[發明專利]基于硅基單面集成吸收發射器的太陽能熱光伏電池

有效

• 申請號: 202010051089.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111244219B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 徐駿;侯國智;王朝曄
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/054
• 分類號: H01L31/054;H01L31/055;H01L31/18
• 代理公司: 南京樂羽知行專利代理事務所(普通合伙) 32326
• 代理人: 李培

本發明公開一種基于硅基單面集成吸收發射器的太陽能熱光伏電池，包括頂層太陽能聚光系統、底部的選擇性吸收發射器、環繞在選擇性吸收發射器周圍的窄帶隙光伏電池以及選擇性吸收發射器下部的儲熱層；所述選擇性吸收發射器包括硅片襯底以及設置在所述硅片襯底上的若干個不同深度層次的扇形側壁納米孔陣列。本發明提出的無光刻簡易制備的硅基半導體金屬復合結構，利用其獨特光學特性可應用為太陽能熱光伏系統的單面集成吸收發射器，得到更高的太陽能轉換效率。

技術領域

本發明涉及一種可應用為單面集成吸收發射器的硅基半導體-金屬復合結構及其制備方法，屬于太陽能熱光伏領域。

背景技術

太陽能熱光伏技術，是利用太陽能熱源來加熱一個輻射體，再將輻射體的紅外輻射轉換為電的技術。相比于其他太陽能轉換系統，太陽能熱光伏技術可以同時補充其他能源來長時間工作，并與儲熱系統集成在一起，這一技術可以突破單結太陽能電池的理論極限，達到85.4%的高效光電轉換效率。其中，光譜選擇性的吸收體和發射體是太陽能熱光伏系統的核心器件。為了最大化利用太陽能，熱光伏太陽能系統要求吸收體高效吸收與發射體窄帶發射的協同工作，理想的熱光伏吸收體要同時高效吸收太陽能和抑制輻射損耗，理想的熱光伏發射體要求只在對應系統內光伏電池帶隙能量的波長處有著高的發射率。

絕大部分報道的吸收體和發射體都是各自獨立設計，集成在襯底的兩面，這樣的設計直接簡單，卻增加了制備與系統搭建的難度。于是科學家們開始將吸收體與發射體集成設計，可以大大簡化制備工藝，且單面雙功能器件可以使熱光伏系統引入新的系統設計，例如集成儲能器件。但是目前單面集成選擇吸收器的設計多為結構復雜，尺寸精細，需要借助高精度的光刻手段，實現難度大。

發明內容

發明目的：針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提供用于太陽能熱光伏電池的硅基單面集成吸收發射器及其制備方法，本結構可通過簡易的微加工方式進行制備，能夠實現短波范圍內優異的光學吸收，以及長波處可選擇性的窄帶輻射。

技術方案：基于硅基單面集成吸收發射器的太陽能熱光伏電池，包括頂層太陽能聚光系統，其特征在于：還包括底部的選擇性吸收發射器、環繞在選擇性吸收發射器周圍的窄帶隙光伏電池以及選擇性吸收發射器下部的儲熱層；所述選擇性吸收發射器包括硅片襯底以及設置在所述硅片襯底上的若干個不同深度層次的扇形側壁納米孔陣列；所述硅片襯底的上表面和扇形側壁納米孔陣列的扇形側壁自外而內依次包括高溫保護及相干吸收層、等離激元吸收層以及有序硅納米孔陣列，所述高溫保護及相干吸收層為氧化鋁，所述等離激元吸收層為金。

本發明還公開了一種用于太陽能熱光伏電池的硅基單面集成吸收發射器的制備方法，其特征在于包括如下幾個步驟：

1）清洗單晶硅片作為襯底，用 RCA 標準清洗流程進行清洗；

2）掩膜板制作，通過提拉法在硅片上覆蓋一層密堆積兩種不同尺寸的PS小球作為掩膜板；

3）將鋪有單層PS小球掩膜的硅片樣品放入等離子體刻蝕機腔室，腔室抽真空至8*10^-4Pa，通入刻蝕氣體氧氣，流量設置為50sccm，功率設置為100W，通過自主設定氣體流量刻蝕時間，氣體刻蝕PS小球速率為每分鐘40nm，獲得不同大小尺寸的PS小球；

4）磁控濺射鋁薄膜，腔體抽真空至4*10^-4Pa，通入氬氣，流量設置為40sccm，功率設置為100W，預濺射120s后打開擋板閥，在樣品上表面濺射鋁膜300s~600s；

5）將濺射有鋁薄膜的樣品置于酒精中超聲，在樣品上表面獲得鋁納米網絡陣列結構；

6）將樣品放入等離子體刻蝕機腔室，腔室抽真空至8*10^-4Pa，交替通入刻蝕氣體六氟化硫、鈍化氣體八氟化四碳，氣體流量設置為100sccm，功率設置為100W，刻蝕時間為10s~20s，鈍化時間為5s~10s，通過改變交替循環次數獲得不同深度層次的扇形側壁納米孔陣列；