CN104681647B - 一种降低太阳能电池表面反射率的结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低太阳能电池表面反射率的结构，属于太阳能电池领域；通过在基底表面设置同一尺寸、呈二维周期正方排列的、锥形的纳米锥阵列，锥形截面面积沿光照射方向由上至下逐渐变大，将纳米锥阵列划分为许多层截面平行于底面的小薄片，由上至下每一层的等效折射率n_eff逐渐增大，锥体底部一层的n_eff最大，与基底的折射率最接近，在此处因折射率突变产生的反射就越小。

Description

一种降低太阳能电池表面反射率的结构

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，尤其是一种降低太阳能电池表面反射率的结构。

背景技术

如何提高太阳能电池的转换效率是高效利用太阳能亟需解决的关键问题之一；硅基太阳能电池作为发展最成熟、应用最广泛的一种，目前在光伏电池市场中占据着主导地位；但是由于硅的折射率较高，太阳光入射到硅表面时反射率高达30％以上，电池表面的反射损失成为硅基太阳能电池效率低下的主要原因之一。传统的减反射方法是在电池表面沉积一层或多层抗反射薄膜，但由于不同材料的引入存在热膨胀系数不匹配、附着力差、不稳定等问题，并且适用的波长范围非常狭窄；直接在硅基底表面织构二维亚波长抗反射纳米锥阵列的方法可以有效避免抗反射薄膜的弊端，而且能够在较宽的波段内实现有效减反。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种降低太阳能电池表面反射率的结构，通过在基底表面设置锥形结构，在硅的响应光谱300nm～1200nm内都能有效降低电池表面的反射率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种降低太阳能电池表面反射率的结构，其特征在于，包括基底和纳米锥阵列，所述纳米锥阵列位于基底表面，所述纳米锥阵列为锥形结构。

采用锥形结构，锥形截面面积沿光照射方向由上至下逐渐变大，将纳米锥阵列划分为许多层截面平行于底面的小薄片，由上至下每一层的等效折射率n_eff逐渐增大，锥体底部一层的n_eff最大，与基底的折射率最接近，在此处因折射率突变产生的反射就越小。

进一步，所述纳米锥阵列的单元为大尺寸拋物锥。

进一步，所述大尺寸拋物锥为同一尺寸、呈二维周期正方排列。

进一步，所述纳米锥阵列中每个大尺寸拋物锥底面分别与其横向和纵向相邻的大尺寸拋物锥底面相外切。

进一步，所述纳米锥阵列中大尺寸拋物锥的底面直径为100～300nm。

在上述方案中，所述纳米锥阵列还包括小尺寸拋物锥，所述小尺寸拋物锥尺寸相同、且每个小尺寸拋物锥底面分别与其相邻的四个大尺寸拋物锥底面相外切。

进一步，所述大尺寸拋物锥与所述小尺寸拋物锥高度相同、底面直径不同、具有相同的排列周期。

在上述方案中，所述基底与纳米锥阵列材料均为硅。

在上述方案中，所述锥形结构的高度为200～1000nm。

进一步，所述锥形结构的高度为600nm。

纳米锥阵列为拋物锥形状时，整个纳米锥阵列可以看做是从空气到硅基底之间的一个折射率连续变化过渡区，根据Fresnel理论，折射率突变越小，反射也越小，与蛾眼效应的减反原理相同。

本发明的有益效果：

(1)本发明的纳米锥阵列属于纳米量级，由于纳米结构具有较好的疏水性，能够实现材料的自清洁功能，有效减弱雨水、灰尘等对电池的影响，有助于太阳能电池长期稳定的工作。

(2)本发明具有在宽波段内有效减反、纳米锥阵列高度小等特点，有助于提高太阳能电池的光电转换效率、降低生产成本。

附图说明

图1为本发明所述大尺寸拋物锥降低太阳能电池表面反射率的结构示意图。

图2为本发明所述复合结构降低太阳能电池表面反射率的结构示意图。

图3为本发明所述复合结构降低太阳能电池表面反射率的俯视图。

图4为本发明所述平面硅与抛物锥阵列结构、复合结构反射率对比图。

图5为本发明所述抛物锥的轴截面图。

图6为底面占空比不同时等效折射率沿着锥体高度方向的分布图。

图7为结构高度不同时等效折射率沿着锥体高度方向的分布图。

图8为抛物锥阵列结构与复合结构的等效折射率分布。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的降低太阳能电池表面反射率的结构，包括基底和具有锥形结构的纳米锥阵列，可以为此结构的太阳能电池为硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。

