基于纳米结构的宽光谱分光器及其制法与用途制造技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米结构的宽光谱分光器及其制法与用途，通过在对透射光透明的衬底材料上形成光子晶体，且设计该光子晶体的禁带和介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低频段的入射光，从而将宽光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光。通过调整光子晶体的晶格常数，可以方便设置其禁带频域，提高宽光谱太阳光在反射频段和透射频段分光的灵活性；而通过调整光子晶体的周期数和刻蚀深度，也可提高分光器反射与透射的分界线陡峭程度，降低分光的反射率对方向和偏振的敏感程度，使该基于纳米结构的宽光谱分光器的分光效率得以大幅提升，进而提高太阳能电池系统的整体转化效率。此外还具有生产成品率高、成本低廉的特效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能系统装置，尤其涉及一种针对入射光进行宽光谱、多频 段分光的装置、制法及其用途，属于微纳光子学领域。
技术介绍
能源问题是21世纪世界各国所面临的最大挑战之一。太阳能高效发电技 术作为支撑国民经济、可持续发展的前瞻性、战略性新能源技术早已成为各国 长期科学技术发展规划中的重点支持和优先发展方向。而制约太阳能电池大规 模应用的主要瓶颈是提高效率和降低成本。基于太阳光在空间上和频谱上的分 散性，聚光多结电池系统便成为实现高性价比太阳能电池的主要方式。迄今为止，串联多结电池获得了高达40.8%的转换效率。尽管从理论上来 说，进一步增加半导体材料的吸收结数，可以获得更高的转换效率，但是事实 上， 一方面串联多结电池的输出电流受限于串联各结中输出的最小电流，另一 方面，鉴于太阳能电池各结的吸收层较厚(大于lnm)，为了保证电池的质 量，串联各结电池材料不能有大的失配。此外，多结串联电池之间还必须有隧 道结，所有这些因素都限制了串联多结电池获得更高的效率。因此，为了进一 步提高电池的转换效率，以美国特拉华大学为首的研究小组提出并采用二向色 镜分光系统配合合适能带结构的电池，并获得了 42.8%的电池转换效率。该方 案将不同频谱的光利用二向色镜的反射和透射从空间上区分开来，从而避免了 串联各结电池中电流匹配和不同能带材料晶格匹配的要求，允许各种能带半导体可以充分吸收相应的太阳光，获得更高的光电转换效率。对于该聚光分光型 太阳能电池系统，其性价比很大程度上取决于聚光分光的效率。因此，高效分 光是获得高性价比太阳能电池系统的必要条件。目前报道的分光方法包括二向色镜分光和棱镜分光两种。对于棱镜分光， 频谱光线分光对入射方向非常敏感，因此必须配之以高度跟踪系统才能适用， 因此不太适合太阳能电池系统的分光使用。而二向色镜分光是利用对太阳光尽 量透明的材料蒸镀光学膜形成，对一定波段太阳光反射而对另一部分太阳光透射，尽管该种方案可以获得大于90%的反射和透射效果，但是存在明显的缺 点-①反射和透射的波段渐变区域很宽，达到几十纳米；②对入射角敏感，随 着入射光倾斜其反射光的频段变得越来越窄；③偏振敏感，不同偏振的光其反 射和透射的频域不同；④反射和透射难以二者兼顾。因此，进一步提高分光效 率实际上非常困难，而对于聚焦后的太阳光而言，必然存在一定的入射角范 围，而且光子的偏振状态是随机的。此外，从分光器制备角度而言，大多采用在透明的分光器材料上镀多层介 质膜，为了提高分光器的分光效率，即在宽光谱范围内获得高的透过率和高的 反射率以及窄的过渡波段，需要设计镀多层介质膜，且可选的介质膜材料也变 得条件苛刻，使得镀膜成本和分光器成本直线上升，从而极大地增加了太阳能 电池系统的成本。而且，尽管镀多层介质膜可以看做是在分光器材料表面形成 一维光子晶体结构，但是难以在太阳光谱范围内灵活调控光子晶体的禁带宽 度。例如，对于从400nm-1800nm的太阳光谱，如果禁带宽度选在800nrn-1200nm，且若在400nm-800nm是透射，那么在半频段1200nm-1600nm必然是 反射。因此，采用该种方式从原理上来说就不能实现中频段反射光，而高频段和低频段透射光。再者，从通过镀膜来实现分光的方法而言，多层不同介质(至少两种介 质)镀在分光器表面，还存在着不同材料热膨胀系数、机械弹性模量和抗腐蚀 性等多种物理、化学性质差异，这些都给分光器长期稳定工作带来隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于纳米结构的宽光谱分光器及其制法与用 途，以解决现有技术对太阳光分光效率的瓶颈限制，以及由该瓶颈主导局限的 太阳能电池转换率低下的问题。