CN113199683A - 一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法。其特征是：首先将太阳能级玻璃衬底a经过微加工工艺制备成凹坑阵列结构玻璃b，接着在凹坑阵列结构上浇注PDMS溶胶形成PDMS溶胶与结构玻璃混合体c，最后将固化后的PDMS胶膜进行拔模，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜d。本发明应用于薄膜太阳能电池的上表面形成表面陷光结构，相对于平板结构能有效减少光反射，增加光吸收，延长光程，加强表面光能俘获能力，最终提升太阳能电池的光电转化效率。本发明能重复多次的利用凹坑阵列结构玻璃制备表面微纳凸包阵列结构，具有工艺简单，降低成本的优点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法，属于太阳能电池领域，具体涉及微纳加工工艺，光电子器件。
(二)背景技术
随着世界人口的日益增长以及不可再生资源的逐渐短缺，在可预见的未来，能源问题将成为困扰人类生存与发展的主要问题之一，能源之争也会成为世界各国所需要考虑的战略问题。作为新能源之一的太阳能，其具有无污染，可再生，总量大，分布广等优点，越来越受到人们的重视。薄膜太阳能电池是近年来开发利用太阳能资源的主要方式，所以如何提升薄膜太阳能电池的光电转化效率已成为从事太阳能电池行业等科研人员的研究重点。
微纳陷光结构具有降低光反射，减少光能逃逸以及增加光程长度等特性，能有效提升太阳能电池的光电转化效率。其中的纳米微球阵列结构，因其较大的表面积和良好的光学特性，在太阳能电池领域具有广泛的应用，所以如何制备出理想的纳米微球阵列结构是一个非常重要的研究课题。黄富强与李德增于2011年公开的一种宽带减返增透纳米结构及其制备方法(中国专利：202010571961.X)主要是采用了溶胶-凝胶技术在纳米薄膜上制备一层纳米球阵列结构，或是将纳米球分散在前驱液中制备复合薄膜；李静等人于2013年公开的一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法(中国专利：201310012724.3)主要是采用了旋涂-反应离子刻蚀-沉积-退火的技术方法在太阳能电池表面制备出ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列；梁继然等人于2016年公开的一种单层有序二氧化硅纳米球阵列的制备(中国专利：201610565422.2)主要是采用了引流分散提拉法在室温下制备出了一层单层有序二氧化硅纳米球阵列。上述制备方法都制备出了纳米微球阵列结构，但所制备的纳米球阵列在其整齐排列性以及单层有序性都比较难以保证，且都是利用制备好的纳米微球进行阵列结构的制备，技术方法都比较缺乏独立性。
本发明公开了一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法。该发明是以太阳能级玻璃为衬底，在所述衬底表面制备凹坑阵列结构，然后以该凹坑阵列结构玻璃为模板，在上面浇注PDMS膜，将结构玻璃上的凹坑结构转移到PDMS胶上，制备出微纳凸包阵列结构(类纳米微球阵列结构)。与在先技术相比，本发明能够制备出整齐排列且单层有序的微纳凸包阵列结构，对于制备出的凹坑阵列结构玻璃能够重复多次使用，具有工艺简单，降低成本的优点。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法。其特征是：首先将太阳能级玻璃衬底a经过微加工工艺制备成凹坑阵列结构玻璃b，接着在凹坑阵列结构上浇注PDMS溶胶形成PDMS溶胶与结构玻璃混合体c，最后将固化后的PDMS胶膜进行拔膜，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜d。所述结构的制备工艺中，太阳能级玻璃衬底a需要经过RCA(标准清洗法)步骤进行彻底的清洗，然后通过光刻、显影、离子束刻蚀等微加工工艺，结合HF刻蚀与干法刻蚀的方法，在太阳能级玻璃衬底的表面上形成凹坑阵列结构，制备出凹坑阵列结构玻璃b，接着将调配好的的PDMS溶胶浇注在凹坑阵列结构玻璃上面进行浇注并进行真空处理，采取70度的温度对PDMS胶进行不小于4小时的加热固化，最后将固化好的微纳结构胶膜进行拔膜，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜d。