根据图1所示的降低太阳能电池表面反射率的结构，由基底1与位于其表面的大尺寸拋物锥组成，二者的材料均为硅。

取拋物锥为同一高度600nm，直径为D为320nm，设相邻两个拋物锥底面圆心距离为周期T，计算底面直径D分别为0.4T、0.6T、0.8T、0.9T、T时，光波垂直入射的反射率，整个观察波段内的最大反射率从D/T＝0.4时的27％降至D/T＝1.0的3％；因此，每个拋物锥底面圆分别与其横向和纵向相邻的大尺寸拋物锥底面圆相外切时，反射率最低。

取D/T＝1.0，直径为D为320nm，观察拋物锥高度递增时垂直入射的反射率的变化，当高度由200nm增至600nm时，反射率显著降低，从13％降至3％；高度继续增加时，反射率虽仍呈总体下降趋势，但降幅已经不明显，整体水平逐渐趋向于零；虽然反射率随高度H的增大而降低，但结构高度越大意味着太阳能电池越厚、相应的生产成本也会增加，因此必须在满足减反性能的同时尽量减小电池厚度，在此将最佳结构高度选为H＝600nm。

取D/T＝1.0，H＝600nm，直径D分别为128nm，160nm，213nm，256nm，320nm，640nm，观察垂直入射时的反射率变化曲线；除D＝640nm时反射水平较高之外，其余五组参数的反射率非常接近，均低于3％；由此可知，当直径小于波长时，周期的变化对反射率影响甚小；反之，当周期大于某一临界值时，结构的减反性能会受到较大的影响。

通过以上对各参数的模拟研究，得到在300～1200nm波长范围内反射率低于3％的五组结构参数：H＝600nm，D＝T＝128nm，160nm，213nm，256nm，320nm。考虑到实际应用中较大尺寸的纳米锥阵列更便于加工制备，可参考D＝T＝320nm这一组参数。

通过以上实验，降低太阳能电池表面反射率的结构，由基底与大尺寸拋物锥组成，大尺寸拋物锥为高度同为600nm、直径同为320nm、每个拋物锥底面圆分别与其横向和纵向相邻的大尺寸拋物锥底面圆相外切、呈二维周期性正方排列的结构，反射率降至3％。

由于抛物锥底面为圆形，正方排列时锥体底部之间存在间隙，使得基底有一小部分直接裸露在空气中，导致该区域因折射率突变引起一定的反射。为解决此问题，提出了一种优化设计方案：在抛物锥阵列间隙处设置小尺寸抛物锥，即一种大小抛物锥相间排列的新型复合结构降低太阳能电池表面反射率，如图2所示。小尺寸抛物锥也呈二维周期性正方排列，与大尺寸抛物锥阵列具有相同的周期T，其中小抛物锥底部直径d与大抛物锥底部直径D的关系为即小抛物锥与相邻的四个大抛物锥相切，见图3。

图4为平面硅、抛物锥阵列结构、复合结构的反射率对比图，可见在平面硅基底上构筑抛物锥阵列后，观察波段内的最大反射率54％陡降至3％；而在将纳米锥阵列优化为复合结构后，最大反射率进一步降至1％以下。

对于之前得到的反射率低于3％的结构参数，本文对其相应的优化结构都进行了模拟计算，发现它们在硅响应光谱内的反射率都在1％以内。

当纳米锥阵列周期小于工作波长时，只有零级衍射存在，其他更高级次的衍射都为倏逝波，光波无法分辨出结构的表面轮廓，起到了光学特性的均匀化效果，因此当光通过纳米锥阵列时等效于经过了一层均匀介质。该层等效均匀介质的折射率可通过公式计算得出，等效折射率的计算公式为： $n_{\mathrm{eff}}=\sqrt{\frac{(1-f+{{\mathrm{fn}}_s}^2)[f+(1-f){n_s}^2]+{n_s}^2}{2[f+(1-f){n_s}^2]}}---\left(1\right),$ 其中f为微结构的体填充因子即体积占空比，n_s为材料的折射率。

将纳米锥阵列划分为许多层截面平行于底面的小薄片，每一层对应的等效折射率n_eff都能用公式(1)计算得出。纳米锥阵列单元为锥体，其平行于底面的截面面积沿高度方向从上到下是逐渐增大的，因此每一薄层对应的体填充因子f以及n_eff也是逐渐变化的，整个纳米锥阵列可以看做是从空气到硅基底之间的一个折射率连续变化过渡区。

