[發明專利]有序三維納米結構陣列的卷對卷制造方法及其材料和產品

在審

• 申請號: 201410123263.1
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN104078532A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 范智勇;梁兆豐
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: H01L31/20
• 分類號: H01L31/20;H01L31/0236;H01L31/0352;H01L31/06;B82Y40/00
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 陳源;顧麗波

相關申請的交叉引用

本申請要求于2013年3月29日提交的題為“ROLL-TO-ROLL?FABRICATION?OF?ORDERED?THREE-DIMENSIONAL?NANOSTRUCTURES?ON?FLEXIBLE?ALUMINUM?SUBSTRATES?FOR?EFFICIENT?THIN?FILM?SOLAR?CELLS”的美國臨時專利申請第61/853,144號的優先權，其全部內容通過引用并入本文。

技術領域

所公開的主題涉及納米結構制造，例如，涉及有序三維納米結構陣列的制造及其相關技術、材料和產品。

背景技術

光伏（PV）技術最近已再度受到關注并經歷了相應的技術進步，部分原因是由于這樣的事實：在可再生能源技術之中，PV技術由于其清潔和環境友好的本質以及豐富的太陽能而被認為是最有前途的技術之一。傳統PV技術通常包括與高效率和高穩定性相關聯的單晶硅（c-Si）PV單元。例如，最新水平的單晶硅太陽能電池具有25%的功率轉換效率并且接近20%用于商業太陽能電池板應用。然而，由于與單晶硅太陽能電池相關聯的明顯較高的成本和長能源回收期，單晶硅太陽能電池還沒有取代傳統化石燃料能源。例如，單晶硅太陽能電池使用體硅晶圓用作用于發電的活性材料以及作為整個太陽能電池的支撐襯底。

然而，典型太陽能電池的大部分光吸收發生在上部30微米（μm）表面。因此，為了大幅減小硅材料的使用和傳統硅太陽能電池的相關成本，已開發了薄膜PV技術。薄膜PV技術通常使用薄層PV材料來在可以是輕重量和/或柔性的各種襯底上制造太陽能電池，而不是使用晶體材料作為活性材料和支撐襯底。雖然已開展研究以改善薄膜PV器件的材料和器件結構，以便將性能提高到與單晶太陽能電池的性能可相比的水平，但還需要進一步改善。

例如，為了提高薄膜PV器件性能，可以將表面紋理增加至PV器件的正面和/或底面用以增加光散射以及減小表面反射。作為示例，納米結構可以被用來改變表面光學特性和器件結構，這一般用于光學應用，具體還用于PV技術。例如，諸如納米管、納米棒、納米柱，納米錐、納米圓頂、納米線之類的三維（3-D）納米結構在上述應用中是有吸引力的，這是因為3-D納米結構相對于襯底的平坦表面能夠增加表面面積。因此，相對于二維（2-D）紋理襯底的表面結構，3-D納米結構的增加的表面面積可以便于寬帶光吸收并且增加效率。

然而，增加表面紋理和/或相關結構的方法通常包括使用復雜和/或昂貴工藝的制造方法，其中通過實現規模經濟來降低成本的機會是有限的。例如，制造3-D納米結構的傳統方法通常致力于通過汽液固生長、光刻、納米轉移印刷和/或毛細管微模塑法的制造。因此，雖然得出的3-D納米結構在便于寬帶和高效的光捕獲方面可以是有效的，但這些方法依然昂貴且復雜，并且可控性和可擴展性差，因此限制了3-D納米結構在諸如薄膜PV技術之類的實際應用中的適用性。

在一個示例中，在諸如硅或二氧化硅玻璃之類的硬的和/或剛性PV襯底上布置的微結構和/或納米結構是非柔性的，這限制了其安裝選擇和相關應用和市場。此外，該剛性襯底實施通常涉及批量處理，其處理相比于連續處理技術相對昂貴，并且這會限制與批量處理相關聯的可用規模經濟。在另一示例中，在納米結構頂部上制造了3-D結構太陽能電池的納米結構（例如，納米凹面、納米柱、納米錐等）需要對表面形態和光子管理特別護理，以提供足夠的性能改善同時保持薄膜PV技術相對于傳統c-Si?PV技術的低成本。要注意的是，納米結構的光子管理能力可以取決于幾何因素以及材料固有的光學特性。因此，還要注意的是，控制納米結構的幾何特性（諸如節距、高度、形狀）的能力例如可以便于制造光學器件結構。例如，已探索了諸如納米柱、納米金字塔之類的3-D納米結構，以提高光捕獲效率，但此結構通常利用上述昂貴工藝來制造，可擴展性被限制。作為示例，通過光刻和反應離子刻蝕（RIE）制造的結構涉及昂貴設備和相關支持設施，其維護也昂貴。此外，也需要批量處理的此紋理襯底的可擴展性被腔室尺寸和/或工藝設備的能力限制，這些結合在一起阻礙了薄膜PV技術的商業化。