[發明專利]硅納米管陣列作為太陽能電池的表面微納結構的應用

有效

• 申請號: 201310287086.6
• 申請日: 2013-07-09
• 公開（公告）號: CN103367474B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 張銘;李青柳;嚴輝;王如志;汪浩;王波;侯育冬;朱滿康;宋雪梅;劉晶冰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L31/0256
• 分類號: H01L31/0256;H01L31/042;C01B33/02;B82Y30/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體的說，涉及一種具有優異減反、陷光性能的硅基太陽能電池新型表面微納結構，就是硅納米管陣列的新用途。

背景技術

隨著氣候日益惡化和能源需求的不斷擴大，可再生能源技術的開發利用將成為解決這一問題的重要環節。在各種可再生能源（太陽能、水能、核能、風能和生物質能等）中，太陽能是一種取之不盡、用之不竭的能源形式，它具有綠色清潔、無污染和自由利用等特點。對于我國經濟的快速發展、能源消耗的迅速攀升，人均資源卻又明顯低于全球平均水平的嚴峻現實來說，發展太陽能具有重要的現實意義和深遠的戰略價值。

從目前光伏太陽能電池的發展來看，要想實現光伏發電的社會化應用，其主要困難是現有太陽能電池發電的價格與常規能源相比過于昂貴。因此提供廉價的或高性價比的太陽能電池是光伏發電應用和發展的基本要求和關鍵。就目前廣泛應用的硅基太陽能電池來說，其主要一部分光學損失來自于太陽能電池自身的反射損失。如果能降低反射損失，將其轉換為電能，就可以大大提高太陽能電池的光電轉換效率，從而降低太陽能電池發電的價格。

目前工業上廣泛使用的減反膜多為氮化硅薄膜，其反射損失在10%左右。另一類為通過物理刻蝕或化學腐蝕的方法制備的金字塔形的絨面結構，其反射損失可控制在4.2%。該方法只適用于晶體硅太陽能電池上，對于多晶硅來說，由于其晶粒取向的隨機性，不能有效降低反射損失。

與硅納米線和碳納米管的應用相似，硅納米管（Silicon?nanotubes）在納米電子器件、傳感器、場發射顯示器、納米磁性器件及光電子器件領域有著廣泛的應用前景。將硅納米管陣列（Silicon?nanotubes?arry,SiNTA）用于太陽能電池減反陷光層對太陽能電池提高光電轉換效率將有極其重要的意義和應用價值。

發明內容：

傳統的減反陷光技術比較單一，且其陷光性能均存在一定的極限，為解決現有技術上的不足，進一步提高光的利用效率，本發明提出將硅納米管陣列微納結構作為太陽能電池的減反陷光層，其具有的結構特征為：

硅納米管的外半徑為20-200nm，內外徑之比小于1，長徑比大于10，硅納米管的陣列填充率為0.1-0.785；

其中填充率計算公式為：

其中r₂、r₁分別為硅納米管的外半徑和內半徑，d為相鄰兩硅納米管的中心距。

結果表明，硅納米管陣列的外半徑在20-200nm之間，填充率在0.1-0.785之間，內外徑之比大于0.4，且長徑比越大其陷光性能越優越。以填充率為0.2的硅納米管陣列（SiNTA）為例，得出在可見光波段內（300-850nm）當內外徑之比大于0.4時，其反射率在整個波段內保持在0.5%以下，接近于0，且當波長大于400nm時，陣列具有高透過率，平均值在90%以上。本結構設計與傳統減反層結構相比，具有優異的減反陷光性能，可進一步提高陷光效果，并且解決了傳統的陷光結構受晶粒取向限制的問題。

硅納米管陣列具有低反射與高透過的特點。與相同填充率的硅納米線陣列相比，硅納米管的反射率要低于硅納米線陣列的，原因在于納米管是中空，相當于其實際填充率減小。另外得出當內外徑之比低于0.4時，受強耦合的限制，其內徑空洞可以忽略不計。因此，本結構可作為一種新型的、具有優異性能的太陽電池減反層使用，可具有優異的減反陷光特性，與目前陷光性能很好的硅納米線相比，性能更為優異，對太陽能電池的發展有特殊的意義。

附圖說明

圖1為硅納米管陣列的模型；

圖2為不同內外徑比下硅納米管（SiNTA）的反射率；

圖3為不同內外徑比下硅納米管（SiNTA）的吸收率；

圖4為相同填充率下硅納米線與硅納米管的反射率對比。

具體實施方式：

下面結合實施例對本方面做進一步的說明，單本發明并不限于以下實施例。

1、首先采用傳統方法（如光刻、納米壓印等）制備具有不同內外徑及填充率的硅納米管陣列，結構如圖1所示。

2、在填充率一定的情況下，改變SiNTA的內外徑比研究其反射率變化。通過對比發現內外徑之比與SiNTA的反射率成反比，因此在選擇SiNTA的結構時，在填充率一定的情況下，盡量選擇將管壁做薄，這樣可擁有更低的反射率詳見圖2；