，且結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明的目的在于提供一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)及其應用，其中通過對構(gòu)成該復合結(jié)構(gòu)的關鍵形狀參數(shù)等進行改進，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決硅太陽能電池光吸收率不高的問題，并且該復合結(jié)構(gòu)能夠降低納米線結(jié)構(gòu)的制備成本，提高復合結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性;此外，通過調(diào)節(jié)該復合結(jié)構(gòu)內(nèi)部光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列的排列組成方式，能夠調(diào)控硅太陽能電池表面的光吸收率，減小由于光波段不同造成的光吸收率的波動。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，該復合結(jié)構(gòu)包括光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列，其中，
[0007]所述光柵結(jié)構(gòu)包括多個周期性并列排列的長方體，這些長方體均為相同形狀，并且均設置在硅材料表面上，每個所述長方體的底面均與該硅材料表面相接觸，相鄰的兩個所述長方體之間的間距保持固定；
[0008]所述納米線陣列為多個周期性排列的圓柱體，這些圓柱體均為相同形狀，并且均位于所述光柵結(jié)構(gòu)的長方體的頂面上，所述圓柱體的軸向方向均垂直于所述長方體的頂面;此外，位于任意一個所述長方體頂面上的所述圓柱體均為多個，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定，并且位于同一所述長方體頂面上的所述圓柱體的中心軸線在該長方體頂面上的投影均位于同一條直線上，該直線平行于該長方體的長度方向，且經(jīng)過該長方體頂面寬度邊長上的兩個中點。
[0009]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，任意取兩個所述長方體分別作為第一長方體和第二長方體，所述第一長方體以及在該第一長方體頂面上的所述圓柱體在該第一長方體頂面所在平面上的投影圖形與所述第二長方體、以及在該第二長方體頂面上的所述圓柱體在該第二長方體頂面所在平面上的投影圖形兩者相同。
[0010]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述納米線陣列中相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定。
[0011]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，任意一個所述長方體的寬度為190nm，高度為IlOnm;相鄰的兩個所述長方體之間的間距均為90nm。
[0012]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，任意一個所述圓柱體的直徑為120nm，高度為110nm。
[0013]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離均為280nmo
[0014]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，與所述光柵結(jié)構(gòu)的長方體的底面相接觸的所述硅材料為本征單晶硅或摻雜單晶硅。
[0015]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述復合結(jié)構(gòu)采用本征單晶硅或摻雜單晶硅。
[0016]按照本發(fā)明的另一方面，提供了上述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)在硅太陽能電池表面作為光吸收面的應用。
[0017 ]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述娃太陽能電池為單晶娃太陽能電池。
[0018]通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用光柵結(jié)構(gòu)與納米線陣列結(jié)構(gòu)復合的復合結(jié)構(gòu)，可以調(diào)控太陽能電池表面(尤其是硅太陽能電池表面)的光吸收率，并且該復合結(jié)構(gòu)能夠減小由于光波段不同造成的光吸收率的波動;該復合結(jié)構(gòu)的整體厚度可以保持在較小尺寸，穩(wěn)定性好。本發(fā)明光柵結(jié)構(gòu)為一維光柵結(jié)構(gòu)(構(gòu)成該一維光柵結(jié)構(gòu)的多個并列排列的長方體中，相鄰的任意兩個長方體之間的間隙均平行于同一直線，并且，在任意一個長方體頂面上均設置有多個納米線結(jié)構(gòu)，即設置有多個圓柱體)，該光柵結(jié)構(gòu)中的長方體均為相同形狀，每個長方體的長度彼此相同，寬度彼此相同，高度彼此相同；納米線陣列結(jié)構(gòu)中的圓柱體也均為相同形狀，每個圓柱體的半徑彼此相同，高度(即納米線的長度)彼此相同。