本专利技术目的得以实现的结构性技术方案是基于纳米结构的宽光谱分光器，用于将宽光谱入射光根据所需要的波段分 成反射光与透射光，其特征在于所述分光器包括衬底材料以及生成在所述衬 底材料上纳米结构的光子晶体，其中所述衬底材料对于所要分光透射的波段透 明，且所述光子晶体包括禁带和介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段 及低频段的入射光。进一步地，所述光子晶体的禁带设置在分光频谱的高频段，介质带落在 中、低频段；或将禁带设置在中频段，介质带落在高频段及低频段；又或将禁带设置在低频段，而介质带相应落入中、高频段内。更进一步地，所述光子晶体在其介质带选择性地设有缺陷腔，用于中、低 频段的分光。进一步地，所述衬底材料为玻璃、树脂或其他透明的固态衬底。 为实现上述目的，本专利技术还提出了一种基于纳米结构的宽光谱分光器制法，其特征步骤包括I .选择对所要分光频谱透明的衬底材料；II .根据所要分光的反射光波段和透射光波段范围设置对应的光子晶体禁带和介质带；III.在任意衬底上生成所需的纳米结构图形掩膜；V.利用纳米结构图形掩膜，通过蚀刻将该纳米结构的光子晶体转移至分 光器的衬底材料上。进一步地，步骤ni中所述结构图形掩膜的生成方法是在任意衬底上沉积介质膜或金属膜，通过电子束曝光扫描、激光干涉光刻、纳米压印、深紫外光 刻，或者自组装技术之一的手段形成纳米结构图形，然后利用带胶剥离或刻蚀 将纳米结构的二、三维光子晶体图形转移到金属膜或介质膜上。或者是采用包 括S-K生长方式外延、化学合成方式和基于DNA之一的自组装工艺。作为本专利技术目的实现的体现，该基于纳米结构的宽光谱分光器的用途是一种太阳能电池系统，包括上述基于纳米结构的宽光谱分光器和对应于不同波 段分光吸收的电池。其中，所述电池包括匹配各频段分光的单结电池、多结电 池及串联形成的复合电池。应用本专利技术设计的宽光谱分光器，其有益效果在于通过调整光子晶体的晶格常数，可以方便设置其禁带频域，提高宽光谱太 阳光在反射频段和透射频段分光的灵活性；而通过调整光子晶体的周期数和刻 蚀深度，也可提高分光器反射与透射的分界线陡峭程度，降低分光的反射率对 方向和偏振的敏感程度，使该基于纳米结构的宽光谱分光器的分光效率得以大7幅提升，进而提高太阳能电池系统的整体转化效率。此外，采用单一材料体系 的纳米结构及成熟制法的分光器，具有成品率较高、成本低廉的特殊效果。附图说明图1是本专利技术反射高频段并透射中、低频段的分光器电池系统示意图； 图2是本专利技术反射高频段、并进一步分光透射中频段和低频段的分光器电 池系统示意图3a是本专利技术反射中频段并透射高、低频段的分光器电池系统示意图； 图3b是图3a所示分光器的分光透射曲线图4是本专利技术反射低频段并透射中、高频段的分光器电池系统示意图。 具体实施例方式为进一步说明本专利技术的创作核心特征及特殊效果，以下结合附图对本专利技术 基于纳米结构的宽光谱分光器的若干实施形式及其制法与用途进行详细而非限 制地说明。鉴于太阳能电池转换效率提升的主要瓶颈之一体现在对宽光谱分光效率的 高低。为此本专利技术设计并提出了一种基于纳米结构的宽光谱分光器，用于将宽 光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光，以进一步提高单结电池或 多结电池对太阳入射光的吸收能效。该宽光谱分光器的结构特征包括对所要分 光透射波段透明的衬底材料及生成在该衬底材料上的二维或三维光子晶体，且 该光子晶体分别具有禁带及介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低 频段的入射光。其中，作为该宽光谱分光器的衬底材料可以是玻璃本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于纳米结构的宽光谱分光器，用于将宽光谱入射光根据所需要的波段分成反射光与透射光，其特征在于：所述分光器包括衬底材料以及生成在所述衬底材料上纳米结构的光子晶体，其中所述衬底材料对于所要分光透射的波段透明，且所述光子晶体包括禁带和介质带，分别选择性地适配于高频段、中频段及低频段的入射光。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，杨辉，董建荣，
申请(专利权)人：苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]