CN103367474B - 硅纳米管阵列作为太阳能电池的表面微纳结构的应用 - Google Patents
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Abstract
硅纳米管阵列作为太阳能电池的表面微纳结构的应用，属于太阳能电池技术领域。其中硅纳米管的外半径为20‑200nm，内外径之比小于1，长径比大于10，硅纳米管的阵列填充率为0.1‑0.785；硅纳米管阵列具有优异的减反陷光性能，可进一步提高陷光效果，并且解决了传统的陷光结构受晶粒取向限制的问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体的说，涉及一种具有优异减反、陷光性能的硅基太阳能电池新型表面微纳结构，就是硅纳米管阵列的新用途。
背景技术
随着气候日益恶化和能源需求的不断扩大，可再生能源技术的开发利用将成为解决这一问题的重要环节。在各种可再生能源（太阳能、水能、核能、风能和生物质能等）中，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源形式，它具有绿色清洁、无污染和自由利用等特点。对于我国经济的快速发展、能源消耗的迅速攀升，人均资源却又明显低于全球平均水平的严峻现实来说，发展太阳能具有重要的现实意义和深远的战略价值。
从目前光伏太阳能电池的发展来看，要想实现光伏发电的社会化应用，其主要困难是现有太阳能电池发电的价格与常规能源相比过于昂贵。因此提供廉价的或高性价比的太阳能电池是光伏发电应用和发展的基本要求和关键。就目前广泛应用的硅基太阳能电池来说，其主要一部分光学损失来自于太阳能电池自身的反射损失。如果能降低反射损失，将其转换为电能，就可以大大提高太阳能电池的光电转换效率，从而降低太阳能电池发电的价格。
目前工业上广泛使用的减反膜多为氮化硅薄膜，其反射损失在10%左右。另一类为通过物理刻蚀或化学腐蚀的方法制备的金字塔形的绒面结构，其反射损失可控制在4.2%。该方法只适用于晶体硅太阳能电池上，对于多晶硅来说，由于其晶粒取向的随机性，不能有效降低反射损失。
与硅纳米线和碳纳米管的应用相似，硅纳米管（Silicon nanotubes）在纳米电子器件、传感器、场发射显示器、纳米磁性器件及光电子器件领域有着广泛的应用前景。将硅纳米管阵列（Silicon nanotubes arry,SiNTA）用于太阳能电池减反陷光层对太阳能电池提高光电转换效率将有极其重要的意义和应用价值。
发明内容：
传统的减反陷光技术比较单一，且其陷光性能均存在一定的极限，为解决现有技术上的不足，进一步提高光的利用效率，本发明提出将硅纳米管阵列微纳结构作为太阳能电池的减反陷光层，其具有的结构特征为：
硅纳米管的外半径为20-200nm，内外径之比小于1，长径比大于10，硅纳米管的阵列填充率为0.1-0.785；
其中填充率计算公式为：
其中r2、r1分别为硅纳米管的外半径和内半径，d为相邻两硅纳米管的中心距。
结果表明，硅纳米管阵列的外半径在20-200nm之间，填充率在0.1-0.785之间，内外径之比大于0.4，且长径比越大其陷光性能越优越。以填充率为0.2的硅纳米管阵列（SiNTA）为例，得出在可见光波段内（300-850nm）当内外径之比大于0.4时，其反射率在整个波段内保持在0.5%以下，接近于0，且当波长大于400nm时，阵列具有高透过率，平均值在90%以上。本结构设计与传统减反层结构相比，具有优异的减反陷光性能，可进一步提高陷光效果，并且解决了传统的陷光结构受晶粒取向限制的问题。
硅纳米管阵列具有低反射与高透过的特点。与相同填充率的硅纳米线阵列相比，硅纳米管的反射率要低于硅纳米线阵列的，原因在于纳米管是中空，相当于其实际填充率减小。另外得出当内外径之比低于0.4时，受强耦合的限制，其内径空洞可以忽略不计。因此，本结构可作为一种新型的、具有优异性能的太阳电池减反层使用，可具有优异的减反陷光特性，与目前陷光性能很好的硅纳米线相比，性能更为优异，对太阳能电池的发展有特殊的意义。
附图说明
图1为硅纳米管阵列的模型；
图2为不同内外径比下硅纳米管（SiNTA）的反射率；
图3为不同内外径比下硅纳米管（SiNTA）的吸收率；
图4为相同填充率下硅纳米线与硅纳米管的反射率对比。
具体实施方式：
下面结合实施例对本方面做进一步的说明，单本发明并不限于以下实施例。
1、首先采用传统方法（如光刻、纳米压印等）制备具有不同内外径及填充率的硅纳米管阵列，结构如图1所示。
2、在填充率一定的情况下，改变SiNTA的内外径比研究其反射率变化。通过对比发现内外径之比与SiNTA的反射率成反比，因此在选择SiNTA的结构时，在填充率一定的情况下，尽量选择将管壁做薄，这样可拥有更低的反射率详见图2；
3、对比SiNTA的填充率为定值时，改变SiNTA的内外径之比，不同壁厚的SiNTA以及填充率f=0.2的硅纳米线阵列（SiNWA）的吸收率。图中紫色曲线是填充率为0.2的硅纳米线阵列的吸收率曲线，从图中可以看到，内外径比为0.2的硅纳米管的黑色吸收率曲线几乎与硅纳米线阵列的曲线重合。另外，可以看出当内外径之比低于0.4，受强耦合限制，其内径空洞可以忽略不计。详见图3.
4、通过相同填充率的SiNTA和SiNWA的反射率，透过率和吸收率的对比发现，SiNTA比SiNWA具有更低的反射率和更高的透过率，也就是说SiNTA具有更为优异的减反和陷光作用，是太阳电池减反陷光层的优良结构，详见图4。
Claims (1)
1.将硅纳米管阵列微纳结构作为太阳能电池的减反陷光层的应用，其中硅纳米管的外半径为20-200nm，内外径之比小于1，长径比大于10；
其中填充率计算公式为：
其中r2、r1分别为硅纳米管的外半径和内半径，d为相邻两硅纳米管的中心距；其中阵列填充率为0.2，内外径之比大于0.4。
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