所述的凹坑阵列结构玻璃的具体制备流程为：其一，采用RCA清洗法对太阳能级玻璃进行清洗处理；其二，采用磁控溅射法在清洁玻璃表面先后溅射Cr层和Cu层；其三，在Cr/Cu金属种子层上旋涂光刻胶，然后进行烘干处理；其四，在光刻设备中采用350-450的紫外光对样品进行光刻处理，然后在显影液中显影，最后用70-90度的温度对样品进行烘烤；其五，采用丙酮溶液对烘烤完成后的样品进行去胶处理；其六，采用HF溶液对样品进行刻蚀处理；最后，采用硝酸铈铵和高氯刻蚀液对刻蚀后的样品进行去除金属种子层处理，制备出凹坑阵列结构玻璃。其中，若凹坑阵列结构玻璃的深宽比少于0.5，可以只采用HF刻蚀法刻蚀玻璃，若深宽比大于0.5则需采用RIE刻蚀与HF刻蚀相结合的方法。所述凹坑阵列结构玻璃的周期与深度为微纳米级别。
所诉的表面微纳凸包阵列结构的具体制备流程为：其一，将PDMS主体胶与固体剂按(10：1，质量比)均匀混合，并在真空干燥箱中进行抽真空处理，以排除PDMS混合胶中残留的空气；其二，将抽除空气后的PDMS混合胶浇注在上述制备的凹坑阵列结构玻璃模板上，并再次在真空干燥箱中进行抽真空处理，以确保胶体内和结构坑内的空气皆尽排出。其三，采用70度的温度将PDMS溶胶与结构玻璃混合体加热不少于4小时，将PDMS溶胶完全固化；其四，采用脱膜工艺将PDMS胶膜和凹坑阵列结构玻璃模板分离，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜。所述微纳凸包阵列结构的尺寸与周期为微纳米级别。
(四)附图说明
图1是表面微纳凸包阵列结构制备的整体流程示意图。图中，(a)为太阳能级玻璃衬底；(b)为凹坑阵列结构玻璃；(c)为PDMS溶胶与结构玻璃混合体；(d)为带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜。
图2是表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.4的PDMS胶膜剖面图，高宽比＝高/宽。
图3是表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.4的PDMS胶膜覆盖在薄膜太阳能电池上表面的剖面示意图。图中，1为微纳凸包阵列结构PDMS胶膜；2为折射率匹配液；3为太阳能级平板玻璃；4为电池前电极层；5为电池p-i-n结构层；6为背电极层及过渡层；7为背面反射层。
图4是平板PDMS太阳能电池与表面微纳凸包阵列结构PDMS太阳能电池的外量子效率对比曲线图。
图5是表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.4，放大500倍的PDMS胶膜电镜图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.4的PDMS胶膜制备实施例。其具体实施步骤为：首先通过光刻、显影及刻蚀等工艺在太阳能级玻璃上制备周期约为20μm，深宽比约为0.4的半球凹坑阵列结构；其次将PDMS主体胶与固体剂按(10：1，质量比)均匀混合，并进行抽真空处理；然后将抽除空气的混合胶在上述制备的阵列结构上浇注1mm的厚度，并再次进行抽真空处理；接着采用70度的温度将PDMS溶胶与结构玻璃混合体加热不少于4小时，将PDMS溶胶完全固化；最后采用脱膜工艺将PDMS胶膜和凹坑阵列结构玻璃模板分离，制备出表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.4的PDMS胶膜。将所制备得到的表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.3的PDMS胶膜放到放大500倍的电镜下观察，观察情况如图5所示。
