CN109524489A - 一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构。该结构由单晶硅衬底上周期排布的硅纳米柱阵列小单元构成。通过综合利用不同种类的纳米柱结构的优秀性能，将不同的纳米柱组合促使优异的性能进行累加，从而实现可调节宽波长范围内的低反射率，实现抗反射、增透射、光选择或滤光等作用。本发明在叠层太阳能电池、具有结构色显色和一些需滤光的光电器件中都可以获得重要的应用。
Description
技术领域
该发明属于实现抗反射的纳米柱结构领域。
背景技术
纳米柱是纳米结构领域内的一种新出现的技术。纳米柱阵列结构由不同排列组合的纳米柱构成，已在高效率太阳板应用、高分辨分析和抗细菌表面等方面表现出了优良的特性。纳米柱结构是一种源于“moth eye”（蛾眼）的仿生结构；在蛾眼表面，存在顶端偏尖的柱体结构且柱体结构之间存在空隙，因而导致原同一方向的入射平行光在纳米柱结构中改变了入射角度。同理，在太阳能电池应用中，待入射光穿透到平面底部之前，它会沿着纳米柱或者在纳米柱之间反弹更多的次数，每一次反弹都会有更多的光子被吸收。不同材料的纳米柱结构，可以在不同的领域实现不同的应用；例如金纳米柱的表面等离子效应，硅纳米柱的抗反射层等。因此，纳米柱阵列结构可以通过结构内部的排列组合的改变和纳米柱材料的改变实现多种多样的功能，应用前景广阔。
太阳能电池是新能源发展的重要一员，但在能量转换中存在转换极限，该极限限制了光伏电池的发展；因此，在光伏电池结构中引入抗反射结构，提供有效的光抗反射，对于太阳能电池的发展具有深远意义。现今纳米柱结构在抗反射方面表现出的优良特性，对光伏电池进一步发展的作用不言而喻。不仅仅是太阳能电池，对于有特殊光要求的光学器件，将不同种类的结构组合起来，纳米柱结构将会发挥出举足轻重的作用。
发明内容
本发明主要针对太阳能电池等光学器件，提出一种能够通过不同种类纳米柱组合实现宽波段光抗反射的硅纳米柱阵列结构。
一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于该结构由单晶硅衬底上周期排列的硅纳米柱阵列小单元构成，其中硅纳米柱阵列小单元由多种具有不同尺寸的硅纳米柱组合构成，并且硅纳米柱在小单元中具有特定的占空比。
作为优选，所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构其硅纳米柱阵列小单元的周期长为Px,宽度为Py,且80nm≤Px≤1μm, 40nm≤Py≤500nm。
作为优选，所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构其硅纳米柱阵列小单元中的硅纳米柱横截面为圆形，半径为R，且15 nm≤R≤80 nm。
作为优选，所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构其硅纳米柱阵列小单元内含有不同尺寸的硅纳米柱种类为N，每种硅纳米柱至少1根，且2≤N≤5。
作为优选，所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构其硅纳米柱阵列小单元内硅纳米柱占空比S为所有不同种类硅纳米柱横截面积之和与小单元面积之比，且0.5≤S≤0.7。
作为优选，所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构其硅纳米柱阵列小单元中的硅纳米柱高度分别为H1、H2, ……, HN，且10 nm≤HN≤500nm。
本发明益处在于将仅对特定波长优良抗反射的单一结构硅纳米柱结构和其他波长范围抗反射的不同种类硅纳米柱组合作用，实现优势抗反射波长范围共享，劣势抗反射波长范围互补；由此，实现宽波长范围的优良抗反射光作用，实现多段短波长范围的低反射可以用于滤光和光选择；良好的吸收应用于结构色的显色也可发挥良好作用。
附图说明
图1为一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构的俯视图。
图2为一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构中单个硅纳米柱阵列小单元的正视图。
图3为实施例1含有高度为H1、H2两类硅纳米柱的阵列结构实施效果与单高度硅纳米柱阵列结构实施效果的比对图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具有宽波段抗反射的硅纳米柱阵列结构进一步详细描述。不同高度的相同半径圆形横截面硅纳米柱结构的反射率会有所变化，当硅纳米柱结构的高度依次取60nm、80nm、100nm、120nm、140nm时，相应的在492nm、628nm、749nm、898nm和1043nm处的反射率非常低，不同高度的硅纳米柱在不同的波长具有优秀的抗反射率。
实施例1为本发明的一种混合类型。通过利用单一高度的相同半径圆形横截面纳米柱结构在特定波段的优良抗反射特性，进行不同高度纳米柱结构组合，实现宽波段抗反射；如图3所示，该纳米柱阵列结构中横截面皆为半径R为18nm的圆形，两种硅纳米柱高度分别为H1、H2（H1=60nm,H2=140nm），纳米柱阵列小单元周期Px=80nm,Py=40nm，占空比S为0.63。将在492nm处低反射的高度为H1的纳米柱结构和在1043nm处低反射的高度为H2的纳米柱结构组合得到60nm-140nm双混合纳米柱结构，该结构整合了两个高度纳米柱的反射率特点，降低了140nm高度的纳米柱在400-800nm波长范围的高反射率和60nm高度纳米柱在800-1400nm范围的高反射率；相比于单高度纳米柱结构，硅纳米柱结构在400-1400nm波长范围表现出更加优秀的抗反射率。
Claims (6)
1.一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于该结构由单晶硅衬底上周期排列的硅纳米柱阵列小单元构成，其中硅纳米柱阵列小单元由多种具有不同尺寸的硅纳米柱组合构成，并且硅纳米柱在小单元中具有特定的占空比。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于硅纳米柱阵列小单元的周期长为Px,宽度为Py,且80nm≤Px≤1μm, 40nm≤Py≤500nm。
3.根据权利要求1所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于硅纳米柱阵列小单元中的硅纳米柱横截面为圆形，半径为R，且15 nm≤R≤80 nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于硅纳米柱阵列小单元内含有不同尺寸的硅纳米柱种类为N，每种硅纳米柱至少1根，且2≤N≤5。
5.根据权利要求1所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于硅纳米柱阵列小单元内硅纳米柱占空比S为所有不同种类硅纳米柱横截面积之和与小单元面积之比，且0.5≤S≤0.7。
6.根据权利要求4所述的一种具有宽波段抗反射能力的硅纳米柱阵列结构，其特征在于硅纳米柱阵列小单元中的硅纳米柱高度分别为为H1、H2, ……, HN，且10 nm≤HN≤500nm。
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