[0019]本發(fā)明的光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)，在可見光及近紅外光譜范圍內(nèi)，能夠綜合單一光柵結(jié)構(gòu)和單一納米線結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，減少甚至消除單一光柵結(jié)構(gòu)和單一納米線結(jié)構(gòu)的不利點，能夠在可見光及近紅外光譜范圍增強光吸收率，并減少由于光波段不同造成的光吸收率的波動;光柵結(jié)構(gòu)中任意一個長方體的寬度為190nm，高度為11Onm，相鄰的兩個長方體之間的間距均為90nm ；納米線陣列結(jié)構(gòu)中，任意一個圓柱體的直徑為120nm，高度為11 Onm ；通過光柵結(jié)構(gòu)與納米線陣列結(jié)構(gòu)兩者形狀和位置的配合，有效了發(fā)揮了光柵結(jié)構(gòu)與納米線結(jié)構(gòu)各自的光吸收優(yōu)點。在可見光及近紅外光譜范圍內(nèi)，單一光柵結(jié)構(gòu)和納米線結(jié)構(gòu)具有不同的吸收特性，單一光柵結(jié)構(gòu)的吸收率隨波長的變化幅度較大，尤其是在可見光的短波區(qū)，并且光柵結(jié)構(gòu)受偏振波的影響較大。對于納米線結(jié)構(gòu)，單一納米線的長徑比越大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會越差。本發(fā)明中的光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)克服了單一光柵結(jié)構(gòu)和納米線結(jié)構(gòu)的缺點，在300?I10nm的光譜范圍內(nèi)，這種復合結(jié)構(gòu)的吸收率較為穩(wěn)定，波動幅度較小;復合結(jié)構(gòu)的高度為220nm(相應單一納米線的長度大大減小，在保證光吸收效果的前提下，也大大減小了納米線的制作成本)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也隨之變強。本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)，納米線陣列位于組成光柵結(jié)構(gòu)的長方體的上表面上(長方體的下表面與硅材料表面，如硅太陽能電池的表面接觸，長方體的高度方向均垂直該上表面和下表面)，納米線的中心軸線垂直于光柵結(jié)構(gòu)中長方體的頂面，納米線陣列的設計并不會對光柵結(jié)構(gòu)的光吸收造成負面影響，該復合結(jié)構(gòu)保持了納米線短波段高吸收率與光柵長波段高吸收率的優(yōu)勢，得到的復合結(jié)構(gòu)在300?11OOnm波段具有較高的吸收率。
[0020]本發(fā)明中的硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)可用于調(diào)控硅太陽能電池表面吸收率，通過調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列兩種結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)共同調(diào)控太陽能電池表面光吸收率的作用。本發(fā)明提出的周期性光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)，可以較為方便對太陽能電池表面的吸收率進行調(diào)控。本發(fā)明中的光柵結(jié)構(gòu)可以激發(fā)微腔效應，使光柵結(jié)構(gòu)在部分波段的吸收率增強;納米線則可以形成導模共振，使得納米線在部分波段的吸收率增強;這兩種結(jié)構(gòu)組合之后形成光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)，該復合結(jié)構(gòu)不但可以形成微腔效應，還可以形成導模共振，復合結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)更加多元化，表面也顯著增大，因而可以捕獲、吸收更多的光子，大大提高結(jié)構(gòu)的吸收率。使用該復合結(jié)構(gòu)，通過對微腔效應和導模共振等效應進行調(diào)控，硅表面對太陽輻射能量的總體吸收率可以達到最大，并且吸收率的波動幅度降到最小。本發(fā)明采用的周期性復合結(jié)構(gòu)，合理利用了光柵和納米線兩種結(jié)構(gòu)的輻射吸收特性，優(yōu)化了太陽能電池表面的整體吸收率。
[0021 ]本發(fā)明中的光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)，均可采用與硅太陽能電池相似的硅材料，如單晶硅、多晶硅，也可以是N型摻雜硅或P型摻雜硅，該光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的硅太陽能電池配合使用時，可以明顯提高光學吸收率。本發(fā)明綜合利用光柵的微腔效應和納米線的導模共振，發(fā)揮光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列各自的優(yōu)勢，最大程度的提高該復合結(jié)構(gòu)的光吸收率。另一方面，本發(fā)明中復合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)對該復合結(jié)構(gòu)的最優(yōu)光吸收率具有重要作用，本發(fā)明中光柵結(jié)構(gòu)中長方體的寬度為190nm、高度為llOnm，相鄰的兩個長方體之間的間距均為90nm(也就是說該光柵結(jié)構(gòu)的周期可以為280nm);納米線陣列中圓柱體的直徑為120nm、高度為IlOnm(由于納米線陣列均設置在光柵結(jié)構(gòu)長方體頂面的中心線上，納米線陣列的周期可以為280nm或280nm的倍數(shù))。通過采用上述形狀參數(shù)，可以使光柵具有較強的微腔效應，并使納米線具有較強的導模共振，使該復合結(jié)構(gòu)整體達到最優(yōu)的光吸收率。
