低反射超疏水太阳能电池表面结构的制备工艺研究

摘要

当前,世界面临严峻的能源和环境压力,太阳能电池的研究近来成为热点,太阳能电池目前在应用上存在一些问题,如对太阳入射光的吸收率不高导致光电转换效率低下,受恶劣环境的影响导致稳定性差、使用寿命减短等。自然界中的生物对于不同的环境都具有良好的适应性,如飞蛾复眼结构的减反射性、荷叶表面的超疏水性等。研究发现这些生物的一些特定的结构对于光学传输、温度控制、自清洁功能有直接的影响。本文以在宽波长范围内减小电池表面入射光反射率并同时提高表面自清洁性能为目的,以某些具有特殊结构的生物体为仿生对象,开展太阳能电池表面结构的仿生机理和制备技术的研究。基于严格耦合波理论展开了微纳结构的光学特性仿真研究,并基于仿生结构的原理提出了两种实验制备方法,湿法腐蚀方法及基于自组装纳米微球刻蚀的方法。本文主要研究内容如下:
　　仿生结构机理研究。一些生物体表面具有良好的光学减反性和疏水性,通过研究发现,其表面的微观有序结构在其中发挥着决定性的作用。通过调整微纳结构的分布和尺度,可能会同时具备优异的疏水性和光学减反性。将这样的微纳结构运用于太阳能电池表面,在提高其光电转换效率、实现自清洁等功能方面会有显著的突破。
　　对硅片表面减反射原理进行研究,比较了薄膜减反射和微结构减反射的优劣,同时基于严格耦合波理论分别运用RSOFT和MATLAB软件进行了一维和二维亚波长微纳结构光学特性仿真。
　　采用湿法腐蚀方法进行了硅纳米线的制备,并对其结构形貌、疏水性、光学特性进行了测量表征。在实验中采用100晶向的单晶硅片,室温下在其表面成功制备了大面积的硅纳米线阵列。测试表明,样品表面反射率在450-790nm波长范围内达到5％以下,表面接触角高达150?,同时具备了较好的疏水性和减反射性。
　　基于自组装单层纳米微球工艺制备微纳结构的研究。在硅基底表面自组装单层PS胶体微球,结合RIE刻蚀技术和磁控溅射镀膜技术,最后经金属催化湿法刻蚀制备出了一定面积的尺寸可控的有序纳米线阵列,讨论了SiO2及PS微球的自组装技术,RIE刻蚀条件的选择及优化。

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1 绪 论

1.1课题来源

1.2课题目的及意义

1.3 低反射与超疏水表面制备的研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 低反射超疏水表面机理研究及仿真分析

2.1 薄膜减反射机理

2.2 微结构减反射机理研究与光学仿真

2.3 固体表面疏水机理

2.4 本章小结

3 多功能微纳结构表面的湿法腐蚀制备方法

3.1 纳米线形成机理

3.2 实验步骤

3.3 表面结构检测及分析

3.4 光学特性分析

3.5 疏水性测量及分析

3.6 本章小结

4 基于自组装单层纳米粒子制备微纳结构的方法

4.1 单层纳米粒子的自组装工艺

4.2 RIE刻蚀及磁控溅射镀膜工艺

4.3 金属催化化学刻蚀

4.4 反射率测试

4.5 本章小结

5 工作总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录I 攻读硕士学位期间发表的学术论文