宽波段高效率深刻蚀圆形聚焦光栅及其在太阳电池中的应用研究

The cost of the present photovoltaic power systems is quite high, which embodies in two aspects: one is the excessive use of Si materials in solar cells and low conversion efficiency, and the other is the need of the complex track system. A new structure of solar cells is designed in this project, which can markedly decrease the amount of Si materials and improve the conversion efficiency. Main research contents in this project are as follows: (1)The dynamics theory and algorithm for calculating the diffraction of deep-etching circular focusing gratings are established, which are based on the light scattering theory and Green's method. (2) Deep-etching circular focusing grating films are designed and fibricated with multilayer structure, which can effectively transmit and focus the solar light in the waverange of 400-1100 nm. (3) Grating masks are manufactured by the laser direct writing and circular grating arrays with focusing function are fabricated in multilayer film using the high-density plasma etching technology. (4) New-structure Si solar cells coated by the focusing optical film which surface has the structure of circular focusing grating arrays will be fabricated. The fabricated new-structure Si solar cells will have the characteristics of high conversion efficiency and low cost of Si materials. The studies in this project develop light scattering theory for analyzing circular deep-etching gratings, which has an important scientific meaning. The proposed and designed new structures of solar cells has important application value for lowering the cost of solar cells and heightening its conversion efficiency.

目前的光伏发电成本比较高，主要体现在：(1)太阳电池中Si材料使用过多且电池转换效率低，(2)需要复杂的跟踪系统。本项目设计一种新结构太阳电池，它可以大大降低Si材料的用量、提高光电转换效率。主要研究：（1）基于光散射理论和格林函数方法建立深刻蚀圆形聚焦光栅衍射的动力学理论。(2)设计并制作具有多层结构的深刻蚀圆形聚焦光栅薄膜, 使之能有效地透射并聚焦波长在400-1100nm范围的太阳光。(3) 研究用激光直写制作圆形聚焦光栅掩模的方法,用高密度等离子体刻蚀方法在多层薄膜上深刻蚀出具有聚焦功能的圆形光栅阵列。（4） 将所刻蚀出的圆形聚焦光栅薄膜涂到太阳能电池板的表面，组装新结构太阳电池，增加太阳电池收集光的能力，降低Si材料的使用量。本项目研究发展光散射理论用于深刻蚀光栅的计算，具有重要的科学意义。所设计的新型高效率太阳电池对于降低太阳电池的成本、提高它的转换效率具有重要应用价值。

在太阳能光伏中，提高太阳电池的光电转化效率一直是一个热门的话题。在提高电池的转换效率方面，很多的研究工作都集中在制备新型的光伏材料和设计微纳陷光结构减反膜。微纳结构减反膜的应用能够极大地减小光在电池表面的反射，从而提高太阳能电池的光电转换效率。本项目主要研究了各种结构的光学薄膜的减反射原理和对太阳能电池效率的提高作用。具体体现在以下几个方面：.1. 太阳能电池减反膜仿真设计和计算。.对于毫米以上量级的结构的减反膜，分别用衍射理论和光线追迹法计算分析结构参数对减反特性的影响，设计出了几种减反射结构。对于微米结构的减反膜，利用严格耦合波算法研究其减反射作用。对于纳米结构的减反膜利用有限时域差分方法研究结构参数对于减反射的影响。利用上述光学仿真方法计算出了光在光伏电池中吸收光子数的空间分布，代入DEVICE仿真软件进行电学仿真。获得太阳能电池的电学特性。依照上述仿真和计算方法，设计了5种减反膜结构的太阳能电池。为实验奠定理论基础。.2. 采用光刻和软膜压印法制备太阳能电池减反膜。.利用光刻法制备了微米量级抛物面阵列结构的硅胶(PDMS)减反膜，并将其贴到商业上购买的Si太阳能电池上，太阳能电池的绝对效率被提高1%，水接触角由83增大到104，提高了太阳能电池的自清洁能力。制备了宽度为4mm的圆柱形阵列环氧树脂透镜结构，分别将其装裱到阵列结构电池和大块太阳能电池上，将绝对效率提高1%左右。这种毫米量级的阵列结构减反膜不需要昂贵的和复杂的制备工艺，仅靠简单的模板压印法即可制得。这种毫米量级的阵列结构克服了纳米阵列结构的易碎性，便于电池的定期清扫，具有很大的工业应用价值。提出了采用预拉伸硅胶薄膜和表面等离子体修饰改性法制备纳米结构的减反膜方法，制备了纳米结构的PDMS和环氧树脂减反膜，将太阳能电池的绝对效率提高1%以上。.3. 高效率特异激光束的产生。.本项目扩展研究了特异激光的产生和激光束的传播与变换。在太阳能电池的测试实验中，我们一部分实验要用到不同的激光光源进行实验和测试工作。因此，对基于1.96-m Tm:YAG陶瓷激光器、具有234和671cm-1 位移的1.15μm Nd：YAG\KTA拉曼激光器的激光产生和性能比较、对用Q开关Nd:YAlO3激光器产生多个拉曼频移的RbTiOPO4级联拉曼光谱等进行了研究。也研究了激光束经菲涅尔片的衍射场分布。