[0022]總體而言，本發(fā)明中用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，具有以下有益效果:
[0023](I)復合結(jié)構(gòu)對光子的吸附表面積增大，更多的光子可以被結(jié)構(gòu)捕獲；
[0024](2)復合結(jié)構(gòu)的表面更加復雜，光子在結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以進行更強的多次反射、衍射和吸收；
[0025](3)復合結(jié)構(gòu)是由光柵和納米線兩種結(jié)構(gòu)組成，可以形成多種效應，增強了其對太陽光的吸收性能；
[0026](4)復合結(jié)構(gòu)的高度為220nm，納米線陣列內(nèi)的單一納米線(即對應一個圓柱體)的軸向長度則更小，因此該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2A是TM波下的復合結(jié)構(gòu)、光柵和納米線各自的吸收率曲線，圖2B是TE波下的復合結(jié)構(gòu)、光柵和納米線各自的吸收率曲線；
[0029]圖3A是本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)在不同納米線直徑下的TM波吸收率曲線，圖3B是本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)在不同納米線長度下的TM波吸收率曲線；
[0030]圖4A是本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)在不同入射角下的TM波吸收率曲線，圖4B是本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)在不同入射角下的TE波吸收率曲線；
[0031]圖5A是本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)在不同摻雜濃度下的TM波吸收率曲線，圖5B是本發(fā)明中的復合結(jié)構(gòu)在不同摻雜濃度下的TE波吸收率曲線。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明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發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明中的光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)設置在硅基底上，該硅基底在Z方向可視為半無限厚(當該硅基底為單晶硅時，該Z方向可以平行于硅單晶晶胞的c軸方向)，基底上均勻排列著周期性的一維光柵，光柵的每個脊背(即對應長方體結(jié)構(gòu))上均勻排列著一排納米線，納米線的截面中心與脊背的中心線重合，光柵間隙與納米線間隙的介質(zhì)均為空氣。光柵在X方向的周期為Λ，脊背寬為W，高度為h。納米線在X和Y方向的周期均為Λ，高度為L，直徑為d。光柵的填充率Sf1=W/Λ。納米線結(jié)構(gòu)的填充率為f2 = Jid2/(4 Λ2)。
[0034]在地面上接收到的太陽光譜范圍為0.3?4μπι，本征硅的禁帶寬度為1.12eV，光子能量大于本征硅的禁帶寬度時光子才可以被吸收。因此，為了簡化起見，我們近似選取300?IlOOnm波段作為太陽能電池的調(diào)控波段(波長IlOOnm即對應1.12eV的臨界激發(fā)光子能量)。
[0035]下面將對圖1所示的光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)，給出解釋。
[0036]簡單光柵可以激發(fā)微腔效應，使光柵結(jié)構(gòu)在部分波段的吸收率增強；納米線可以形成導模共振，使得納米線在部分波段的吸收率增強。兩種結(jié)構(gòu)組合之后形成光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)，復合結(jié)構(gòu)不但可以形成微腔效應，還可以形成導模共振，復合結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)更加多元化，表面也顯著增大，因而可以捕獲、吸收更多的光子，大大提高結(jié)構(gòu)的吸收率。
[0037]對于光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，為了簡化起見，在接下來的所有分析中，我們將幾個參數(shù)固定。即，Λ =280nm，W=190nm，h = 110nm。
