CN101673775A - 基于纳米结构的宽光谱分光器及其制法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米结构的宽光谱分光器及其制法与用途，通过在对透射光透明的衬底材料上形成光子晶体，且设计该光子晶体的禁带和介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低频段的入射光，从而将宽光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光。通过调整光子晶体的晶格常数，可以方便设置其禁带频域，提高宽光谱太阳光在反射频段和透射频段分光的灵活性；而通过调整光子晶体的周期数和刻蚀深度，也可提高分光器反射与透射的分界线陡峭程度，降低分光的反射率对方向和偏振的敏感程度，使该基于纳米结构的宽光谱分光器的分光效率得以大幅提升，进而提高太阳能电池系统的整体转化效率。此外还具有生产成品率高、成本低廉的特效。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能系统装置，尤其涉及一种针对入射光进行宽光谱、多频段分光的装置、制法及其用途，属于微纳光子学领域。
背景技术
能源问题是21世纪世界各国所面临的最大挑战之一。太阳能高效发电技术作为支撑国民经济、可持续发展的前瞻性、战略性新能源技术早已成为各国长期科学技术发展规划中的重点支持和优先发展方向。而制约太阳能电池大规模应用的主要瓶颈是提高效率和降低成本。基于太阳光在空间上和频谱上的分散性，聚光多结电池系统便成为实现高性价比太阳能电池的主要方式。
迄今为止，串联多结电池获得了高达40.8％的转换效率。尽管从理论上来说，进一步增加半导体材料的吸收结数，可以获得更高的转换效率，但是事实上，一方面串联多结电池的输出电流受限于串联各结中输出的最小电流，另一方面，鉴于太阳能电池各结的吸收层较厚(大于1μm)，为了保证电池的质量，串联各结电池材料不能有大的失配。此外，多结串联电池之间还必须有隧道结，所有这些因素都限制了串联多结电池获得更高的效率。因此，为了进一步提高电池的转换效率，以美国特拉华大学为首的研究小组提出并采用二向色镜分光系统配合合适能带结构的电池，并获得了42.8％的电池转换效率。该方案将不同频谱的光利用二向色镜的反射和透射从空间上区分开来，从而避免了串联各结电池中电流匹配和不同能带材料晶格匹配的要求，允许各种能带半导体可以充分吸收相应的太阳光，获得更高的光电转换效率。对于该聚光分光型太阳能电池系统，其性价比很大程度上取决于聚光分光的效率。因此，高效分光是获得高性价比太阳能电池系统的必要条件。
目前报道的分光方法包括二向色镜分光和棱镜分光两种。对于棱镜分光，频谱光线分光对入射方向非常敏感，因此必须配之以高度跟踪系统才能适用，因此不太适合太阳能电池系统的分光使用。而二向色镜分光是利用对太阳光尽量透明的材料蒸镀光学膜形成，对一定波段太阳光反射而对另一部分太阳光透射，尽管该种方案可以获得大于90％的反射和透射效果，但是存在明显的缺点：①反射和透射的波段渐变区域很宽，达到几十纳米；②对入射角敏感，随着入射光倾斜其反射光的频段变得越来越窄；③偏振敏感，不同偏振的光其反射和透射的频域不同；④反射和透射难以二者兼顾。因此，进一步提高分光效率实际上非常困难，而对于聚焦后的太阳光而言，必然存在一定的入射角范围，而且光子的偏振状态是随机的。
此外，从分光器制备角度而言，大多采用在透明的分光器材料上镀多层介质膜，为了提高分光器的分光效率，即在宽光谱范围内获得高的透过率和高的反射率以及窄的过渡波段，需要设计镀多层介质膜，且可选的介质膜材料也变得条件苛刻，使得镀膜成本和分光器成本直线上升，从而极大地增加了太阳能电池系统的成本。而且，尽管镀多层介质膜可以看做是在分光器材料表面形成一维光子晶体结构，但是难以在太阳光谱范围内灵活调控光子晶体的禁带宽度。例如，对于从400nm-1800nm的太阳光谱，如果禁带宽度选在800nm-1200nm，且若在400nm-800nm是透射，那么在半频段1200nm-1600nm必然是反射。因此，采用该种方式从原理上来说就不能实现中频段反射光，而高频段和低频段透射光。
