CN113299776A - 一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法。其特征是：金字塔结构硅片(a)通过化学腐蚀法制备得到微纳混合结构，简称黑硅(b)，然后以黑硅(b)为模板，在其结构面上浇筑PDMS胶，得到黑硅和PDMS胶的混合结构体(c)，最后通过脱模过程得到表面微纳混合结构PDMS薄膜(d)。本发明可用于硅薄膜太阳能电池或者其他玻璃封装表面光电子器件，是一种高效的表面陷光结构，能显著降低玻璃器件表面的光反射率，提升器件的光电转换效率。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法，属于光电器件领域，具体涉及表面陷光技术、微纳加工。
(二)背景技术
目前大部分的太阳能电池表面均为平面结构，当光照射到电池表面时，就有很大一部分入射光被反射，造成电池表面大量光能损失。而表面陷光结构可以有效地减少电池表面光能反射，增强太阳能电池的光吸收，同时减少电池内部光能逃逸，在一定程度上延长光程，从而提高电池的转换效率。微纳混合结构通常指微米结构表面还存在着纳米结构，或者是微米结构与纳米结构的间隔分布所形成的混合结构，是一种高效的表面陷光结构。制备了微纳混合结构的硅材料，具有高效光能俘获能力，表面呈现“黑色”，被称为黑硅，相比传统的硅表面金字塔陷光结构，具有更低的表面反射率。聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种具有良好透光性和化学稳定性的高分子聚合物材料，其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，被广泛应用于光电器件等领域。在太阳能电池表面引入微纳混合结构PDMS薄膜不会破坏电池本身，在不改变原有电池制备工艺的情况下，可以进行工业化大面积生产和推广，降低电池表面反射，提高电池的光电转换效率。
为解决微纳混合结构的制备问题，通常有两种制备方法，一种是飞秒激光扫描法，另一种是化学腐蚀法。飞秒激光设备昂贵，制备面积小，工艺复杂，所以大多采用化学腐蚀法。李华高等人于2017年公开的制作黑硅及黑硅表面钝化层的方法(中国专利：201710686567.2)通过对工艺片上采用混合溶液浸泡和水浴加热制备出微纳混合结构。李璐等人于2018年公开的一种蜂窝状湿法黑硅绒面结构及其制备方法(中国专利：201711005958.X)将金刚线多晶硅片进行挖孔和扩孔作业，并在碱洗槽内的碱洗液中添加NH3.H2O和H2O2，在酸洗槽内的酸洗液中加H2O2，制备得到微纳混合结构。毛海央等人于2017年公开的黑硅、制备工艺及基于黑硅的MEMS器件制备方法(中国专利：201710871041.1)在衬底上形成聚合物，然后利用去除聚合物过程中的产物，在聚合物的初始位置上形成纳米森林结构，以及在纳米森林结构上沉积硅薄膜材料层，得到微纳混合结构。上述制备出的微纳混合结构都在不同程度上提升了电池的转换效率，但是工艺较为复杂，且只能应用于硅太阳能电池，限制了微纳混合结构的应用推广。
本发明公开了一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法，可广泛用于光电器件等领域。与在先技术相比，通过化学腐蚀法在金字塔结构硅片(a)上刻蚀纳米线阵列，得到微纳混合结构，简称黑硅(b)，再以黑硅(b)为模板，用PDMS胶在黑硅(b)上进行浇筑，得到黑硅和PDMS胶的混合结构(c)，最后通过脱模过程得到表面微纳混合结构PDMS薄膜(d)。相比传统金字塔结构，表面微纳混合结构陷光效果更好，具有更低的反射率，电池的光电转换效率更高。该制备方法可以实现对黑硅结构的“复制”，不仅可以应用于硅薄膜太阳能电池上，还可以应用于玻璃封装表面太阳能电池上，具有更加广泛的应用前景。相对于传统微纳混合结构的制备，价格便宜，易于推广，可以实现工业化大面积制备。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的是一种提升太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法。其特征是：金字塔结构硅片(a)通过化学腐蚀法制备得到微纳混合结构，简称黑硅(b)，然后以黑硅(b)为模板，在其结构面上浇筑PDMS胶，得到黑硅和PDMS 胶的混合结构体(c)，最后通过脱模过程得到表面微纳混合结构PDMS薄膜(d)。所述制备方法中，金字塔结构硅片(a)清洗后固定于玻璃衬底，然后用化学试剂在硅片上刻蚀纳米线阵列，清洗并烘干后制备得到黑硅(b)；接着以黑硅为模板，将调配好的PDMS膜浇筑在黑硅的金字塔结构面，并进行抽真空处理，得到黑硅与 PDMS的混合结构体(c)；最后恒温70度加热至PDMS胶完全固化，再采用拔模工艺将黑硅(b)与PDMS胶膜分离，制备得到表面微纳混合结构PDMS胶膜。
