CN105849594A - 三维抗反射纳米锥膜 - Google Patents

三维抗反射纳米锥膜 Download PDF

Info

Publication number
CN105849594A
CN105849594A CN201480063289.XA CN201480063289A CN105849594A CN 105849594 A CN105849594 A CN 105849594A CN 201480063289 A CN201480063289 A CN 201480063289A CN 105849594 A CN105849594 A CN 105849594A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanocone
film
cone
nano
polydimethylsiloxane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201480063289.XA
Other languages
English (en)
Inventor
范智勇
徐光海
林清锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Original Assignee
Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hong Kong University of Science and Technology HKUST filed Critical Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Publication of CN105849594A publication Critical patent/CN105849594A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/02168—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties for the solar cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/073—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising only AIIBVI compound semiconductors, e.g. CdS/CdTe solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/543—Solar cells from Group II-VI materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

公开了三维纳米锥膜层及其相关装置。所述纳米锥膜层表现诸如抗反射、疏水性、和低成本生产等期望性质。所述纳米锥膜层可利用于覆盖光伏电池的表面并且向所述光伏电池提供各种好处，例如增强其光吸收能力、提供水分保护、提高光电转换效率、促进自清洁、以及其他此类好处。此外，在一个方面，在此公开了制造三维纳米锥膜层的方法。