[0038]為了形象地說明復合結(jié)構(gòu)具有較強的吸收率，我們將光柵結(jié)構(gòu)、納米線結(jié)構(gòu)和復合結(jié)構(gòu)的吸收率進行了比較，如圖2A、圖2B所示。硅平板的吸收率僅作參考。復合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為，d = 120nm，L = llOnm。對于一維光柵結(jié)構(gòu)，周期、脊背寬度和槽深分別為280nm、190nm、llOnm。對于納米線結(jié)構(gòu)，周期、直徑和長度分別是280nm、120nm、llOnm。復合結(jié)構(gòu)的吸收率總體上高于光柵和納米線的吸收率。TM波時，復合結(jié)構(gòu)的總體吸收率明顯大于光柵結(jié)構(gòu)和納米線結(jié)構(gòu)，并且其吸收率在整個波段內(nèi)波動幅度不大，尤其是波長大于600nm時，其吸收率幾乎不隨波長變化。在300?400nm波段，納米線的吸收率明顯大于光柵的吸收率，即納米線對復合結(jié)構(gòu)的吸收率具有較大的貢獻。在600?IlOOnm波段，光柵的吸收率明顯大于納米線的吸收率，即光柵對復合結(jié)構(gòu)的吸收率具有較大的貢獻。將短波段高吸收率的納米線與長波段高吸收率的光柵組合，得到的復合結(jié)構(gòu)在300?IlOOnm波段具有較高的吸收率。而且在400nm處，光柵、納米線和復合結(jié)構(gòu)均有吸收率峰值。TE波時，復合結(jié)構(gòu)與納米線在整個波段的吸收率具有相同的趨勢，但是復合結(jié)構(gòu)的吸收率略大于納米線的吸收率。在整個波段，光柵對復合結(jié)構(gòu)吸收率的貢獻明顯小于納米線，這是因為一維光柵對TE波比較敏感。因此，復合結(jié)構(gòu)在TE波下的吸收率主要源于納米線對光子的吸收。
[0039]為了比較復合結(jié)構(gòu)納米線部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸收率的影響，我們計算了不同直徑d和長度L下復合結(jié)構(gòu)的TM波吸收率，如圖3A和圖3B所示；圖3A和圖3B很好的說明了我們所選取的復合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有較高的吸收率，是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖3A表示了納米線直徑對復合結(jié)構(gòu)吸收率的影響，其中直徑L= 110醒，長度(1分別為6011111、8011111、120nm和160nmo在300?400nm和660?I 10nm波段，復合結(jié)構(gòu)的吸收率隨著直徑的增大而增大，導模共振的增強及納米線由于側(cè)面積的增大而吸收了更多的光子這兩種因素共同提高了吸收率。隨著直徑的增大，400nm處的峰值明顯朝短波方向移動，這是因為納米線控制了這一波長附近的吸收率，且導模共振的激發(fā)條件改變了。470nm處的吸收率峰值增加的幅度較小，且峰值朝長波段方向輕微移動，雖然光柵在此處激發(fā)了較強的的微腔效應，但是微腔效應幾乎不隨納米線直徑的變化而變化。在600?I 10nm波段，復合結(jié)構(gòu)的吸收率隨直徑的增大而增大，但是曲線的趨勢保持不變，這是因為納米線在這一波段提高了吸收率，但是光柵對吸收率的貢獻較大。隨著直徑的增大，復合結(jié)構(gòu)的吸收率分別是0.936,0.943,0.955，和0.951。在d=120nm時，復合結(jié)構(gòu)在整個波段的平均吸收率達到0.955，這源于導模共振，導模共振取決于波導層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，直徑的增大會強化導模共振。圖3B表示了納米線長度對復合結(jié)構(gòu)吸收率的影響，其中，直徑d = 120nm，長度L分別為40nm、7Onm、11Onm和140nm。在大多數(shù)波長處，由于側(cè)面積的增大，復合結(jié)構(gòu)的吸收率隨長度的增大而增大。4 O O nm波長處的峰值也隨納米線長度的增大而增大，并且沒有明顯的峰值位移。波導層變厚，增強了導模共振，但是導模層的厚度對導模共振的激發(fā)條件影響不大。470nm處的峰值保持不變，因為變化的納米線長度對光柵的微腔效應影響很小，盡管微腔效應控制著這一波長處的吸收率強化。在800?IlOOnm波段，不同長度L下的復合結(jié)構(gòu)吸收率的趨勢是相似的，這是因為光柵控制著這一波段的吸收率，且納米線層增厚會提高光子的吸收率。隨著納米線長度的增加，復合結(jié)構(gòu)的吸收率分別為0.931，0.953，0.955，0.940。納米線長度L= I 1nm時，由于光柵和納米線在整個波段的共同作用，復合結(jié)構(gòu)的吸收率最高。對于TE波，復合結(jié)構(gòu)的吸收率隨著納米線的直徑和長度的增大而增大，但是TE波的吸收率比TM要小。
[0040]圖4A和圖4B分別是復合結(jié)構(gòu)在TM波和TE波下不同入射角時的光譜吸收率圖，其中，直徑d= 120nm，長度L= 110nm。在TM波下斜入射時，復合結(jié)構(gòu)的吸收率在短波段較小，在長波段較大。400nm處的峰值減小但是位置不變。470nm處的峰值減小，并且峰值隨著入射角的增大而移向長波段。這是由減弱的微腔效應和納米線的影響造成的。斜入射時在670nm處，光與光柵的耦合效應變強。結(jié)果表明，TM波下的入射角對復合結(jié)構(gòu)吸收率的影響較大。在TE波下斜入射時，大多數(shù)波段的復合結(jié)構(gòu)吸收率隨著入射角的增大而減小。在400?I 10nm波段，入射角小于15°時，入射角對吸收率的影響很小。入射角小于30°時，入射角對580nm處的吸收率峰值的影響較小。因此，TE波下吸收率對入射角不敏感。隨著入射角的減小，吸收率峰值減小且略微向長波段移動，這是因為納米線控制著TE波下的吸收率強化，并且納米線對入射角不敏感。
