专利名称：一种调控硅表面太阳能吸收率的方法
一种调控硅表面太阳能吸收率的方法技术领域
本发明属于光伏电池表面减反系统设计技术，通过使用周期性凹形阶梯式亚波长光栅提高硅表面对太阳能的吸收效率，具体为一种调控硅表面太阳能吸收率的方法。
背景技术：
随着可再生能源、国防和航天等领域的发展，对热辐射传输的光谱性和方向性提出了更高的要求；即在研究辐射系统光谱辐射特性与传输规律的同时，还需要从微观角度入手，分析影响辐射传输的机理，进而实现热辐射的光谱和方向调控技术。经过多年来的探索研究，人们对于微结构表面的辐射特性已经有了一定程度的认识，并且利用这些研究成果开展了许多重要的应用。如，红外热像仪、太阳能电池中的波长选择性发射与吸收等。
在众多被研究的微结构表面中，一维光栅因其由单一材料构成以及能够使用光刻技术进行大规模生产而被广泛使用。研究结果表明简单光栅的波长选择性吸收具有方向敏感性，调控波段较窄；而组合光栅则具有方向不敏感性，调控波段较广，前期研究的组合光栅由多个不同脊背宽和槽宽的简单光栅组成。进一步研究发现槽深对于光栅的波长选择特性的影响也很大。本发明中所选用的阶梯式光栅即由槽深不相等的简单光栅组合而成，具有大波段调控的作用，适用于太阳能电池中进行增强吸收。发明内容
本发明的目的在于提供一种调控硅表面太阳能吸收率的方法，该方法可以比较方便的实现光谱辐射特性调控，能够提高硅表面对太阳辐射能量在300-1100nm范围内的总体吸收效率。
本发明提供的一种调控硅表面太阳能吸收率的方法，其特征在于，该方法是硅表面采用周期性凹形阶梯式亚波长光栅结构。
作为上述技术方案的改进，所述凹形阶梯式光栅结构由光栅单元阵列组成，每个光栅单元由至少二个光栅组成，各光栅的凹槽深度逐渐递减或者递增，光栅顶部保持水平。
作为上述技术方案的进一步改进，各光栅单元中，相邻二个光栅的凹槽深度之差基本相等。
作为上述技术方案的更进一步改进，在所述光栅结构中，f/Λ为O. 571至O. 714， f为光栅结构的脊背的宽度，Λ为光栅的周期长度。
本发明提出了人工制造周期性光栅，可以较为方便地实现光谱辐射特性调控。使用凹形阶梯式光栅，通过调整利用Wood异常和空腔谐振等效应进行调控，使得硅表面对太阳辐射能量的总体吸收效率达到最大。本发明采用周期性凹形阶梯式亚波长光栅，合理利用不同简单光栅的辐射吸收特性，优化表面整体吸收效率。使用凹形阶梯式光栅表面后，起到如下作用1)增大表面积，使得接收到的光尽可能的多；2)使得光在结构内部形成多重反射、衍射和吸收；3)凹形阶梯式光栅的辐射特性由多个简单光栅的辐射特性相叠加而得到，能够更加有效的利用各简单光栅引起的异常效应进行组合优化。
图I是现有的简单光栅结构示意图2是本发明所使用的凹形阶梯式光栅示意图；(a)为由二个简单光栅合成的光栅的结构示意图，(b)为由三个简单光栅合成的光栅的结构示意图3是硅材料水平表面、简单光栅结构及凹形阶梯式光栅结构的光谱吸收率对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图I所示为简单光栅结构，图中Λ为光栅的周期长度，f和g分别为光栅结构的脊背和凹槽的宽度，h为凹槽的深度。对于光栅结构，一个周期是由一个脊背f和一个凹槽 g合并组成的，所以其周期长度可以表示为A=f+g。
图2所示为本发明所采用的凹形阶梯式光栅结构，分别由用两个和三个阶梯组成，图中Λ为光栅的周期长度，4、4、&和81、&、&分别为光栅结构的脊背和凹槽的宽度， 4、h2和h3为凹槽的深度。采用光刻技术将硅材料表面加工成图2所示凹形阶梯式亚波长光栅结构，光栅结构由光栅单元阵列组成，图中所示为一个光栅单元，每个光栅单元由两个或者三个简单光栅组成，且这几个光栅的凹槽深度逐渐递减或者递增，光栅顶部保持水平， 形成凹形阶梯式光栅结构；光栅单元周期性出现形成一个阵列。
下面将对采用图2所示凹形阶梯式光栅结构，给出解释。