Description

三维抗反射纳米锥膜
相关申请
本申请要求于2013年11月21日提交的标题为“LOW-COSTAND FLEXIBLE THREE-DIMENSIONAL NANOCONEANTI-REFLECTION FILMS WITH SELF-CLEANING FUNCTION FORHIGH-EFFICIENCY PHOTOVOLTAICS”的美国临时专利申请第61/963，020号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本主题公开一般涉及纳米锥膜、纳米锥膜的制造以及能利用纳米锥膜的抗反射性质、疏水性质、促进杂物去除的能力的应用以及其他此类用途。
背景技术
增强光伏器件的效率的需求正在增长。光伏器件通过捕获太阳能并将太阳能转换成电能来工作。光伏电池的一个非常重要的能力是捕获入射光以转换为电能，从而变为更有效的光伏电池。加强捕获入射光的能力的一种方法是减少反射离开光伏电池的光。可将抗反射涂层涂覆于光伏电池的表面以增加对入射光的捕获并且减少光的反射。近年来，最大的挑战之一是使用抗反射涂层来减少成本并改善光伏电池的性能。
传统上，四分之一波长(λ/4)抗反射涂层和其他此类抗反射涂层已被广泛采用以减少光伏器件的表面上的光反射。然而，现有的抗反射涂层在捕获入射光方面具有有限的有效性，这是因为涂层的抗反射效力依赖于入射光波的波长、入射光接触光伏电池表面的角度、以及入射光与光伏电池接触时是否发生干涉。干涉可以在杂物、油或其他材料积聚在光伏电池表面上时发生。现有抗反射涂层的另一局限是，其制造要求昂贵的化学及物理沉积处理，这经常导致大规模生产成本高昂。此外，许多制造处理将光伏材料并入到微观结构中，这可能造成增加涂层材料的表面复合并且最终降低太阳能装置的性能的各种缺陷。此外，现有的涂层制造方法会实施自上而下或自下而上的制造方法，这抑制了与期望最终产品相关的控制和精度。
存在对新的光伏电池涂层和制造方法的需求，以解决与光伏电池涂层相关的抗反射能力差、制造昂贵、能量转换减少、光吸收有限、以及表面杂物积聚的问题。
发明内容
下面呈现简化概要以提供对在此公开的一些方面的基本理解。此概要并非详细的综述。其并非旨在识别关键或重要要素，也非划定公开的各方面的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一些概念，作为随后呈现的更详细的描述的前序。
为了抑制光的反射、促进光伏电池对更多光进行捕获、增强将光转换成电的效率、提供水分保护、以及促进杂物的自去除，提供了一些装置和制造这些装置的一些方法。在一个方面，提供了一种装置，其包括：纳米锥层，其包括第一材料；以及衬底层，其包括第二材料，其中所述纳米锥层和所述衬底层形成具有抗反射性质的柔性纳米锥膜，其中所述柔性纳米锥膜涂覆用于吸收光并且转换能量的光伏器件，并且其中所述纳米锥膜促进所述光伏器件相对于无所述纳米锥膜涂层时的光吸收的增加，以及所述光伏器件相对于无所述纳米锥膜涂层时的能量转换输出的增加。
在另一方面，提供了一种方法，其包括：用包括以六角图案布置的硅纳米柱的盖印元件在电化学抛光过的铝箔层表面上刻印纳米压痕阵列从而形成刻印表面；对所述电化学布置的铝箔层的所述刻印表面进行电化学阳极氧化和湿法化学刻蚀以制造铝i-锥阵列；将包括聚二甲基硅氧烷的预混溶液涂覆到所述铝i-锥阵列上从而形成聚二甲基硅氧烷纳米锥膜；以及从所述铝i-锥阵列去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。在一个方面，所述方法还可以包括：在所述刻印表面上溅射金膜，其中所述金膜在去除所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜时阻止聚二甲基硅氧烷粘在所述铝i-锥阵列上。
在另一方面，提供了一种装置，其包括：光伏电池，其包括碲化镉材料；以及聚二甲基硅氧烷纳米锥膜，其覆盖所述光伏电池的表面，其中所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜包括纳米锥阵列图案层和衬底层，并且其中所述光伏电池相比于无所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池具有增强的抗反射性质，相比于无所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池具有提高的能量转换能力，以及相比于无所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池具有增加的能量输出。
为实现前述的和相关的目的，本主题公开包括下文中全面描述的各个特征。下面的描述和附图详细地阐述了特定的说明性方面。然而，这些方面仅代表可以采用在此公开的原理的各种方法中的几种。其他各方面、优点和新特征根据下面结合附图考虑的详细描述将变得显而易见。
附图说明
图1示出了涂覆于光伏电池的具有抗反射性质的柔性纳米锥膜的非限制性示意框图。
图2示出了涂覆于碲化镉光伏电池的具有抗反射性质的聚二甲基硅氧烷纳米锥膜的非限制性示意框图。
图3(A-D)示出了制造柔性纳米锥膜的非限制性方法。
图3(E)为铝箔层的表面上的金膜的图像。
图3(F)为每个纳米锥具有1μm间距和1μm深度的柔性纳米锥膜的各纳米锥行的图像。
图4(A)为柔性纳米锥膜的图像。
图4(B)示出了被聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池表面的示意结构。
图4(C)为覆盖碲化镉器件表面的聚二甲基硅氧烷纳米锥膜的图像。
图4(D)为以152°的大接触角接触聚二甲基硅氧烷纳米锥膜表面的一滴水的图像。
图4(E)为以98°的接触角接触平面聚二甲基硅氧烷膜表面的一滴水的图像。
图5(A)示出了比较有聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池与无聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池的反射光谱的示图。