根据Fresnel理论，光由折射率为n₁的介质垂直射入折射率为n₂的介质时，界面处的反射公式为：由此公式可知，相邻介质的折射率突变越小，则反射率越小。

对抛物锥的轴截面建立坐标系，如图5，截面曲线满足抛物线方程在坐标y处取一厚度很小的薄层，可得该薄层的体填充因子代入公式(1)即可计算出这一薄层的等效折射率n_eff，在这里取n_s＝3.644(硅的光谱响应曲线峰值对应波长λ₀＝860nm的折射率)；由于体填充因子f与底面占空比D/T的平方成正比，等效折射率n_eff随f单调递增，因而n_eff关于D/T也是单调递增的。

图6为五组不同占空比对应的等效折射率n_eff沿锥体高度方向变化的曲线，等效折射率都从1开始连续增大，显然，D/T越大，抛物锥底部最靠近硅基底那一薄层的n_eff越大，当D/T＝1.0时，该层的n_eff取得最大值，与基体的折射率最接近，在此处因折射率突变产生的反射就越小。

对于周期T、底部直径D相同但结构高度H不同的抛物锥来说，从锥体顶部至底部等效折射率n_eff的改变量是一样的，但n_eff的改变速度不同。图7为结构高度不同时n_eff沿锥体高度方向的分布图，可见结构高度越高，n_eff随y变化的曲线斜率越小，即折射率增加越缓慢，单位高度内的折射率突变程度越小，因而反射率越低。

模拟结果表明五组T＝320nm及更小周期的反射率水平都非常低，几乎没有差异，但周期T＝640nm的反射率却高达10％，这是因为该周期接近波长水平甚至已经大于一部分观察波长，除了零级衍射外还存在一级及更高级别的衍射，此时等效介质理论已不再适用，结构的表面形状无法被忽略从而影响了纳米锥阵列的减反性能。而对于另外五组参数，其周期都小于波长，适用于等效介质理论。公式(1)表明n_eff只与f及n_s有关，由于它们具有相同的H和D/T参数，沿y轴分割的各薄层体积填充因子相同，因而n_eff的分布也是一致的，相应的减反性能也基本相同。

复合结构对反射性能产生的影响同样也可以用等效介质理论进行分析；以λ₀＝860nm为例，取D/T＝1.0时可以计算出正方排列抛物锥底部对应的n_eff＝2.674；对结构进行优化设计后，各薄层的体积填充比增加了，抛物锥底部的n_eff也增大，n_eff复合＝3.083，更接近于硅基底的折射率，如图8所示。

另外，整个抛物锥纳米锥阵列的体积占空比当时，优化前，F_抛物锥体＝39.3％；优化后，体积占空比F与反射率的关系：0＜F＜50％时，反射率随纳米锥阵列的体积占空比增大而减小；50％＜F＜1时，反射率则随F增大而增大。本文提出的两种结构体积占空比F都在50％以内，显然，优化后的复合结构因体积占空比更大而使得反射率进一步降低。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种降低太阳能电池表面反射率的结构，包括基底(1)和纳米锥阵列，所述纳米锥阵列位于基底表面，所述纳米锥阵列的单元为锥形结构；

所述纳米锥阵列的单元为大尺寸拋物锥(2)；

所述大尺寸拋物锥(2)为同一尺寸、呈二维周期正方排列；

所述纳米锥阵列中每个大尺寸拋物锥(2)底面分别与其横向和纵向相邻的大尺寸拋物锥底面相外切；

所述纳米锥阵列中大尺寸拋物锥(2)的底面直径为100～300nm；

其特征在于，所述纳米锥阵列还包括小尺寸拋物锥(3)，所述小尺寸拋物锥(3)尺寸相同、且每个小尺寸拋物锥(3)底面分别与其相邻的四个大尺寸拋物锥(2)底面相外切。

2.如权利要求1所述的降低太阳能电池表面反射率的结构，其特征在于，所述大尺寸拋物锥(2)与所述小尺寸拋物锥(3)高度相同、底面直径不同、具有相同的排列周期。

3.如权利要求1中所述的降低太阳能电池表面反射率的结构，其特征在于，所述基底与纳米锥阵列材料均为硅。

4.如权利要求1中所述的降低太阳能电池表面反射率的结构，其特征在于，所述锥形结构的高度为200～1000nm。

5.如权利要求1至4任一项所述的降低太阳能电池表面反射率的结构，其特征在于，所述锥形结构的高度为600nm。