一种基于关联随机光子晶体设计的薄膜光电池设计方法与流程

1.本发明涉及光伏电池的技术领域，尤其涉及一种基于关联随机光子晶体设计的薄膜光电池设计方法。


背景技术：

2.基于光子晶体(pc)的光子管理方案是实现薄膜(<10μm厚的)太阳能电池对光的高效捕获一种非常灵活和有前途的策略。与未绘图的平坦结构相比，优化和有序的pc结构的太阳能电池表现出较高的吸收，但是在长波长范围内的吸收仍然需要改善。在大多数研究中仅考虑了非常低的厚度(<10μm)，导致最终设备的低预期短路电流，为了达到高水平的短路电流，因此需要考虑使用厚度超过10μm的高质量材料，比如晶体硅(c
‑
si)，通过在长波长范围内使用附加的谐振模式，可以进一步改善薄膜太阳能电池的光耦合和捕获机制。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于关联随机光子晶体设计的薄膜光电池设计方法，其能够产生更宽的共振和更高的模的谱密度，可以进一步增强薄膜晶体硅太阳能电池的吸收。
4.本发明的技术方案是：这种基于关联随机光子晶体设计的薄膜光电池设计方法，其包括以下步骤：
5.(1)薄膜太阳能电池组的准备；将c
‑
si层粘结在一个1μm厚的铝层上，作为后视镜和背面接触；
6.(2)在c
‑
si层的顶部绘制二维光子晶体结构，计算整个堆栈的吸收，对仿真所用的阶数和波长步长进行选择，得到精确的数值结果；
7.(3)对二维光子晶体结构的三个参数进行选择优化，通过扫描搜索这三个参数在技术上现实的范围确定二维光子晶体结构的最高电流密度，得到完全优化的二维光子晶体结构；二维光子晶体结构的三个参数包括周期λ、空气界面填充分数ff、腐蚀深度h,其中ff＝πr2/λ2，r为圆柱孔的半径；
8.(4)利用微扰方法引入一种关联的无序结构，超晶胞的每个洞都从原来的位置移动，孔的位移距离为dp，位移角为α；
9.(5)从25nm到75nm的范围选取5个不同的平均位移值，对于每一个选定的均值平移值，模拟不同的结构，确定集群中元素的间距和重心的关系；采用非偏振光在正入射时模拟太阳照明，用严格耦合波分析方法研究这些伪无序晶体结构的吸收性能，确定使吸收净增加的设计准则；
10.(6)随机生成不同无序结构，通过集群中元素的间距和重心的关系筛序伪无序设计，用优化后的伪无序结构代替优化后的方形孔洞晶格；
11.(7)在晶体的堆栈顶部沉积的薄有机玻璃抗蚀剂中利用电子束光刻技术形成伪无序纳米图案，称为伪无序晶体结构；
12.(8)使用chf3反应离子蚀刻，将有机玻璃转移到sio2层；
13.(9)使用sf6:ar混合物将有机玻璃转移到c
‑
si层，sio2层的其余部分保持在si图案的顶部；
14.(10)用连续的铟锡氧化物层覆盖图案c
‑
si层，作为薄膜太阳能电池的透明前端电极；
15.(11)利用微观反射率装置测定薄膜的吸收，一束平行的白光通过长焦显微镜物镜聚焦到纳米图案结构上，该结构的反射光通过物镜收集，然后使用光谱仪进行分析。
16.本发明采用了基于复制主图章的纳米压印技术，并结合等离子体蚀刻等传输过程，本发明中提出的伪无序结构可以使用与优化的方孔晶格完全相同的过程来实现，而不需要额外的成本。因此，使用本发明中提出的设计规则，以及相关的纳米成图过程，能够产生更宽的共振和更高的模的谱密度，可以进一步增强薄膜晶体硅太阳能电池的吸收。
附图说明
17.图1为本发明薄膜太阳能电池结构的侧视图和俯视图。
18.图2为本发明形成伪无序晶体结构的扰动示意图。
19.图3为实验制备的结构的扫描电镜图。
20.图4为本发明使用的一种微观反射率装置。
21.图5为对于2μm厚的c
‑
si层叠加条件下最佳伪无序结构与优化的孔洞方晶格的吸收光谱图。