[0041]硅材料中具有雜質(zhì)時，材料的物理性質(zhì)會發(fā)生變化，例如，與本征硅相比，摻雜有η型雜質(zhì)的摻雜硅的禁帶會變小。因此，為了提高具有復合結(jié)構(gòu)表面的太陽能電池的轉(zhuǎn)換率，我們計算復合結(jié)構(gòu)在不同摻雜硅濃度下的光譜吸收率，如圖5Α和圖5Β所示，其中，摻雜濃度分別為6.5 X 11W，6.0 X 118Cnf3，和1.5 X 102Qcm—3，摻雜元素均為磷元素。摻雜硅濃度對復合結(jié)構(gòu)的吸收率幾乎沒有影響，這是因為在300?IlOOnm波段，摻雜濃度對摻雜硅的電介質(zhì)函數(shù)幾乎沒有影響。
[0042]綜上所述，本發(fā)明由一維娃光柵和娃納米線組合而成光柵-納米線復合結(jié)構(gòu)的福射特性可以適應太陽能電池吸收表面的要求，尤其是小入射角時，其轉(zhuǎn)換率較高；另外，該復合結(jié)構(gòu)還在TM波吸收方面具有較高的吸收率。本發(fā)明采用光柵和納米線兩種結(jié)構(gòu)的共同作用對復合結(jié)構(gòu)的光吸收率進行調(diào)控;使用該復合結(jié)構(gòu)，通過對微腔效應和導模共振等效應進行調(diào)控，可以使硅表面對太陽光輻射能量的總體吸收率達到最大，并且將不同波段的光的吸收率的波動幅度降到最小。本發(fā)明采用的周期性復合結(jié)構(gòu)，合理利用了光柵和納米線兩種結(jié)構(gòu)的輻射吸收特性，可以優(yōu)化太陽能電池表面的整體吸收率。
[0043]本領域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，該復合結(jié)構(gòu)包括光柵結(jié)構(gòu)和納米線陣列，其中， 所述光柵結(jié)構(gòu)包括多個周期性并列排列的長方體，這些長方體均為相同形狀，并且均設置在硅材料表面上，每個所述長方體的底面均與該硅材料表面相接觸，相鄰的兩個所述長方體之間的間距保持固定； 所述納米線陣列為多個周期性排列的圓柱體，這些圓柱體均為相同形狀，并且均位于所述光柵結(jié)構(gòu)的長方體的頂面上，所述圓柱體的軸向方向均垂直于所述長方體的頂面;此夕卜，位于任意一個所述長方體頂面上的所述圓柱體均為多個，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定，并且位于同一所述長方體頂面上的所述圓柱體的中心軸線在該長方體頂面上的投影均位于同一條直線上，該直線平行于該長方體的長度方向，且經(jīng)過該長方體頂面寬度邊長上的兩個中點。2.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，任意取兩個所述長方體分別作為第一長方體和第二長方體，所述第一長方體以及在該第一長方體頂面上的所述圓柱體在該第一長方體頂面所在平面上的投影圖形與所述第二長方體、以及在該第二長方體頂面上的所述圓柱體在該第二長方體頂面所在平面上的投影圖形兩者相同。3.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述納米線陣列中相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離保持固定。4.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，任意一個所述長方體的寬度為190nm，高度為IlOnm;優(yōu)選的，相鄰的兩個所述長方體之間的間距均為90nmo5.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，任意一個所述圓柱體的直徑為120nm，高度為I 1nm06.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，位于同一所述長方體頂面上的相鄰兩個所述圓柱體的中心軸線之間距離均為280nm。7.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，與所述光柵結(jié)構(gòu)的長方體的底面相接觸的所述硅材料為本征單晶硅或摻雜單晶硅。8.如權(quán)利要求1所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述復合結(jié)構(gòu)采用本征單晶硅或摻雜單晶硅。9.如權(quán)利要求1一 8任意一項所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)在硅太陽能電池表面作為光吸收面的應用。10.如權(quán)利要求9所述用于硅材料表面的復合結(jié)構(gòu)在硅太陽能電池表面作為光吸收面的應用，其特征在于，所述硅太陽能電池為單晶硅太陽能電池。
【文檔編號】H01L31/028GK105977316SQ201610301844
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】程強, 賈志浩, 宋金霖, 劉楊, 司夢婷
【申請人】華中科技大學