引入微納米結構,提高太陽能轉化效率

封面文章|王康, 金玉, 劉昱瑋, 李志祥, 駱昕, 吳志軍, 相春平. 多形貌多周期微納米復合結構的制備及表征[J]. 激光與光電子學進展, 2019, 56(12): 120501

太陽能電池又稱光電池,是一種通過太陽發電的光電材料。這種材料只需要放置在室外,通過太陽光照射,內置器件就會產生輸出電壓形成回路,最終產生電流,如圖1。然而,如何能夠進一步提升有機太陽能電池光電轉換效率一直是人們研究的重點。


圖1 屋頂上的太陽能電池板

通過結構設計,在薄膜太陽能電池內部引入微納米結構,可有效提升太陽能電池的光電轉換效率。

利用微納米結構的加工方法可以在太陽能電池內部引入不同形貌的微納米結構。但是,對于單一太陽能電池器件而言,引入其內部的微米結構或納米結構,它們的形貌仍是單一的,而且周期也是單一的,因此利用微結構提升太陽能電池性能的機制也是單一的,這樣太陽能電池光電轉換效率提升的幅度也是有限的。

為了使太陽能電池光電轉換效率得到進一步的提升,華僑大學福建省光傳輸與變換重點實驗室金玉副教授課題組提出了利用光刻技術和激光干涉技術相結合的方法以及激光干涉技術連續兩次曝光的工藝方法,在同一種材料表面制備出多形貌、多周期、結構復雜、具有高重復性的準三維微納米結構。

該課題組通過連續兩次曝光的方法制備微納米復合結構。

微米結構的制備過程,如圖2所示,研究人員采用交流汞燈作為光源,汞燈發出的光經過收集聚焦曝光系統后變為平行光,曝光面積可達100 mm2。光源下方為掩膜板,紫外平行光束通過掩膜板照射到光刻膠薄膜表面,可以實現圖案化的曝光。使用負性光刻膠作為加工材料,負性光刻膠受到紫外光照射后,小分子的有機分子將聚合成為大分子的聚合物,顯影后形成圖案。通過更換不同的掩膜板可以制備得到不同形貌的微米結構。


圖2光刻實驗原理圖(a)URE-2000/17 型掩膜光刻機 (b)光刻實驗圖

納米結構的制備過程,如圖3所示。該課題組設計并搭建了干涉光刻的光路模型。采用單模He-Cd氣體激光器產生的波長為325 nm的紫外激光作為干涉光源,首先通過快門對激光的通斷進行控制,再通過由凹透鏡和凸透鏡組成的擴束準直系統將激光光斑直徑擴大到1 cm,經過第一個反射鏡將激光的方向順時針旋轉135°,之后經過激光分束鏡,將入射激光分為光強相同的兩束激光,最后經過第2和第3個反射鏡反射后匯聚到具有光刻膠玻璃襯底的光屏表面,可以實現干涉曝光。通過改變兩束激光的角度,可以制備得到不同周期的納米結構。


圖3 干涉光刻實驗原理圖雙光束干涉光路原理圖

利用光刻技術和激光干涉技術相結合的方法制備得到的微納米復合結構的AFM照片如圖4所示。


圖4 光刻技術和激光干涉技術相結合的方法制備得到的微納米復合結構AFM照片

利用激光干涉技術連續兩次曝光的工藝方法也可以制備得到微納米復合結構,通過改變兩束激光的夾角連續曝光兩次制備得到的微納米復合結構AFM照片如圖5所示。


圖5 激光干涉技術連續兩次曝光的工藝方法制備得到的微納米復合結構AFM照片

研究人員表示,后續將在有機太陽能電池結構內部引入微納米復合結構,增加入射光在有機太陽能電池有源層內部的光程,激發具有納米結構金屬電極界面的表面等離子激元,從而增加太陽能電池的光吸收效率。