图3给出了表面微纳凸包阵列结构在太阳能电池中应用的实施例。其具体实施步骤为：首先以10μm的太阳能级平板玻璃3为衬底，在其上沉积0.3μm TCO，作为前电极4；其次在TCO上沉积0.3μm a-Si，作为电池的p-i-n结构层5；然后在a-Si上沉积0.1μm AZO作为背电极及过渡层6；接着在AZO上沉积0.3μm Ag作为背面反射层7，完成硅薄膜太阳能电池的制备；最后将上述实施例制备的表面微纳凸包阵列结构高宽比约为0.4的PDMS胶膜1“覆盖”在硅薄膜太阳能电池的上表面，并在中间填充由乙醇C2H5OH、液状石蜡和溴代奈C10H7Br按1:1:1的比例配置而成的折射率匹配液2来消除空气层的影响，最终完成表面微纳凸包阵列结构太阳能电池的制备。图4所示为平板PDMS太阳能电池与表面微纳凸包阵列结构PDMS太阳能电池的外量子效率对比曲线图，从图中可知，表面微纳凸包阵列结构PDMS太阳能电池的外量子曲线相对于平板PDMS太阳能电池有明显的提升，这表明微纳凸包阵列结构具有减少光反射，增加光吸收，延长光程，加强表面光能俘获能力，提升太阳能电池的光电转化效率的优点。
以上对本发明的具体实施做了详细描述，但必须再次重申的是，本发明的核心内容是将PDMS溶胶浇注在凹坑阵列结构玻璃上，通过图形复制转移的方法来制备整齐排列且单层有序的微纳凸包阵列结构，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域的技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形和改进，这不影响本发明设计的实质内容。
Claims (3)
1.一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法。其特征是：首先将太阳能级玻璃衬底a经过微加工工艺制备成凹坑阵列结构玻璃b，接着在凹坑阵列结构上浇注PDMS溶胶形成PDMS溶胶与结构玻璃混合体c，最后将固化后的PDMS胶膜进行拔模，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜d。所述结构的制备方法中，太阳能级玻璃衬底a需要经过RCA(标准清洗法)步骤进行彻底的清洗，然后通过光刻、显影、离子束刻蚀等微加工工艺，结合HF刻蚀与干法刻蚀的方法，在太阳能级玻璃衬底的表面上形成凹坑阵列结构，制备出凹坑阵列结构玻璃b，接着将调配好的PDMS溶胶浇注在凹坑阵列结构玻璃结构面并进行真空处理，采取70度的温度对PDMS胶进行不小于4小时的加热固化，最后将固化好的胶膜进行拔膜，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜d。
2.根据权利要求1所述的，带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜中的微纳凸包阵列结构及制备方法，其特征是：以制备好的凹坑阵列结构玻璃b为模板，然后在模板上浇注PDMS胶，将结构玻璃上面的凹坑阵列结构“复制”转移到PDMS胶膜上，在其表面形成微纳凸包阵列结构；所述微纳凸包阵列结构为周期排列的几何图形，其高宽比在0.1-0.8，周期与尺寸均为微纳米级别；所述周期排列的几何图形为半球凸包结构、椭球形凸包结构等。
3.根据权利要求1所述的带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜中的PDMS胶膜，其特征是：所采用的材料为PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，是一种高分子有机硅化合物分子；所述PDMS在使用时要将PDMS主体胶与固体胶按(10：1，质量比)均匀混合，并进行抽真空处理，以排除混合液中的空气；所述PDMS混合液在浇注到结构玻璃上时，要再次进行抽真空处理，并采用70度的温度加热固化不下于4小时后进行脱模，制备出带有表面微纳凸包阵列结构的PDMS胶膜。
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| CN202110468217.5A CN113199683A (zh) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | 一种提升太阳电池表面光能俘获的微纳结构及制备方法 |
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2021
- 2021-04-28 CN CN202110468217.5A patent/CN113199683A/zh active Pending
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