图5(B)示出了比较有聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池与无聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池的J-V曲线的图表。
图5(C)示出了比较有聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池与无聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池的量子效率测量的图表。
图5(D)示出了比较有聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池与无聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池的功率输出改善的图表。
图6示出了制造抗反射装置的非限制性示例方法。
图7示出了制造抗反射装置的非限制性示例方法。
图8示出了制造抗反射装置的非限制性示例方法。
具体实施方式
提供了柔性纳米锥膜装置以提高光伏电池吸收光的能力。还提供了制造柔性纳米锥膜的方法。最近，光伏电池(也被称为太阳能电池)作为替代能源的形式在全世界得到了普及。光伏电池被用作将阳光直接转换成电的装置并且对于消费者而言经常是更廉价的能源而对发电而言是对燃烧化石燃料的可行的替代。鉴于光伏电池的日益普及，存在提高其将阳光转换成电的能力的效力、减少制造更加有效的装置所关联的成本、以及改善其总体性能的需要。
在此公开了包括纳米结构的三维柔性纳米膜，由于大表面面积和三维结构，其具有抗反射性质，帮助光吸收的增加并且促进有效的电荷分离。柔性纳米膜可以涂覆在光伏材料上以促进更有效的光吸收和光电转换。此外，柔性纳米膜包括疏水性质，其通过仅仅让水流离纳米膜的表面来促进纳米膜的清洁。在一方面，公开了包括铝箔上的三维纳米柱阵列的膜，其中可以定制三维纳米柱结构尺度中的高度和间距。
首先参照图1，示出了抗反射装置100。装置100包括：纳米锥层102，其包括第一材料；以及衬底层104，其包括第二材料，其中纳米锥层102和衬底层104形成具有抗反射性质的柔性纳米锥膜108。在一方面，柔性纳米锥膜108涂覆在用于吸收光并转换能量的光伏器件106，并且其中纳米锥膜108促进光伏器件106相对于无纳米锥膜108涂层时的光吸收的增加，以及光伏器件106相对于无纳米锥膜108涂层时的能量转换输出的增加。
在一方面，纳米锥层102的第一材料可以是具有阳极氧化铝的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并且衬底层104的第二材料可以是铝(Al)衬底。对于纳米锥层102的第一材料，PDMS具有很多引人注目的性质，例如价廉、环境友好、抵抗恶劣天气条件、以及有机械弹性。此外，PDMS是透明的，并且这样的光学清晰度允许光通过该材料，这对于光伏电池是适用于促进光吸收目的的性质。在另一方面，纳米锥层102的第一材料可以是具有类似于PDMS的性质(例如，材料柔性和耐久性)的其他塑料材料，例如聚碳酸酯或聚酰亚胺。在另一方面，第一材料也可以包括成型为PDMS的阳极氧化铝材料。
纳米锥层102和衬底层104共同形成柔性纳米锥层108。纳米锥层102可以包括第一材料，其通过利用纳米柱i-锥阵列的制造过程形成为六角地布置的纳米锥(也被称为纳米柱)。纳米柱i-锥阵列是允许PDMS呈现纳米锥结构形状的模板模具。结构上，纳米柱为纳米锥层102提供有利的尺度，因为它们具有提供暴露于光的大面积的大表面面积和三维特征。此外，在一方面，纳米柱提供更大的抗反射面积以促进对以很多角度接触纳米柱表面的光的吸收。
在另一方面，作为纳米锥层108的一部分的纳米柱与光伏器件106结合，以提供增强的光吸收和有效的受激电子(例如，通过吸收光子的电子激发)与对应空穴之间的电荷分离。随着光伏器件106在带负电的电子与带正电的空穴(也被称为激子)之间的电荷分离上变得更加有效，可以由光伏器件106产生更多电流并且产生这样的电流要求更少的能量。光伏器件106产生能量的效率也可以通过控制纳米锥层102的纳米柱中的一个或多个的高度和间距来改变。
在一方面，纳米锥膜108可以用作光伏器件106表面上的涂层。光伏器件106是通过将阳光转换成电来产生电功率的器件。在一方面，光伏器件106可以包括连续成组并指向为一个方向的多个太阳能电池，其还被称为太阳能电池板或光伏电池板。光伏器件106利用表现光伏效应(在暴露于光时材料中产生电压或电流)的材料。在一方面，由于涂层的抗反射性质，纳米锥膜108可以显著地改善光伏器件106的性能(相比于无纳米锥膜层涂层108的光伏器件106)。抗反射性质转而带来光伏器件106的更有效的光吸收，如光伏器件106产生的更高的短路电流密度(Jsc)所证实的那样。
在一方面，光伏器件106可以包括覆盖表现光伏效应的材料(例如，半导体晶圆)的一张玻璃。该玻璃覆盖物可以保护表现光伏效应的材料，同时还提供用于被材料吸收的光可以通过的透明表面。在一方面，纳米锥膜108的PDMS第一材料可以附接至平板玻璃衬底(例如，作为PDMS与玻璃之间的强范德瓦尔斯相互作用的结果)，从而允许纳米锥膜108安装在光伏器件106的太阳能电池表面上。PDMS的自附接性质允许方便的安装(例如，不需要粘合剂)并且帮助纳米锥膜108的用户友好的替换。
简要参照图2，示出了非限制性示例装置200。装置200包括：光伏电池206，其包括碲化镉(CdTe)材料；PDMS纳米锥膜208，其覆盖光伏电池表面，其中PDMS纳米锥膜208包括纳米锥阵列图案层202和衬底层204，并且其中光伏电池206具有相比于无PDMS纳米锥膜208覆盖的光伏电池增强的抗反射性质、相比于无PDMS纳米锥膜208覆盖的光伏电池提高的能量转换能力、以及相比于无PDMS纳米锥膜208覆盖的光伏电池206增加的能量输出。
类似于图1中的装置100，装置200包括：纳米锥膜208，其包括PDMS和诸如铝的衬底。在一方面，纳米锥膜208呈现诸如多行突出三维纳米锥的图案的形式，其包括纳米锥阵列图案层202。在非限制性示例实施例中，纳米锥阵列图案层202可以包括按照包括至少1μm间距和至少1μm高度的图案的至少两个纳米锥。每个纳米锥的间距和高度可以制作成不同的尺寸，以获得不同的疏水性质和光吸收性质。在非限制性实施例中，纳米锥阵列图案层202可以包括纳米锥以外的结构和形态，例如纳米球、纳米管、纳米棒、纳米线、或多孔膜。
