CN102169921A - 一种增大光电材料有效感光面积的制备技术 - Google Patents

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徐佳
王作斌
翁占坤
宋正勋
胡贞
赵乐
袁安刚
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Abstract

增大光电材料或元件有效感光面积的制备技术的原理是：利用激光干涉光刻，通过对曝光光束数、光束偏振以及入射角的控制来得到不同周期和特征尺寸的微纳米级结构，并在该结构上利用半导体掺杂最终实现在单位面积内增大P-N节的实际有效面积。利用该技术和方法制造光电材料或元件，可以在单位面积上大幅度增大有效感光面积，从而提高光吸收率，结合微纳结构所具有的自清洁和减反射等特性使得其应用前景更加广泛，尤其是在太阳能电池领域，将大幅度提高转换效率。

Description

一种增大光电材料有效感光面积的制备技术
技术领域
本发明涉及一种增大光电材料或元件有效感光面积的制备技术，具体涉及一种制作高效、较大有效感光面积的P-N节结构的技术和方法，可应用于如太阳能电池加工等先进制造、新能源和新材料领域。
技术背景
增大光电材料或元件有效感光面积的制备技术的原理是：利用激光干涉光刻，通过对曝光光束数、光束偏振以及入射角的控制来得到不同周期和特征尺寸的微纳米级结构，并在该结构上利用半导体掺杂最终实现在单位尺寸内增大P-N节的实际有效感光面积。利用该技术和方法制造光电材料或元件，可以在单位尺寸上大幅度增加有效感光面积，从而提高光吸收率，结合微纳结构所具有的自清洁和减反射等特性使得其应用前景更加广泛，尤其是在太阳能电池领域，将大幅度提高转换效率。
在目前光电材料的制备尤其是太阳能电池的制备工艺上，主要以减少反射、增加光的辐照度和提高吸收效率为主要设计思路，相关技术的实现以及工艺要求都比较高，现在硅光电池可以达到的最大转换效率在24％左右，再提高零点几个百分点的难度已非常大，而且加工成本相对较高，限制了太阳能电池技术的发展。为弥补上述制备技术的不足，本发明公开了一种可以显著增大光电转换材料有效感光面积，提高光电转换效率、成本较低的在光电材料或元件上增大有效感光面积的制备技术。
关于在单位尺寸光电材料上增大有效感光面积的制备技术参考：
1.L F Johnson，G W Kammlott and K A Ingersoll，“Generation of periodic surfacecorrugations”，Applied Optics，vol.17，no.8，pp1165-1181，1978.
2.S R J Brueck，“Optical and interferometric lithography-nanotechnology enablers”，Proc.IEEE，vol.93，no.10，pp1704-1721，2005.
3.Z Wang，J Zhang，Z Ji，M Packianather，C S Peng，C Tan，Y K Verevkin，S M Olaizola，TBerthou and S Tisserand，“Laser interference nanolithography”，Proc.ICMEN，pp929-936，2008.
4.Patterning resolution enhancement combining interference lithography and self-aligneddouble patterning techniques，US Patent Application Publication，US2009/0246706A1，1October 2009.
5.Lithography system，US patent，US7612866B2，3November 2009.
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术和方法的不足，提出了一种可以显著增大光电转换材料或元件有效感光面积，提高光电转换效率，且成本较低的光电材料制备技术。
本发明的实现方法为：在激光干涉光刻系统中，通过控制光束数、偏振以及入射角，利用激光干涉光刻在样品表面光强能量的重新分布从而得到不同尺寸和不同结构的周期或准周期特征结构。并通过对该结构进行掺杂来获得单位尺寸内具有较大有效面积的P-N节。
本发明与现有技术相比的优点：
利用激光干涉光刻技术，使得两束或多束激光干涉产生的干涉图案阵列的能量分布与基质相互作用而在基质表面制造出微纳米结构，使得所得基质表面的特征尺寸、形状和周期可控，实现了在单位尺寸的基质上，有效地增大表面积的目的。并将该结构通过间隙掺杂或替位掺杂，制成具有微纳米表面结构的P-N节材料，此时材料的有效感光表面积大幅增加。在新材料和新能源领域，尤其在太阳能电池制备工艺上，将显著增大单位尺寸内太阳能电池的有效感光或吸光面积，提高其光电转换效率。激光干涉光刻相比其他光刻如电子束光刻和离子束光刻等，生产效率高，成本较低，可以实现大批量生产，具有非常好的工业生产前景。
附图说明
如图1所示为增大光电材料或元件有效感光面积的制备技术的原理图。
如图2所示为经原子力显微镜扫描得到的双光束单曝光干涉光刻的实际样品结构图及其三维图。
如图3所示为经原子力显微镜扫描得到的双光束双曝光干涉光刻的实际样品结构图及其三维图。
具体实施方式
如图所示，本发明采用在单位尺寸光电材料上增大有效感光面积的制备技术。首先通过激光干涉光刻系统中两束相干光1，在基质2材料表面进行干涉得到微纳米级周期性结构，将该结构经半导体掺杂处理3，从而得到在单位尺寸内具有较大表面积的微纳米周期P-N节材料4。
上述激光干涉曝光，既可以是两光束单曝光得到周期性光栅结构，也可以是双光束双曝光或多光束曝光得到三维柱状、球状或凹陷点阵列。微纳米结构的特征尺寸、周期以及图样可以通过控制干涉的偏振和入射角来调整。

Claims (10)

1.增大光电材料或元件有效感光面积的技术特征是：利用激光干涉光刻系统，通过控制光束数、偏振以及入射角，从而得到不同尺寸和不同结构的周期或准周期特征结构。并通过在所得结构中掺入与基质极性相反的杂质来得到具有较大有效面积的P-N节。
2.根据权利要求1所述的增大有效感光面积的技术，通过改变入射光的个数来改变所得干涉图样的结构，如两光束、三光束和四光束入射，也可以通过改变曝光次数来得到不同的干涉图案，如四光束单曝光或双光束双曝光。
3.根据权利要求1和2所述的增大有效感光面积的技术，可以通过改变入射光束的入射角来改变干涉图样的周期，也可以通过改变入射光的空间角来改变干涉图形的结构。
4.根据权利要求1至3所述的增大有效感光面积的技术，其曝光材料既可以直接选用导带材料(n型材料)或价带材料(p型材料)，也可以选用相应基材在其曝光后生长出导带或价带，作为掺杂基质。
5.根据权利要求1至4所述的增大有效感光面积的技术，既可以在曝光所得基质上直接进行扩散掺杂，也可以沉积薄膜来实现掺杂。
6.根据权利要求1至5所述的增大有效感光面积的技术，其曝光表面既可以是平面，也可以是非平面。
7.根据权利要求1至6所述的增大有效感光面积的技术，通过干涉光刻及掺杂后所得微纳结构即具增大实际有效感光面积的作用，同时也可以实现自清洁和减反射的目的。
8.根据权利要求1至7所述的增大有效感光面积的技术，其曝光方式既可以采用直接激光干涉光刻，也可以利用光刻胶进行间接光刻。
9.根据权利要求1至8所述的增大有效感光面积的技术，所得到的微纳米周期性图样既可以是二维光栅结构，也可以是三维柱状、球状或凹面点阵列。
10.根据权利要求1至9所述的增大有效感光面积的技术，基材上微纳米结构的获得，既可以通过激光干涉光刻技术实现，也可以利用诸如电子束、离子束、X射线等光刻技术来获得。
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