本發(fā)明涉及硅薄膜結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光吸收增強的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)的制備方法。

背景技術(shù)：

為了能夠最大程度吸收可見光波段的能量，目前大部分的太陽能電池仍然是以180um-300um的硅基作為載體，所以大量硅材料的消耗和其能量吸收效率不高仍然是硅太陽能產(chǎn)業(yè)的不足。一種可以減少材料消耗和制造成本的可能的制造方法是利用納米薄膜硅作為吸收層。但是由于硅的介電常數(shù)和帶隙寬度等因素，單純的納米硅薄膜對靠近帶隙波段的能量吸收效率很低。所以如果能提高在長波段的太陽能的吸收效率，就可以得到高效，經(jīng)濟的太陽能吸收層。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種光吸收增強的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硅膜吸收效率大幅提高。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種光吸收增強的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

1)在基材表面制備一層金屬材料，在金屬層表面制備緊密排列的單層二氧化硅納米的粒子陣列；

2)在粒子陣列上沉積硅薄膜；

3)在硅薄膜表面制備聚合物層；

4)將金屬層利用酸溶液溶解使得硅膜結(jié)構(gòu)與基材脫離；

5)以聚合物層為基底，選擇性刻蝕二氧化硅納米粒子表面的硅薄膜并部分暴露出二氧化硅粒子陣列；

6)用氫氟酸去除二氧化硅粒子，形成以聚合物層為基底的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)。

所述的步驟1)中基材為非金屬材料，包括玻璃、塑料或者硅片。

所述的步驟1)中金屬材料是鋁或者鉻，厚度為200～500nm。

所述的步驟1)中緊密排列的單層二氧化硅納米粒子陣列利用單層膜轉(zhuǎn)移法或旋涂法制備。

所述的步驟2)中硅薄膜利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)或磁控濺射方法制備。

所述的步驟3)中聚合物層材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者環(huán)氧樹脂聚合物。

所述的步驟4)中酸溶液為稀硫酸或者稀鹽酸，將金屬層溶解。

所述的步驟6)中氫氟酸為體積分數(shù)3～7％的稀釋溶液。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)可以提高硅薄膜吸收效率：當太陽光入射至開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)表面時，由于其上表面開口結(jié)構(gòu)，所以可以使更多的入射能量進入硅薄膜球殼內(nèi)，這種開口的硅空殼薄膜結(jié)構(gòu)又可以看作一個近似的光學(xué)諧振腔，進入球殼內(nèi)的特定波長的入射光會在球殼內(nèi)形成穩(wěn)定的共振模，這種共振?？梢岳斫鉃榛匾舯谀Ｊ?Whispering gallerymode)，由于球殼的直徑是亞微米級，所以共振模是低品質(zhì)因數(shù)的回音壁模式，球殼結(jié)構(gòu)的頂端開口對共振模影響不大，所以該回音壁模式共振波長的入射能量在球殼中的有效光傳播長度會大幅增加，而且由于球殼的密排陣列結(jié)構(gòu)，相鄰的球殼之間也會發(fā)生共振耦合，所以使得硅球殼對該共振波長的能量吸收也得到很大的增強，而且結(jié)合硅材料的介電常數(shù)和帶隙寬度，共振增強在長波段更加明顯，這也正好解決了大多數(shù)光吸收材料在長波段吸收效率低的問題。

(2)本發(fā)明制備的二氧化硅粒子并非絕對的單一直徑，所以得到的硅球殼的內(nèi)徑也不是均勻統(tǒng)一，這使得入射光在硅球殼內(nèi)的回音壁共振波長是一個較寬的頻率帶，而不是特定的單一波長的共振增強，所以更能提高硅球殼對長波段的能量吸收。

附圖說明

圖1是轉(zhuǎn)移至基材上的二氧化硅粒子密排單層陣列的截面示意圖。

圖2是在二氧化硅球形粒子密排單層陣列沉積硅膜后截面示意圖。

圖3是在已沉積硅膜的樣片表面做PDMS層的示意圖。

圖4是二氧化硅粒子和硅層被轉(zhuǎn)移至PDMS表面后示意圖。

圖5是將二氧化硅粒子的上表面硅層去除部分后的橫截面示意圖。

圖6是去除二氧化硅粒子后的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是在二氧化硅粒子密排陣列表面進行等離子增強化學(xué)氣相沉積硅膜后樣片的實物圖，其中圖(a)是沉積硅膜之前圖；圖(b)是刻蝕后圖。