在另一方面，装置200包括碲化镉光伏电池206。碲化镉光伏电池206包括能够吸收阳光并将阳光转换成电的薄半导体层碲化镉材料。在一方面，光伏电池206可以包括硅层，然而，碲化镉比硅显著地廉价，这可以给消费者带来有经济效益的制造和更低的单位瓦电价。较廉价的成本部分是由于镉材料充足和制造该材料(例如，混合分子)与基于硅的光伏电池相关的使不同类型的硅和掺杂硅结合所要求的多步骤过程相比的便利性。在另一方面，可以实施装置200的其他非限制性实施例，例如改变光伏电池206的材料组成，使其包括铜铟镓硒光伏电池或者硅光伏电池。
无纳米锥膜208的碲化镉光伏电池206的局限是低于硅光伏电池的光电转换效率。在一方面，为了克服这样的局限，将纳米锥膜208附接至碲化镉光伏电池206，提供增强光伏电池206吸收光并将光能转换成电的能力的抗反射覆盖。装置200不仅通过最小化阳光反射来允许更多的光进入光伏电池206，还更有效地采集额外吸收的阳光以促进更多电流的产生。此外，装置200的制造相比于硅光伏电池具有经济效益，同时维持较高级别的有效能量转换。
与装置200有关的另一益处是最低限度地暴露于水分的能力。在一方面，装置200相比于无PDMS纳米锥膜208覆盖的装置具有提高的疏水性质，其中提高的疏水性质通过促使水滴离PDMS纳米锥膜208的表面来促进杂物从装置的去除。滴离的水有效地清洁装置200的表面，因为它从装置200表面带走了可能阻碍或抑制光吸收的杂物和其他材料。
现参照图3(A)至图3(F)，示出了纳米锥层102的图像300A-300F和制造纳米锥层102的各种方法。在一方面，图3(A)示出了具有六角地布置的纳米柱的硅(Si)模具，其中该模具用于刻印纳米柱压痕阵列。在一方面，包括六角布置的纳米柱的硅模具可以用于盖印电化学抛光过的铝(Al)箔，得到铝箔表面上的纳米柱压痕阵列。在非限制性示例实施例中，纳米柱可以具有200nm的高度和介于500nm至2μm之间的可调间距。图3(B)示出了通过被刻印铝箔上的多步骤阳极氧化和湿法刻蚀处理制造的i-锥阵列，而该铝箔在酸性溶液中并且直流(DC)电压施加到此溶液。
另外，在一方面，铝i-锥阵列可以用测量值为50nm的金(Au)膜涂覆。在一方面，可以在铝i-锥阵列表面上溅射金膜，以防止随后添加的PDMS粘住或残留并还方便随后添加的PDMS层的去除。转向图3(C)，示出了涂金i-锥阵列的图像，其中预混的PDMS被倒在涂金i-锥阵列上。在一方面，可以将脱气和固化处理应用于用PDMS分层的涂金i-锥阵列。在图3(D)，示出了剥去了涂金i-锥阵列的纳米锥膜层108的图像。在图3(E)，示出了包括具有1μm间距和1μm深度的纳米锥压痕的涂金i-锥阵列模板的扫描电子显微(SEM)图像。在图3(F)，示出了包括多行纳米锥的纳米锥膜108的SEM图像，其中每个纳米锥具有1μm间距和1μm深度。
参照图4(A)至图4(E)，图4(A)为柔性纳米锥膜层108的图像。图4(B)为用纳米锥膜层108覆盖的光伏电池106的非限制性示例示图。在一方面，公开了具有诸如碲化镉层、硫化镉层、透明导电氧化物层(TCO)、玻璃层和纳米锥膜层108等很多层的光伏电池106。纳米锥膜108可以为包括很多材料组成的各种光伏电池的覆盖物。在图4(C)，示出了碲化镉光伏器件106表面处的纳米锥膜108的图像以及此类器件的抗反射视觉效果。左侧的物体是被纳米锥膜108覆盖的碲化镉光伏器件106，并且作为比较的右侧的物体是无纳米锥膜108覆盖的碲化镉光伏器件106。左侧的物体明显地示出对光反射的抑制，而右侧的物体表现出对室内荧光灯的明显反射。
在图4(D)，示出了停留在PDMS纳米锥膜108表面上的一滴水的图像，其中水滴与纳米锥膜层表面的接触角是152°。在图4(E)，示出了以98°的接触角停留在平坦PDMS膜(相对于三维纳米锥PDMS膜)表面上的另一滴水。相比于平坦PDMS膜，包括PDMS材料的纳米锥膜层部分地由于三维纳米锥结构而表现出疏水性的改善。图4(D)和图4(E)示出了纳米锥膜108的疏水性质，如纳米锥膜108表面顶部的每个水滴的停留和结构完整性所证实的那样。此外，在一方面，鉴于纳米锥膜108的疏水性质，水可以容易地滴离膜层表面，同时清洁膜表面并保护膜下方的各个层免受水分损坏。
现在参照图5(A)至图5(D)，示出了绘出与装置200关联的各种性质相关数据的图表。在图5(A)，示出了绘出用柔性纳米锥膜208覆盖的碲化镉(CdTe)光伏器件206的反射率数据的图表，以及绘出无柔性纳米锥膜208覆盖的碲化镉(CdTe)光伏器件206的反射率数据的图表。数据定量地表征包括纳米锥的三维柔性纳米锥膜208的抗反射效应，其中CdTe光伏电池206上的高度和间距为1μm。x-轴绘出了光接触光伏电池206的入射角，其从0°(垂直入射)开始以10°的间隔结束于60°。y-轴绘出了给定光接触光伏电池206的特定入射角时的被反射光的百分比。
在一方面，随着光线接触光伏电池表面的角度增加，无柔性纳米锥膜涂层的光伏电池反射更高百分比的光。相反，在一方面，与光接触光伏电池表面的角度无关，被柔性纳米锥膜涂层覆盖的光伏电池表面稳定地反射最小百分比的光。因此被柔性纳米锥膜涂层覆盖的光伏电池表面反射更少的光并吸收更多的光。另外，数据显示随着光以更高的入射角接触光伏电池206，纳米锥膜208的抗反射性质更加突显。特别是，在一方面，当光以60°入射角接触纳米锥膜涂层时，光伏电池206的光电转换效率提高了约10％。
在图5(B)，示出了描绘相比于无柔性纳米锥膜208覆盖的CdTe光伏电池206的功率转换的、用柔性纳米锥膜208覆盖的CdTe光伏电池206的功率转换效率的图表。图表识别了关于开路电压(Voc)、填充因子(FF)和(QEJsc)电路电流密度获得的数据。通过每个观测数据可以发现其中用柔性纳米锥膜覆盖的CdTe光伏电池206表面的功率转换效率为15.1％，并且无柔性纳米锥膜的CdTe光伏电池206的功率转换效率为14.4％。这些结果显示了转换效率的约4.9％的提高，这对于高性能CdTe光伏电池206是重要的。
