引入微纳米结构,提高太阳能转化效率

封面文章|王康, 金玉, 刘昱玮, 李志祥, 骆昕, 吴志军, 相春平. 多形貌多周期微纳米复合结构的制备及表征[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(12): 120501

太阳能电池又称光电池,是一种通过太阳发电的光电材料。这种材料只需要放置在室外,通过太阳光照射,内置器件就会产生输出电压形成回路,最终产生电流,如图1。然而,如何能够进一步提升有机太阳能电池光电转换效率一直是人们研究的重点。


图1 屋顶上的太阳能电池板

通过结构设计,在薄膜太阳能电池内部引入微纳米结构,可有效提升太阳能电池的光电转换效率。

利用微纳米结构的加工方法可以在太阳能电池内部引入不同形貌的微纳米结构。但是,对于单一太阳能电池器件而言,引入其内部的微米结构或纳米结构,它们的形貌仍是单一的,而且周期也是单一的,因此利用微结构提升太阳能电池性能的机制也是单一的,这样太阳能电池光电转换效率提升的幅度也是有限的。

为了使太阳能电池光电转换效率得到进一步的提升,华侨大学福建省光传输与变换重点实验室金玉副教授课题组提出了利用光刻技术和激光干涉技术相结合的方法以及激光干涉技术连续两次曝光的工艺方法,在同一种材料表面制备出多形貌、多周期、结构复杂、具有高重复性的准三维微纳米结构。

该课题组通过连续两次曝光的方法制备微纳米复合结构。

微米结构的制备过程,如图2所示,研究人员采用交流汞灯作为光源,汞灯发出的光经过收集聚焦曝光系统后变为平行光,曝光面积可达100 mm2。光源下方为掩膜板,紫外平行光束通过掩膜板照射到光刻胶薄膜表面,可以实现图案化的曝光。使用负性光刻胶作为加工材料,负性光刻胶受到紫外光照射后,小分子的有机分子将聚合成为大分子的聚合物,显影后形成图案。通过更换不同的掩膜板可以制备得到不同形貌的微米结构。


图2光刻实验原理图(a)URE-2000/17 型掩膜光刻机 (b)光刻实验图

纳米结构的制备过程,如图3所示。该课题组设计并搭建了干涉光刻的光路模型。采用单模He-Cd气体激光器产生的波长为325 nm的紫外激光作为干涉光源,首先通过快门对激光的通断进行控制,再通过由凹透镜和凸透镜组成的扩束准直系统将激光光斑直径扩大到1 cm,经过第一个反射镜将激光的方向顺时针旋转135°,之后经过激光分束镜,将入射激光分为光强相同的两束激光,最后经过第2和第3个反射镜反射后汇聚到具有光刻胶玻璃衬底的光屏表面,可以实现干涉曝光。通过改变两束激光的角度,可以制备得到不同周期的纳米结构。


图3 干涉光刻实验原理图双光束干涉光路原理图

利用光刻技术和激光干涉技术相结合的方法制备得到的微纳米复合结构的AFM照片如图4所示。


图4 光刻技术和激光干涉技术相结合的方法制备得到的微纳米复合结构AFM照片

利用激光干涉技术连续两次曝光的工艺方法也可以制备得到微纳米复合结构,通过改变两束激光的夹角连续曝光两次制备得到的微纳米复合结构AFM照片如图5所示。


图5 激光干涉技术连续两次曝光的工艺方法制备得到的微纳米复合结构AFM照片

研究人员表示,后续将在有机太阳能电池结构内部引入微纳米复合结构,增加入射光在有机太阳能电池有源层内部的光程,激发具有纳米结构金属电极界面的表面等离子激元,从而增加太阳能电池的光吸收效率。