所述黑硅的具体制备流程为：其一，使用丙酮，酒精和去离子水清洗工业上制备有金字结构的硅片，烘干，然后置于玻璃衬底上。将清洗干净的硅片浸泡于氢氟酸HF溶液中约2分钟，用于去除表面的二氧化硅SiO2；其二，将去除硅表面的SiO2的硅片放入到硝酸银AgNO3溶液与HF溶液的混合溶液中，积沉银膜(颗粒)，2分钟后水平拿出。将沉积好银膜的硅片，水平放入到氢氟酸HF 与过氧化氢H2O2混合溶液中，刻蚀纳米线阵列。其三，将反应后的硅片，迅速放入硝酸HNO3的溶液中，超声清洗，以去除表面的银颗粒。待银颗粒去除干净后，用大量去离子水清洗。然后去除玻璃固定基片，硅片烘箱干燥，就可以得到黑硅。
所述的表面微纳混合结构的PDMS薄膜制备的具体步骤为：其一，将 PDMS主体胶与固体剂均匀混合，并进行抽真空处理，以排除混合液中的空气；其二，将抽除空气的混合胶浇注到黑硅上面，并再次进行抽真空处理，以确保胶体内和凹坑结构内的空气完全排出；其三，恒温70度加热至PDMS胶完全固体；最后小心拔出含有表面微纳混合结构的PDMS胶模。
(四)附图说明
图1是表面微纳混合结构PDMS薄膜的制备流程图。
图2是表面微纳混合结构硅薄膜太阳能电池的剖面图。图中，1为硅薄膜太阳能电池；2为折射率匹配液，折射率与空气折射率相当相近，约为1；3为表面微纳混合结构PDMS薄膜。
图3是表面微纳混合结构放大2000倍的电镜(SEM)图
图4是平板结构、金字塔结构与表面微纳混合结构PDMS薄膜的反射光谱对比图。
图5是覆盖平板PDMS，覆盖金字塔结构PDMS和覆盖表面微纳混合结构PDMS硅薄膜太阳能电池的性能(电流电压关系曲线)对比图。
(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给出了表面微纳混合结构PDMS薄膜的实施例。其具体实施步骤为：其一，将直径3英寸、晶向(100)，厚度约为500μm的金字塔硅片置于玻璃衬底上，使用丙酮，酒精和去离子水清洗硅片。将硅片浸泡于浓度为体积分数为2％HF 溶液中，浸泡2分钟，用于去除表面的SiO2；其二，将浸泡后的硅片放入到 0.035mol/L的AgNO3溶液与15vol％HF溶液的混合溶液中(30度)，积沉银膜 (颗粒)，2分钟后水平拿出。将沉积好银膜的硅片，水平放入到10vol％HF与 0.6vol％H2O2混合溶液中，恒温35度，反应10-30分钟，刻蚀纳米线阵列；其三，将反应后的硅片，迅速放入30vol％的浓度HNO3的溶液中，超声清洗，以去除表面的Ag颗粒。待Ag颗粒去除干净后，用大量去离子水清洗。然后去除玻璃固定基片，用60度硅片烘箱干燥，约两个小时，就可以得到黑硅；其四，将PDMS 主体胶与固体剂按10:1的质量比均匀混合，并进行抽真空处理，以排除混合液中的空气；其五，将抽除空气的混合胶浇注到黑硅上面，并再次进行抽真空处理，以确保胶体内和黑硅结构内的空气完全排出。恒温70度加热4小时以上至PDMS 胶完全固体；最后，小心地拔出含有表面微纳混合结构的PDMS胶模。将所制得的PDMS胶膜放至电镜下放大2000倍观察，结果如图4所示。
图3给出了表面微纳混合结构硅薄膜太阳能电池的实施例。其具体实施步骤为：按上述实施例制备表面微纳混合结构PDMS薄膜3，然后将制备好的PDMS薄膜3直接“覆盖”在硅薄膜太阳能电池1表面，然后在中间填充折射率匹配液2，由乙醇C2H5OH、液状石蜡和溴代奈C10H7Br按1:1:1的比例配置而成，用来消除表面微纳混合结构PDMS薄膜3与硅薄膜太阳能电池1之间空气层的影响，然后就可以得到表面微纳混合结构硅薄膜太阳能电池。
图4给出了平板结构、金字塔结构与表面微纳混合结构PDMS薄膜的反射光谱对比图。可见平板结构PDMS薄膜反射率最高，其反射值在7-10％之间。金字塔结构PDMS薄膜的反射率比平板结构要低很多，而表面微纳混合结构 PDMS薄膜的反射率则比金字塔结构的PDMS还要低。微纳混合结构的PDMS与黑硅类似，同样具有非常优秀的陷光特性，特别在可见光区域(400-800nm)，其反射率更是低至4％。这主要得益于PDMS表面的微纳混合结构，实现光的多次吸收。
