太阳能电池智能表面结构的仿生设计与制备工艺的研究

太阳能电池存在多角度入射太阳光难以聚焦吸收、过热问题引起转换效率降低以及恶劣户外环境影响电池稳定性等问题。本项目以树叶表皮为仿生对象，研究树叶表皮的光学特性、自清洁性、超疏水性、热适应性等多功能的形成机理，提出了一种单层薄膜上集成多功能特性的太阳能电池智能表面结构，以解决太阳能电池在工艺、转换效率和稳定性等方面实用化的问题，着重开展其仿生机理和制备工艺的研究。通过测量树叶表皮的几何结构、形态和功能特性，基于结构与功能的仿生耦合设计原理，建立太阳能电池智能表面结构的仿生模型；分析表面结构的边界约束条件，建立纳米颗粒分布模型，进行计算机仿真设计，开发单层多功能薄膜的制备工艺；实验研究并测试其光学特性、动态接触角、表面粗糙度、温度和几何结构形态以检验其多功能特性，优化其制备工艺。为低成本的太阳能电池覆膜制备提供新的理论、方法和工具，推动太阳能电池的大规模应用。

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。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，以在宽波长大角度范围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，基于严格耦合波理论展开了仿生模型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的方法。对表面结构形貌特征进行了表征并测试了表面结构的光学特性、疏水性。本文主要研究内容如下：.1）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。.2)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。对固体表面超疏水机理进行了分析。.3)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400-800nm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。.4)基于自组装单层纳米微球的湿法腐蚀技术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，运用改进的湿法腐蚀技术，制备了一定面积的尺寸可控的有序纳米线阵列，讨论了及PS微球的自组装技术，RIE刻蚀条件的选择及优化。