再者，从通过镀膜来实现分光的方法而言，多层不同介质(至少两种介质)镀在分光器表面，还存在着不同材料热膨胀系数、机械弹性模量和抗腐蚀性等多种物理、化学性质差异，这些都给分光器长期稳定工作带来隐患。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于纳米结构的宽光谱分光器及其制法与用途，以解决现有技术对太阳光分光效率的瓶颈限制，以及由该瓶颈主导局限的太阳能电池转换率低下的问题。
本发明目的得以实现的结构性技术方案是：
基于纳米结构的宽光谱分光器，用于将宽光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光，其特征在于：所述分光器包括衬底材料以及生成在所述衬底材料上纳米结构的光子晶体，其中所述衬底材料对于所要分光透射的波段透明，且所述光子晶体包括禁带和介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低频段的入射光。
进一步地，所述光子晶体的禁带设置在分光频谱的高频段，介质带落在中、低频段；或将禁带设置在中频段，介质带落在高频段及低频段；又或将禁带设置在低频段，而介质带相应落入中、高频段内。
更进一步地，所述光子晶体在其介质带选择性地设有缺陷腔，用于中、低频段的分光。
进一步地，所述衬底材料为玻璃、树脂或其他透明的固态衬底。
为实现上述目的，本发明还提出了一种基于纳米结构的宽光谱分光器制法，其特征步骤包括：
I.选择对所要分光频谱透明的衬底材料；
II.根据所要分光的反射光波段和透射光波段范围设置对应的光子晶体禁带和介质带；
III.在任意衬底上生成所需的纳米结构图形掩膜；
V.利用纳米结构图形掩膜，通过蚀刻将该纳米结构的光子晶体转移至分光器的衬底材料上。
进一步地，步骤III中所述结构图形掩膜的生成方法是在任意衬底上沉积介质膜或金属膜，通过电子束曝光扫描、激光干涉光刻、纳米压印、深紫外光刻，或者自组装技术之一的手段形成纳米结构图形，然后利用带胶剥离或刻蚀将纳米结构的二、三维光子晶体图形转移到金属膜或介质膜上。或者是采用包括S-K生长方式外延、化学合成方式和基于DNA之一的自组装工艺。
作为本发明目的实现的体现，该基于纳米结构的宽光谱分光器的用途是：一种太阳能电池系统，包括上述基于纳米结构的宽光谱分光器和对应于不同波段分光吸收的电池。其中，所述电池包括匹配各频段分光的单结电池、多结电池及串联形成的复合电池。
应用本发明设计的宽光谱分光器，其有益效果在于：
通过调整光子晶体的晶格常数，可以方便设置其禁带频域，提高宽光谱太阳光在反射频段和透射频段分光的灵活性；而通过调整光子晶体的周期数和刻蚀深度，也可提高分光器反射与透射的分界线陡峭程度，降低分光的反射率对方向和偏振的敏感程度，使该基于纳米结构的宽光谱分光器的分光效率得以大幅提升，进而提高太阳能电池系统的整体转化效率。此外，采用单一材料体系的纳米结构及成熟制法的分光器，具有成品率较高、成本低廉的特殊效果。
附图说明
图1是本发明反射高频段并透射中、低频段的分光器电池系统示意图；
图2是本发明反射高频段、并进一步分光透射中频段和低频段的分光器电池系统示意图；
图3a是本发明反射中频段并透射高、低频段的分光器电池系统示意图；
图3b是图3a所示分光器的分光透射曲线图；
图4是本发明反射低频段并透射中、高频段的分光器电池系统示意图。
具体实施方式
为进一步说明本发明的创作核心特征及特殊效果，以下结合附图对本发明基于纳米结构的宽光谱分光器的若干实施形式及其制法与用途进行详细而非限制地说明。
鉴于太阳能电池转换效率提升的主要瓶颈之一体现在对宽光谱分光效率的高低。为此本发明设计并提出了一种基于纳米结构的宽光谱分光器，用于将宽光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光，以进一步提高单结电池或多结电池对太阳入射光的吸收能效。该宽光谱分光器的结构特征包括对所要分光透射波段透明的衬底材料及生成在该衬底材料上的二维或三维光子晶体，且该光子晶体分别具有禁带及介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低频段的入射光。其中，作为该宽光谱分光器的衬底材料可以是玻璃，也可以是树脂或其他透明的固态材料，只要对所要分光波段透明，特别要求对于透射光波段透明，以期减少对透射光的吸收。