在图5(C)，示出了描绘有柔性纳米锥膜208覆盖以及无柔性纳米锥膜208覆盖的CdTe装置的短路电流密度(QEJsc)的图表。从QE测量获得的电路电流密度分别为25.14mA/cm2和24.03mA/cm2，这表示电路电流密度通过在CdTe光伏电池206表面上采用纳米锥膜208覆盖物而增强了约4.6％。在图5(D)，示出了评估纳米锥膜208层表面覆盖了的光伏电池206在对应于中午时间的垂直入射以及对应于从中午过了4小时后的60°入射假设下的一整天的的功率输出的图表。用纳米锥膜208覆盖的光伏电池206显示了电功率输出的全天的提高。相比于无纳米锥膜208时的.995kWh/m2能量输出，利用纳米锥膜208的光伏电池206的每日功率输出是1.063kWh/m2，这意味着利用纳米锥膜208的光伏电池的功率输出增强了7％。
现转到图6至图8，示出了根据本公开的某些方面的方法或流程图。然而，为了简化说明的目的，公开的各方法作为一系列的动作来示出并描述，公开的主体不受动作顺序的限制，因为一些动作可以以与在此示出和描述的不同的顺序发生并且/或者与在此示出和描述的其他动作并行地发生。例如，本领域技术人员将理解并领会，方法可以替代地表示为例如在状态图中的一系列相互关联的状态或事件。此外，实施根据主题公开的方法并不要求所有示出的动作。
现参照图6，示出了根据实施例的在本文中公开的制造三维柔性纳米锥膜的方法600的非限制性示例的流程图。在602，利用包括以六角图案布置的硅纳米柱的盖印元件在电化学抛光过的铝箔层表面上刻印纳米压痕阵列，从而形成刻印表面。在604，对电化学布置的铝箔层的刻印表面执行电化学阳极氧化和湿法化学刻蚀处理，以制造铝i-锥阵列。在606，将包括聚二甲基硅氧烷的预混溶液涂覆到铝i-锥阵列上，从而形成聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。在608，从铝i-锥阵列去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。
现参照图7，示出了根据实施例的在本文中公开的制造三维柔性纳米锥膜的方法700的非限制性示例的流程图。在702，利用包括以六角图案布置的硅纳米柱的盖印元件在电化学抛光过的铝箔层表面上刻印纳米压痕阵列，从而形成刻印表面。在704，对电化学布置的铝箔层的刻印表面执行电化学阳极氧化和湿法化学刻蚀处理，以制造铝i-锥阵列。在706，在刻印表面上溅射金膜，其中金膜在去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜时阻止聚二甲基硅氧烷粘贴在铝i-锥阵列上。在708，将包括聚二甲基硅氧烷的预混溶液涂覆到铝i-锥阵列上，从而形成聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。在710，从铝i-锥阵列去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。
现参照图8，示出了根据实施例的在本文中公开的制造三维柔性纳米锥膜的方法800的非限制性示例的流程图。在802，利用包括以六角图案布置的硅纳米柱的盖印元件在电化学抛光过的铝箔层表面上刻印纳米压痕阵列，从而形成刻印表面。在804，对电化学布置的铝箔层的刻印表面执行电化学阳极氧化和湿法化学刻蚀处理，以制造铝i-锥阵列。在806，在刻印表面上溅射金膜，其中金膜在去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜时阻止聚二甲基硅氧烷粘贴在铝i-锥阵列上。在808，将包括聚二甲基硅氧烷的预混溶液涂覆到铝i-锥阵列上，从而形成聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。在810，对预混溶液、金膜、和铝i-锥阵列进行脱气和固化。在812，从铝i-锥阵列去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。
鉴于上面描述的示例性装置，可根据描述的主题来实施的方法将参照各种示图的流程图来更好地领会。然而为了简化说明的目的，各方法作为一系列的框来示出并描述，应当理解并领会，要求权利的主题不受这些框的顺序的限制，因为一些框可以以与本公开中示出和描述的不同的顺序发生并且/或者与本公开中示出和描述的其他框并行地发生。在通过流程图示出非顺序的、分枝的流程之处，可以领会，可以实施实现相同或相似结果的各种其他分枝、流程路径、以及框的顺序。此外，实施下文中描述的各种方法并不要求所有示出的框。
除本公开中描述的各种实施例之外，应当理解可以使用其他相似的实施例，或者可以在不偏离(各)实施例的前提下对描述的(各)实施例进行很多修改和添加，用于执行对应(各)实施例的相同或等效的功能。除此之外，纳米锥膜层和纳米锥膜层覆盖的光伏器件可以共享本公开中描述的一个或多个功能的性能。相应的，本发明不应限于任何单个实施例，而是可以根据随附的权利要求在宽度、精神和范围上进行理解。
此外，术语“或”旨在意味包容性的“或”，而非排他性的“或”。也就是，除非另外指定，或者在上下文中明确表示，“X采用A或B”旨在意味任一自然包容性置换。也就是，如果X采用A；X采用B；或者X采用A和B两者，则“X采用A或B”满足前述示例中的任一个。此外，在主题说明书和附图中使用的词语“一个”和“一”应通常理解为意味“一个或多个”，除非另外指定或者从上下文中明确表示为针对单数形式。
上面的描述包括提供主题创新的优点的装置和方法的各示例。当然，为了描述要求权利的主题的目的，不可能描述各个组件或方法的每一种可能的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到，在此描述的各种实施例的许多其他组合和置换是可能的。此外，对于在详细描述、权利要求、附录和附图中使用的术语“包括”、“具有”、“拥有”等，这些术语旨在(以与术语“包括”类似的方式)是包容性的，如术语“包括”在权利要求中作为过渡词采用时被解释的那样。