22.图6为最佳伪无序结构与优化的孔洞方晶格在波长850:950nm范围的吸收光谱图。
23.图7为最佳伪无序结构(三角形)、优化的孔洞方晶格结构(点)以及无图案结构(正方形)j
sc
的角度响应图。
24.图8为根据本发明的基于关联随机光子晶体设计的薄膜光电池设计方法的流程图。
具体实施方式
25.如图8所示，这种基于关联随机光子晶体设计的薄膜光电池设计方法，其包括以下步骤：
26.(1)薄膜太阳能电池组的准备；将c
‑
si层粘结在一个1μm厚的铝层上，作为后视镜和背面接触；
27.(2)在c
‑
si层的顶部绘制二维光子晶体结构，计算整个堆栈的吸收，对仿真所用的阶数和波长步长进行选择，得到精确的数值结果；
28.(3)对二维光子晶体结构的三个参数进行选择优化，通过扫描搜索这三个参数在技术上现实的范围确定二维光子晶体结构的最高电流密度，得到完全优化的二维光子晶体结构；二维光子晶体结构的三个参数包括周期λ、空气界面填充分数ff、腐蚀深度h,其中ff＝πr2/λ2，r为圆柱孔的半径；
29.(4)利用微扰方法引入一种关联的无序结构，超晶胞的每个洞都从原来的位置移动，孔的位移距离为dp，位移角为α；
30.(5)从25nm到75nm的范围选取5个不同的平均位移值，对于每一个选定的均值平移
值，模拟不同的结构，确定集群中元素的间距和重心的关系；采用非偏振光在正入射时模拟太阳照明，用严格耦合波分析方法研究这些伪无序晶体结构的吸收性能，确定使吸收净增加的设计准则；
31.(6)随机生成不同无序结构，通过集群中元素的间距和重心的关系筛序伪无序设计，用优化后的伪无序结构代替优化后的方形孔洞晶格；
32.(7)在晶体的堆栈顶部沉积的薄有机玻璃抗蚀剂中利用电子束光刻技术形成伪无序纳米图案，称为伪无序晶体结构；
33.(8)使用chf3反应离子蚀刻，将有机玻璃转移到sio2层；
34.(9)使用sf6:ar混合物将有机玻璃转移到c
‑
si层，sio2层的其余部分保持在si图案的顶部；
35.(10)用连续的铟锡氧化物层覆盖图案c
‑
si层，作为薄膜太阳能电池的透明前端电极；
36.(11)利用微观反射率装置测定薄膜的吸收，一束平行的白光通过长焦显微镜物镜聚焦到纳米图案结构上，该结构的反射光通过物镜收集，然后使用光谱仪进行分析。
37.本发明采用了基于复制主图章的纳米压印技术，并结合等离子体蚀刻等传输过程，本发明中提出的伪无序结构可以使用与优化的方孔晶格完全相同的过程来实现，而不需要额外的成本。因此，使用本发明中提出的设计规则，以及相关的纳米成图过程，能够产生更宽的共振和更高的模的谱密度，可以进一步增强薄膜晶体硅太阳能电池的吸收。
38.优选地，所述步骤(1)中，c
‑
si层厚度在1
‑
8μm范围内。
39.优选地，所述步骤(4)中，移动距离dp是由其均值和宽度值定义的随机高斯分布决定的；位移角α由均匀分布决定。
40.优选地，所述步骤(7)中，纳米图案设计是通过使用关联随机数发生器prng过程获得。
41.优选地，模版面积的大小被限制在100
×
100μm2；蚀刻步骤都是在低压下进行的。
42.优选地，所述严格耦合波分析rcwa方法开发的rcwa代码中，对于每个圆柱孔，使用解析贝塞尔函数来计算介电常数的傅立叶系数；所述严格耦合波分析rcwa方法计算时间依赖于给定的光谱分辨率。
43.优选地，所述非偏振光光谱范围被限制在300
‑
1100nm；所述太阳能电池光谱分辨率的设置取决于c
‑
si层的厚度，在300
‑
700nm的波长范围，所有厚度的太阳能电池光谱分辨率设置为1nm，而在700
‑
1100nm的波长范围，对于1/2/4μm厚的c
‑
si层设置为0.5nm，对于8μm厚的c