同时，上述结构的宽光谱分光器，不仅分光效率得以提升、灵活可控，而且其制造方法也相对简练、易实现。其主要步骤为：首先选择对所要分光频谱透明的衬底材料；然后根据所要分光的反射光波段和透射光波段范围设置对应的二维或三维光子晶体禁带；接着在任意衬底上生成所需的光子晶体结构图形掩膜；最后利用结构图形掩膜，将光子晶体刻蚀转移至分光器的衬底材料上。
上述生成光子晶体结构图形的步骤方法具有多样选择性，可以是至上而下的半导体工艺：即在任意衬底材料上沉积一定厚度的介质膜和金属膜，利用电子束曝光扫描、激光干涉光刻、纳米压印、深紫外光刻，或自组装技术等手段形成光子晶体的结构图形，并通过金属膜刻蚀或带胶剥离等方式转移到金属膜上，然后利用介质膜刻蚀手段(干法刻蚀或湿法刻蚀)将相应图形转移到介质膜上。也可以是自下而上的合成工艺：采用包括S-K生长方式外延、化学合成方式、基于DNA等自组装工艺中任意之一形成所需的结构图形掩膜。这里对于图形生成设备没有严格要求，只要能满足所需图形生成条件即可。
而且利用上述结构图形掩膜，将光子晶体刻蚀转移至衬底材料上的步骤方法可以包括：以介质和金属为掩膜的一次转移，也可以包括以金属为掩膜一次转移到介质上，然后再二次转移到真正的分光器衬底材料上。这里用于转移的设备不限，可以是反应离子刻蚀，可以是ECR或者感应离子耦合刻蚀设备以及其他用于精细刻蚀分光器材料和相应的硬质掩膜材料的设备。转移所用工艺配方没有限制，只要能将掩模图形在误差允许范围内准确地转移到衬底材料上即可。
作为本发明的拓展性应用，一种太阳能电池系统，其由基于纳米结构光子晶体的宽光谱分光器和对应于不同波段分光吸收的电池所构成。该类电池包括匹配各频段分光具有高吸收率的单结电池、多结电池及串联形成的复合电池。以下结合附图，针对不同分光器光子晶体禁带设置的太阳能电池系统，来进一步说明该宽光谱分光器的工作过程及特殊效果。其中所提各类型太阳能电池仅作为示例提出，而非以此限定其多样选择性。
如图1所示，是反射高频段并透射中低频段的分光器电池系统示意图。其中，分光器的光子晶体调整的设置情况是禁带落在分光频谱的高频段，而将中、低频段对应介质带及空气带。经聚光后的宽光谱太阳入射光1照射到分光器2上。在光子晶体的分光作用下的高频段分光11被反射，选用单(多)结电池31(如InGaN电池等)对高频段光谱进行高效吸收，获得较高的开路电压；而中、低频段光12、13则直接从分光器2透射，配之以如基于GaAs衬底的InGaP/(In)GaAs/Ge的多结电池32将其吸收，可获得较高的短路电流。这里，特别要求该分光器介质材料衬底对中低频波段透明。
如图2所示，是反射高频段、并进一步分光透射中频段和低频段的分光器电池系统示意图。其中禁带调整的禁带范围与图1相同，但在光子晶体中进一步引入了缺陷腔21。在光子晶体中形成中频段的缺陷腔波导，且设计该波导输出位置与低频光输出位置保持适当距离。通过缺陷腔21导引中频光，而低频光13处于介质带内，直接透射通过光子晶体，由此实现了高、中、低频光的高效分光。并分别配之以可吸收各频分光的单(多)结电池。例如，如果高频段选择2.4eV的InGaN电池31，中频段选择InGaP/GaAs电池341，而低频段选择Ge电池或者InGaAsP/InGaAs电池33，那么分光器衬底材料尽量选择对小于2.4eV的光透明材料，二维光子晶体的禁带范围设计成大于1.4eV，同时，进一步引入缺陷腔，其缺陷腔允许通过的频谱范围为1.4eV-2.4eV，从而设计出带有缺陷腔的二维光子晶体分光器。
如图3a所示，是反射中频段并透射高低频段的分光器电池系统示意图。其中，该分光器的光子晶体调整的设置情况是禁带落在分光频谱的中频段，而将高、低频段对应介质带及空气带。经宽光谱入射光1照射到分光器2上。在光子晶体的分光作用下的中频段分光12被反射，选用较为成熟的Si电池342对1.1eV-1.4eV的中频段光谱进行高效吸收，而选用三结级联的InGaP/(In)GaAs/Ge电池35对透射的高低频段光谱进行吸收。如图3b所示的分光器的分光透射曲线图可见，大于1.8eV和1.4eV-1.8eV的高频光11分别被InGaP和(In)GaAs吸收转换，而0.67eV-1.1eV的低频光13被Ge电池吸收，从而使得该典型的InGaP/(In)GaAs/Ge三结电池35在晶格与电流上均得以匹配，避免了Ge电池由于生成过多的电流却不能输出导致的热化对电池整体的破坏，同时通过独立的Si电池342吸收，增加系统的光电转换效率。