Claims (22)

1.一种装置，包括：
纳米锥层，其包括第一材料；以及
衬底层，其包括第二材料，其中所述纳米锥层和所述衬底层形成具有抗反射性质的柔性纳米锥膜，其中所述柔性纳米锥膜对用于吸收光并且转换能量的光伏器件进行涂覆，并且其中所述纳米锥膜促进所述光伏器件相对于无所述纳米锥膜涂层时的光吸收的增加，以及所述光伏器件相对于无所述纳米锥膜涂层时的能量转换输出的增加。
2.权利要求1的装置，其中所述第一材料为用阳极氧化铝成型的聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚酰亚胺、或塑料材料中的至少一种。
3.权利要求1的装置，其中所述第一材料是透明的。
4.权利要求1的装置，其中所述第二材料为铝。
5.权利要求1的装置，其中所述纳米锥层涂覆所述光伏器件的顶表面，并且其中所述顶表面最大地暴露于阳光。
6.权利要求1的装置，其中所述柔性纳米锥膜具有超疏水性，并且其中位于所述柔性纳米锥膜顶表面的水滴相对于所述顶表面以大于或等于150度的角度接触。
7.权利要求6的装置，其中所述超疏水柔性纳米锥膜促进从所述光伏器件去除水和灰尘。
8.一种方法，包括：
用包括以六角图案布置的硅纳米柱的盖印元件在电化学抛光过的铝箔层表面上刻印纳米压痕阵列，从而形成刻印表面；
对电化学布置的铝箔层的所述刻印表面进行电化学阳极氧化和湿法化学刻蚀以制造铝i-锥阵列；
将包括聚二甲基硅氧烷的预混溶液涂覆到所述铝i-锥阵列上从而形成聚二甲基硅氧烷纳米锥膜；以及
从所述铝i-锥阵列去除聚二甲基硅氧烷纳米锥膜。
9.权利要求8的方法，还包括：对所述预混溶液、金膜和所述铝i-锥阵列进行脱气和固化。
10.权利要求8的方法，还包括：在所述刻印表面上溅射金膜，其中所述金膜在去除所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜时阻止聚二甲基硅氧烷粘在所述铝i-锥阵列上。
11.权利要求8的方法，其中所述电化学阳极氧化和所述湿法化学刻蚀在酸性溶液中进行。
12.权利要求11的方法，其中将直流电压施加到所述铝i-锥阵列。
13.权利要求8的方法，其中使用柠檬酸、磷酸、乙二醇和蒸馏水的混合物来进行所述电化学阳极氧化。
14.权利要求12的方法，其中通过将200V-750V范围内的直流电压施加到所述铝i-锥阵列来使阳极氧化铝产生在所述刻印表面上。
15.权利要求11的方法，其中所述酸性溶液中的所述湿法化学刻蚀在所述刻印表面上产生3-D纳米结构。
16.权利要求8的方法，其中所述纳米压痕阵列包括纳米孔阵列图案或者反向纳米锥阵列图案。
17.权利要求8的方法，其中所述纳米压痕的布置包括六角形或正方形图案。
18.一种装置，包括：
光伏电池，其包括碲化镉材料；以及
聚二甲基硅氧烷纳米锥膜，其覆盖所述光伏电池的表面，
其中所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜包括纳米锥阵列图案层和衬底层，并且其中所述光伏电池相比于无所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池具有增强的抗反射性质，相比于无所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池具有提高的能量转换能力，以及相比于无所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的光伏电池具有增加的能量输出。
19.权利要求18的装置，其中所述纳米锥阵列图案层包括按照包括至少1μm间距和至少1μm高度的图案的至少两个纳米锥。
20.权利要求18的装置，其中抗反射性质的提高响应于以0°至60°范围内的角度入射到所述装置的一条或多条光线而发生。
21.权利要求18的装置，其中所述装置相比于无聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖的装置具有提高的疏水性质，并且其中所述提高的疏水性质通过促进水从所述聚二甲基硅氧烷纳米锥膜覆盖物滴落的同时带走杂物来促进杂物从所述装置的去除。
22.权利要求18的装置，其中所述光伏电池包括铜铟镓硒光伏电池或者硅光伏电池。
CN201480063289.XA 2013-11-21 2014-11-21 三维抗反射纳米锥膜 Pending CN105849594A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361963020P 2013-11-21 2013-11-21
US61/963,020 2013-11-21
PCT/CN2014/091880 WO2015074601A1 (en) 2013-11-21 2014-11-21 Three dimensional anti-reflection nanocone film