圖8是直徑D＝400nm二氧化硅粒子密排陣列表面沉積50nm硅膜并轉(zhuǎn)移至PDMS表面后進行刻蝕后得到的結(jié)構(gòu)以及在有限時域差分軟件FDTD solution中仿真該結(jié)構(gòu)計算得到的吸收效率曲線和50nm單純硅膜的實驗吸收效率曲線。

圖9是在圖8中該結(jié)構(gòu)的FDTD仿真計算的吸收曲線中標記為星形標記1位置波峰處波長λ＝775nm時開口硅薄膜球形殼結(jié)構(gòu)沿對稱軸的橫截面的電場強度分布圖。

圖10是在圖8中該結(jié)構(gòu)的FDTD仿真計算的吸收曲線中標記為三角形標記2位置波峰處波長λ＝665nm時開口硅薄膜球形殼結(jié)構(gòu)沿對稱軸的橫截面的電場強度分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細描述。

實施例，一種光吸收增強的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

1)參照圖1，首先以厚度為1mm的ITO載玻片作為基材1，并依次采用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗，氮氣吹干并在150℃烘箱中烘烤1h后，在載玻片1表面濺射厚度250nm～300nm的鋁層2；然后準備直徑D＝400±10nm的SiO2納米球形粒子，超聲清洗后將SiO2以質(zhì)量分數(shù)15％的比例分散在正丁醇中，再超聲使之均勻分散，取微量滴加在培養(yǎng)皿中水溶液表面上形成連續(xù)SiO2單層薄膜；最后將水面的粒子薄膜轉(zhuǎn)移到鋁層2表面并50℃干燥，得到在基材上的緊密排列的單層二氧化硅納米的粒子陣列3；

2)參照圖2，在粒子陣列3上利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積PECVD厚度50～60nm不定型硅薄膜4；

3)參照圖3，將聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑按質(zhì)量分數(shù)10：1配制的膠狀物質(zhì)涂于硅薄膜4表面，真空抽去氣泡后固化形成覆蓋于硅薄膜4表面的PDMS薄膜5；

4)參照圖4，將鋁層2利用酸溶液溶解使得硅膜結(jié)構(gòu)與基材脫離：將樣片置于體積分數(shù)8～10％鹽酸(HCl)溶液中并在50℃烘箱環(huán)境中16～24小時后將鋁層2腐蝕，使得硅膜結(jié)構(gòu)與基材脫離，即將二氧化硅結(jié)構(gòu)化的硅膜轉(zhuǎn)移至PDMS表面；

5)參照圖5，以聚合物層為基底，將已經(jīng)轉(zhuǎn)移的硅膜進行選擇性的硅干法刻蝕，使得二氧化硅粒子陣列上表面的部分不定型硅薄膜4被刻蝕，暴露出二氧化硅粒子陣列；

6)參照圖6，將該結(jié)構(gòu)化的薄膜置于體積分數(shù)3～7％HF溶液中，將二氧化硅粒子去除，形成以聚合物層為基底的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)。

對于本實施例中二氧化硅粒子陣列中單個粒子直徑D＝～400nm，如圖7(a)所示；經(jīng)厚度為60nm硅薄膜沉積，刻蝕后硅殼的截面半徑d＝～200nm，如圖7(b)。當二氧化硅粒子被去除后，形成的在PDMS表面的開口型硅薄膜球殼陣列結(jié)構(gòu)。比較例為50nm單純硅薄膜沉積在載玻片上。利用紫外可見分光光度計測試其反射率和透射率計算得到其吸收效率如圖8所示，對比實施例實驗測試吸收曲線和FDTD仿真計算的吸收效率，可以看出實驗與仿真曲線變化趨勢基本吻合，并且相比比較例中的50nm單純硅薄膜吸收效率得到很大增強。實施例的仿真和實驗曲線在波長λ＝775nm附近都出現(xiàn)了一個很明顯的吸收峰，這是由于在波長λ＝775nm時，入射光在球殼中形成了六極的回音壁共振模式，如圖9所示。而且由于實驗中球殼內(nèi)徑在400nm附近有小范圍的變化，所以實驗測試的吸收曲線的共振峰半峰寬比仿真計算得到的曲線的半峰寬大。在計算得到的吸收曲線在λ＝665nm處還有一個明顯的八極回音壁模式共振峰，如圖10所示。實驗測試曲線中這個共振峰值卻不明顯，這是由于在該波長處硅膜的介電常數(shù)已經(jīng)虛部較大，而且由于球殼內(nèi)徑的變化，共振峰在該波長處表面為較寬波長的平緩的共振增強。