如图4所示，是反射低频段并透射中高频段的分光器电池系统示意图。基于太阳光谱在高频段的光子数较少，目前高频段很难找到吸收相对应的高晶体质量半导体，且用于反射低频光的二维光子晶体较容易制备。因此，反射低频段，透射高频段成为太阳能电池分光方式的一种明智选择。针对该种考虑，将光子晶体的禁带设计在低频段，相对于以上各种结构其光子晶体的晶格常数较大，因此光子晶体损耗小。低频段配之以独立的Ge电池或者InGaAs/InGaAsP电池33，而中高频段配之以InGaP/GaAs电池36，二者都比较成熟且晶格匹配，容易获得高的转换效率。
通过上述分光器结构及分光方式可控的介绍，显见该基于纳米结构的宽光谱分光器具有多方面有机结合的技术效果，其所达到的合并效果便是提高宽光谱太阳光的分光效率，并进一步提升整个太阳能电池系统的转化效率。具体地：
①可在宽光谱范围内分光，将反射频域设计在光子晶体的禁带，其他频域的光子无疑将落在介质带或者空气带内，都将透射通过光子晶体；②反射率对方向和偏振不敏感，可以实现任何偏振光在宽角度范围内获得高的反射率；③反射区和透射区分界线陡峭，调整光子晶体的周期数和光子晶体的刻蚀深度，可以让二者的过渡变得很陡；④灵活设计反射频段和透射频段，通过调整光子晶体的晶格常数，可以方便地设计光子晶体的禁带频域；⑤利用光子晶体的缺陷腔导引可实现透射光谱的进一步分光，提高分光效率和材料的利用率，简化系统。
此外，利用单一材料体系，如果再结合大面积亚微米图形生成方法，该分光器将还具备制备成品率较高、制造成本低廉的优点。
综上所述，是对本发明基于纳米结构的宽光谱分光器从结构特征、制备方法、到用途的详细介绍。旨在加深对本发明设计核心及有益效果的理解。并非以此限制其多样性的实施方式及申请保护范围，但凡对于上述实施例进行的简单结构修改及等效替换，能够实现与本发明相同的创作目的的技术方案，均应归入本专利请求保护的范围之内。
Claims (9)
1.基于纳米结构的宽光谱分光器，用于将宽光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光，其特征在于：所述分光器包括衬底材料以及生成在所述衬底材料上纳米结构的光子晶体，其中所述衬底材料对于所要分光透射的波段透明，且所述光子晶体包括禁带和介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低频段的入射光。
2.根据权利要求1所述的基于纳米结构的宽光谱分光器，其特征在于：所述光子晶体的禁带设置在分光频谱的高频段，介质带落在中、低频段；或将禁带设置在中频段，介质带落在高频段及低频段；又或将禁带设置在低频段，而介质带相应落入中、高频段内。
3.根据权利要求2所述的基于纳米结构的宽光谱分光器，其特征在于：所述光子晶体在其介质带选择性地设有缺陷腔，用于中、低频段的分光。
4.根据权利要求1所述的基于纳米结构的宽光谱分光器，其特征在于：所述衬底材料为玻璃、树脂或其他透明的固态材料。
5.基于纳米结构的宽光谱分光器制法，其特征步骤包括：
I.选择对所要分光频谱透明的衬底材料；
II.根据所要分光的反射光波段和透射光波段范围设置对应的光子晶体禁带和介质带；
III.在任意衬底上生成所需的纳米结构图形掩膜；
V.利用纳米结构图形掩膜，通过蚀刻将该纳米结构的光子晶体转移至分光器的衬底材料上。
6.根据权利要求5所述的基于纳米结构的宽光谱分光器制法，其特征在于：所述纳米结构图形掩膜的生成方法是在任意衬底上沉积介质膜或金属膜，再利用电子束曝光扫描、激光干涉光刻、纳米压印、深紫外光刻，或者自组装之一的手段形成纳米结构图形，然后利用带胶剥离或刻蚀将纳米结构图形转移到金属膜或介质膜上。
7.根据权利要求5所述的基于纳米结构的宽光谱分光器制法，其特征在于：所述纳米结构图形掩膜的生成方法包括S-K生长方式外延、化学合成方式和基于DNA之一的自组装工艺。
8.权利要求1所述的基于纳米结构的宽光谱分光器的用途，其特征在于：将该宽光谱分光器应用于太阳能电池系统，所述太阳能电池系统还包括对应于不同波段分光吸收的电池。
9.根据权利要求8所述的基于纳米结构的宽光谱分光器的用途，其特征在于：所述电池包括匹配各频段分光的单结电池、多结电池及串联形成的复合电池。
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