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105849594A true CN105849594A (zh) 2016-08-10

Family

ID=53178981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480063289.XA Pending CN105849594A (zh) 2013-11-21 2014-11-21 三维抗反射纳米锥膜

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160293781A1 (zh)
CN (1) CN105849594A (zh)
WO (1) WO2015074601A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106758537A (zh) * 2017-01-24 2017-05-31 南京大学 一种抗反射透明纸
CN109581559A (zh) * 2019-01-29 2019-04-05 香港中文大学（深圳） 一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构及其制备方法
CN109860313A (zh) * 2019-02-22 2019-06-07 中国科学院半导体研究所 基于纳米锥团簇结构的太阳电池减反射膜及其制备方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017130139A1 (en) * 2016-01-26 2017-08-03 King Abdullah University Of Science And Technology Packaging glass with hierarchically nanostructured surface
EP3959538A1 (en) 2019-04-26 2022-03-02 Sony Group Corporation Radar probing using radio communication terminals
WO2024047257A1 (de) 2022-09-02 2024-03-07 Fusion Bionic Gmbh Strukturiertes optoelektronisches bauelement

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100240167A1 (en) * 2009-03-23 2010-09-23 Neil Dasgupta Quantum confinement solar cell fabricated by atomic layer deposition
CN101858995A (zh) * 2009-04-09 2010-10-13 通用电气公司 纳米结构减反射涂膜和相关方法及器件
CN101866958A (zh) * 2010-05-14 2010-10-20 河海大学常州校区 太阳能电池仿生抗反射膜及其制备方法
WO2012037379A2 (en) * 2010-09-15 2012-03-22 Solarity, Inc. Single and multi-junction light and carrier collection management cells
CN103000754A (zh) * 2011-09-16 2013-03-27 香港科技大学 制备铝纳米结构阵列的方法、三维太阳能电池和光伏电池
CN103237837A (zh) * 2010-12-28 2013-08-07 三菱丽阳株式会社 透光性膜的制造方法、活化能射线固化性组合物以及透光性膜
CN103236395A (zh) * 2011-05-25 2013-08-07 新加坡科技研究局 在基底上形成纳米结构的方法及其用途