图5给出了覆盖不同结构的3种非晶硅薄膜太阳能电池的I-V曲线对比图，可见覆盖平板PDMS电池的短路电流最低，覆盖金字塔结构PDMS电池次之，覆盖表面微纳混合结构PDMS硅薄膜太阳能电池的电流最高。结果表明，表面微纳混合结构的陷光特性要好于金字塔结构，好于平面结构，能更加有效地提升电池的光电转化效率。
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制备黑硅，然后以黑硅为模板进行PDMS浇筑，得到表面微纳混合结构PDMS薄膜。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.本发明提供的是一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法。其特征是：金字塔结构硅片(a)通过化学腐蚀法制备得到微纳混合结构，简称黑硅(b)，然后以黑硅(b)为模板，在其结构面上浇筑PDMS胶，得到黑硅和PDMS胶的混合结构体(c)，最后通过脱模过程得到表面微纳混合结构PDMS薄膜(d)。所述制备方法中，金字塔结构硅片(a)清洗后固定于玻璃衬底，然后用化学试剂在硅片上刻蚀纳米线阵列，清洗并烘干后制备得到黑硅(b)；接着以黑硅为模板，将调配好的PDMS膜浇筑在黑硅的金字塔结构面，并进行抽真空处理，得到黑硅与PDMS的混合结构体(c)；最后恒温70度加热至PDMS胶完全固化，再采用拔模工艺将黑硅(b)与PDMS胶膜分离，得到具有表面微纳混合结构的PDMS胶膜。
2.根据权利要求1所述的表面微纳混合结构。其特征是：所述的表面微纳混合结构是以黑硅为模板，然后将PDMS胶浇筑在黑硅结构表面，恒温固化后，经拔模工艺后制备得到；该结构是由微米尺度的金字塔结构和纳米尺度的纳米线阵列结构组成的双重抗反射结构。
3.根据权利要求1所述的PDMS胶膜。其特征是：PDMS胶膜中金字塔结构的周期为10μm-20μm，纳米线阵列结构的高度为50nm-100nm。
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| CN202110384144.1A Pending CN113299776A (zh) | 2021-04-09 | 2021-04-09 | 一种增强太阳能电池光吸收的微纳混合结构及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113299776A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030208888A1 (en) * | 2002-05-13 | 2003-11-13 | Fearing Ronald S. | Adhesive microstructure and method of forming same |
| CN103772721A (zh) * | 2012-10-19 | 2014-05-07 | 金陵科技学院 | 一种新型的锥状阵列结构制备方法 |
| CN104362204A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-02-18 | 安徽工程大学 | 一种太阳能电池增益膜及其制作方法及具有其的太阳能电池 |
| CN105758562A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-07-13 | 电子科技大学 | 一种柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN106098963A (zh) * | 2016-07-28 | 2016-11-09 | 上海大学 | 具有随机金字塔形貌绒面的光学薄膜及其制备方法 |
| CN106750419A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-05-31 | 江南大学 | 一种采用室温反压印技术制备热塑性聚合物多级结构的方法 |
| CN109103301A (zh) * | 2018-08-30 | 2018-12-28 | 鲁东大学 | 一种多晶硅表面微纳复合结构的制备方法 |
-
2021
- 2021-04-09 CN CN202110384144.1A patent/CN113299776A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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