‑
si层设置为0.25nm。
44.优选地，所述伪无序晶体结构的吸收性能用电流密度j
sc
表征，假设载流子收集效率为100％，电流密度公式为其中e为电子的单位电荷，h为普朗克常数，c为真空中的光速，λ为波长，a(λ)为吸收,di/dλ为am1.5g太阳光谱对应的入射太阳辐射强度。
45.所述2μm厚的c
‑
si层叠加条件下最佳伪无序结构与优化的孔洞方晶格的吸收结果对比如图5所示，与大波长范围的最佳伪无序结构相比(图6)，最佳伪无序图案的吸收谱峰变宽，峰幅变小。
46.优选地，所述伪无序晶体结构吸收的测定包括斜入射条件下的吸收。
47.进一步地，所述2μm厚的c
‑
si层叠加条件下，最佳伪无序结构(三角形)、优化的孔洞方晶格结构(点)以及无图案结构(正方形)在确定的斜入射角θ，各锥角下j
sc
的平均值结果如图7所示，伪无序结构不仅在正入射下，而且在大的入射角范围内都能产生高的j
sc
。
48.以下更详细地说明本发明的内容。
49.本发明包括以下步骤：
50.s1、薄膜太阳能电池组的准备；将薄的吸收层c
‑
si粘贴在一个1μm厚的铝(al)层上，作为后视镜和背面接触，考虑c
‑
si层的厚度在1
‑
8μm范围内，分别选取了1、2、4和8μm厚的c
‑
si层；
51.s2、在c
‑
si层的顶部绘制二维光子晶体结构，利用内部开发的分析严格耦合波分析(rcwa)代码，计算整个堆栈的吸收，对仿真所用的阶数和波长步长进行选择，得到精确的数值结果；
52.s3、对二维光子晶体结构的三个参数进行选择优化，二维光子晶体结构的三个参数包括周期(λ)、空气界面填充分数(ff)、腐蚀深度(h)，其中ff＝πr2/λ2，r为圆柱孔的半径，通过扫描搜索这三个参数在技术上现实的范围确定二维光子晶体结构的最高电流密度，得到完全优化的二维光子晶体结构；
53.s4、利用微扰方法设计了一种可控无序结构。在这种设计中，如图2所示，超晶胞的每个洞都从原来的位置移动，孔的位移距离为dp，位移角为α，dp的值由高斯分布决定，位移角α由均匀分布决定；然后将这种扰动过程应用于组成n
×
n个超级单体的n2孔，如图2所示的3
×
3孔；接着，将超级单体复制到一个正方形的格子中。
54.s5、从25nm到75nm的范围选取不同的平均位移值，对于每一个选定的均值平移值，模拟不同的结构，采用非偏振光(te和tm的平均值)在正入射时模拟太阳照明，用严格耦合波分析(rcwa)方法研究这些伪无序晶体结构在真实空间和傅里叶空间中的吸收性能，伪无序晶体结构的吸收性能用电流密度(j
sc
)表征，以此确定使吸收净增加的设计准则；
55.s6、从模拟不同伪无序结构中选定最佳伪无序结构，用优化后的伪无序结构代替优化后的方形孔洞晶格；
56.s7、在晶体的堆栈顶部沉积的薄有机玻璃抗蚀剂中利用电子束光刻技术形成伪无序纳米图案，称为伪无序晶体结构，伪无序的纳米图案模版面积的大小被限制在100
×
100μm2；
57.s8、在低压环境下使用chf3反应离子蚀刻，将有机玻璃转移到sio2层；
58.s9、在低压环境下使用sf6:ar混合物将有机玻璃转移到c
‑
si层，sio2层的其余部分保持在si图案的顶部；
59.s10、用连续的铟锡氧化物(ito)层覆盖图案c
‑
si层，作为薄膜太阳能电池的透明前端电极，实现结构的实例如图3所示；
60.s11、利用微观反射率装置测定薄膜的吸收，如图4所示，一束几乎平行的白光通过长焦显微镜物镜聚焦到纳米图案结构上，该结构的反射光通过物镜收集，然后使用光谱仪进行分析。
61.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明
技术方案的保护范围。