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100240167A1 (en) * 2009-03-23 2010-09-23 Neil Dasgupta Quantum confinement solar cell fabricated by atomic layer deposition
CN101858995A (zh) * 2009-04-09 2010-10-13 通用电气公司 纳米结构减反射涂膜和相关方法及器件
CN101866958A (zh) * 2010-05-14 2010-10-20 河海大学常州校区 太阳能电池仿生抗反射膜及其制备方法
WO2012037379A2 (en) * 2010-09-15 2012-03-22 Solarity, Inc. Single and multi-junction light and carrier collection management cells
CN103237837A (zh) * 2010-12-28 2013-08-07 三菱丽阳株式会社 透光性膜的制造方法、活化能射线固化性组合物以及透光性膜
CN103236395A (zh) * 2011-05-25 2013-08-07 新加坡科技研究局 在基底上形成纳米结构的方法及其用途
CN103000754A (zh) * 2011-09-16 2013-03-27 香港科技大学 制备铝纳米结构阵列的方法、三维太阳能电池和光伏电池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106758537A (zh) * 2017-01-24 2017-05-31 南京大学 一种抗反射透明纸
CN106758537B (zh) * 2017-01-24 2018-12-25 南京大学 一种抗反射透明纸
CN109581559A (zh) * 2019-01-29 2019-04-05 香港中文大学（深圳） 一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构及其制备方法
CN109581559B (zh) * 2019-01-29 2021-02-02 香港中文大学（深圳） 一种四角双锥阵列组成的双光栅纳米结构及其制备方法
CN109860313A (zh) * 2019-02-22 2019-06-07 中国科学院半导体研究所 基于纳米锥团簇结构的太阳电池减反射膜及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20160293781A1 (en) 2016-10-06
WO2015074601A1 (en) 2015-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
He et al. Enhanced electro‐optical properties of nanocone/nanopillar dual‐structured arrays for ultrathin silicon/organic hybrid solar cell applications
CN105849594A (zh) 三维抗反射纳米锥膜
US9185798B2 (en) Device components with surface-embedded additives and related manufacturing methods
Tétreault et al. Novel nanostructures for next generation dye-sensitized solar cells
US8344238B2 (en) Self-cleaning protective coatings for use with photovoltaic cells
Kim et al. Boosting light harvesting in perovskite solar cells by biomimetic inverted hemispherical architectured polymer layer with high haze factor as an antireflective layer
Zhang et al. Recent advances in highly efficient organic-silicon hybrid solar cells
CN105762286B (zh) 反蛋白石结构钙钛矿薄膜及相应太阳能电池的制备方法
CN102593261A (zh) 一种用于太阳电池的硅基纳米结构及其制备方法
CN102299206A (zh) 一种异质结太阳电池及其制备方法
CN104051580B (zh) 硅太阳能电池及其制备方法
Huh et al. Long-term analysis of PV module with large-area patterned anti-reflective film
Qiu et al. Nanobowl optical concentrator for efficient light trapping and high-performance organic photovoltaics
CN103924306B (zh) 一种硅异质结太阳电池的制绒方法
CN208173604U (zh) 改进的太阳能电池装置
KR20130140385A (ko) 금속 배선이 매립된 기판을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조방법
Son et al. Large scale antireflective glass texturing using grid contacts in anodization methods
Li et al. Cylindrical lens array concentrator with a nanonipple-array antireflective surface for improving the performances of solar cells
KR20100022859A (ko) 직접 ＺｎＯ 패터닝을 통한 고효율 태양전지 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지
CN104465814B (zh) 一种结合氧化锌纳米结构超小绒面太阳电池及其制备方法
KR101976918B1 (ko) 구조체 배열을 이용한 무손실 대면적 태양광 발전 시스템 및 그 제조 방법
US11950436B2 (en) All-back-contact photovoltaic devices using cracked film lithography
CN102217079A (zh) 多结光电器件及其生产方法
Pathirane Flexible 3-Dimensional Hybrid ZnO Nanowire/a-Si: H Thin-Film Solar Cells
Kim et al. Efficiency improvement of flexible Cu (In, Ga) Se 2 solar cells by integrating a micro-prism array transferred to soft-polydimethylsiloxane

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160810