在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为O. 295-2. 5μπι。硅的禁带宽度为I. 12ev，其所能够吸收的太阳光谱范围为波长小于1107nm。因此，我们近似选取 300-1100nm作为调控波段，增强硅对于太阳辐射能量的吸收。
如图3所示，采用简单光栅，能激发空腔谐振效应，可以在部分波段形成辐射吸收增强；而使用凹形阶梯式光栅，每个简单光栅形成一个空腔，则可以激发多项空腔谐振效应，在更大的波段范围内增强辐射吸收，通过调整光栅的结构，可以使得吸收在整个波段内得到增强。另外，内凹的形状能够将太阳辐射更好的束缚在内部，在结构内部形成多重反射、衍射和吸收；阶梯式光栅必然包含简单光栅的情况(阶梯为O的时候)，因此其对辐射的吸收好于简单光栅。所以，我们选用凹形阶梯式光栅。
选用凹形阶梯式光栅需要确定众多参数，如等。为了选取最优化结构参数用于增强吸收，我们进行如下对比。
此处假设一个三阶梯组成的凹形阶梯式光栅，h^lOOnm, h2彡h3，另外为了减化制作工艺和成本，选取feffffd, g1=g2=g3=t,计算不同凹槽深度组合下的吸收率,得到吸收能量占入射能量的百分比(即总吸收率)。
表I为给定凹槽深度h组合时，最大总体吸收率对应的填充比i Λ。如表I所示， 最大的总体吸收率一般出现在槽深接近等差变化处，随着槽深的增加最大的总体吸收率对应的背脊和凹槽宽度也是增加的，在最优化光栅结构中，f/Λ —般大于O. 5，优选在O. 571至O. 714之间，此时能得到最大的总体吸收率。所以，我们选取f/Λ为O. 571至O. 714且槽深等差变化的凹形阶梯式光栅以获得较大的总体吸收率。
另外，计算表明凹形阶梯式光栅在斜入射60°以下仍然具有较好的宽光谱吸收特性，即其具有方向不敏感性。
综上所述，凹形阶梯式光栅在300_1100nm范围内具有高吸收率，且其具有方向不敏感性，能够满足在硅太阳能电池中的应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施范例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
表I
权利要求
1.一种调控硅表面太阳能吸收率的方法，其特征在于，该方法是硅表面采用周期性凹形阶梯式亚波长光栅结构。
2.根据权利要求I所述的调控硅表面太阳能吸收率的方法，其特征在于，所述凹形阶梯式光栅结构由光栅单元阵列组成，每个光栅单元由至少二个光栅组成，各光栅的凹槽深度逐渐递减或者递增，光栅顶部保持水平。
3.根据权利要求2所述的调控硅表面太阳能吸收率的方法，其特征在于，各光栅单元中，相邻二个光栅的凹槽深度之差基本相等。
4.根据权利要求1、2或3所述的调控硅表面太阳能吸收率的方法，其特征在于，在所述光栅结构中，f/A为0.571至0.714，f为光栅结构的脊背的宽度，A为光栅的周期长度。
全文摘要
本发明属于光伏电池表面减反系统设计技术，具体为一种调控硅表面太阳能吸收率的方法，该方法是通过硅表面采用周期性凹形阶梯式亚波长光栅结构以提高硅表面对太阳能的吸收效率。本发明采用凹形阶梯式周期性光栅，合理利用不同简单光栅的辐射吸收特性，优化表面整体吸收效率。使用凹形阶梯式光栅表面后，起到如下作用1)增大表面积，使得接收到的光尽可能的多；2)使得光在结构内部形成多重反射、衍射和吸收；3)凹形阶梯式光栅的辐射特性由多个槽深不等的简单光栅的辐射特性相叠加而得到，能够更加有效的利用各简单光栅引起的异常效应进行组合优化。
文档编号H01L31/0236GK102983180SQ20121021612
公开日2013年3月20日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者程强, 卢佳, 李萍萍, 周怀春 申请人:华中科技大学