利用復(fù)合光柵減反膜提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率

周伯川，方朝龍，張耀舉

(1．溫州大學(xué)計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，浙江溫州 325035；2．溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，浙江溫州 325035;3．泉州信息工程學(xué)院電子與通信工程學(xué)院，福建泉州 362000)

隨著電力需求的日益增長，太陽能作為一種取之不盡的綠色能源正在扮演著越來越重要的角色．國際能源組織預(yù)測(cè)到2050年底，光伏發(fā)電量將會(huì)達(dá)到4 600 GW，光伏發(fā)電量將達(dá)到全球各種能源總發(fā)電量的16%[1]．盡管最近20多年，光伏發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展，發(fā)電成本已經(jīng)大大降低，但是相對(duì)較高的制備成本和較低的光電轉(zhuǎn)換效率[2-4]依然是阻礙太陽能電池廣泛應(yīng)用的兩大重要因素．為了提高轉(zhuǎn)換效率，可以在太陽能電池表面覆蓋一層減反射涂層[5]．許多減反射的光俘獲結(jié)構(gòu)[6]例如納米錐[7]、納米金字塔[8]、納米球[9]、納米線[10]、納米柱[11]等被設(shè)計(jì)并制備出來．Zhang等[12]通過在KOH溶液中添加一種新的添加劑的方法來縮短硅片腐蝕時(shí)間，并且通過該方法能形成更加均勻和致密的金字塔光俘獲結(jié)構(gòu)，但是這種方法的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過程中的化學(xué)廢液會(huì)帶來環(huán)境污染．Cecchetto等[13]采用NF3和Ar的混合等離子氣體對(duì)硅片表面進(jìn)行刻蝕，通過設(shè)置不同的參數(shù)提高硅表面的紋理效果，縮短了蝕刻時(shí)間．由于氟化氣體（包括NF3）是溫室氣體，因此，等離子體處理過程中釋放的廢物量極小，與濕法刻蝕相比，其環(huán)境影響可以被認(rèn)為極低，但是，干法刻蝕[14]所需要的設(shè)備較為昂貴，制備成本較高．Han等[15]采用納米壓印技術(shù)在GaAs太陽能電池表面制作了蛾眼結(jié)構(gòu)減反膜，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)該方法可以使GaAs太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率從27.77%提高到28.69%[16]．納米壓印光刻[17]具有高分辨率和高保真度的優(yōu)點(diǎn)，但是壓印后圖形的效果主要取決于印章上圖形本身的質(zhì)量，而制作納米印章通常需要電子束、極紫外光、聚焦離子束等技術(shù)，成本較高．Dan等[18]利用軟壓印光刻技術(shù)在薄單晶硅太陽能電池上制作納米尺度的光阱結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這樣處理后的太陽能電池的寬帶光捕獲能力得到了大幅度的優(yōu)化[19]．

本文首先通過激光直寫[20]光刻機(jī)刻蝕出一維光柵結(jié)構(gòu)模板，然后將光柵結(jié)構(gòu)模板轉(zhuǎn)移到預(yù)先拉伸（以下稱為橫向拉伸）的二甲基硅氧烷（PDMS）基底上，釋放拉力，PDMS基底自然收縮，從而得到周期小于原模板周期的一維光柵結(jié)構(gòu)．在此基礎(chǔ)上，沿著與光柵周期垂直的方向拉伸（以下稱為縱向拉伸），進(jìn)行表面改性[21]后再釋放拉力，就可以得到在原來的一維光柵長度方向具有表面褶皺的二維光柵結(jié)構(gòu)．實(shí)驗(yàn)顯示，周期減小、深寬比增大以及表面褶皺形成的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)減反膜對(duì)于提高太陽能電池效率具有非常顯著的作用．與其他方法相比，本文所采用的制備太陽能電池減反膜的方法具有成本較低，無環(huán)境污染等特點(diǎn)．

1 FDTD仿真

下面采用時(shí)域有限差分（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）方法仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)出光柵的結(jié)構(gòu)，為實(shí)驗(yàn)制備減反膜結(jié)構(gòu)提供參考．采用FDTD方法將電磁場(chǎng)作為時(shí)間的函數(shù)來求解，然后運(yùn)用傅里葉變換來計(jì)算光譜響應(yīng)．FDTD的原理是將物體劃分為一個(gè)個(gè)的正方形網(wǎng)格，從源點(diǎn)處通過麥克斯韋方程不斷迭代到下一個(gè)點(diǎn)，從而得到整個(gè)空間的場(chǎng)分布．使用FDTD進(jìn)行仿真，首先要搭建好模擬環(huán)境．本文創(chuàng)建的二維（2D）仿真結(jié)構(gòu)見圖1．Al基底厚度為2 μm，Al基底上面的Si層厚度設(shè)置為150 μm（這個(gè)厚度是大多數(shù)商用的晶體硅太陽能電池中硅層的厚度）．目前高效率晶硅太陽能電池的表面都有金字塔結(jié)構(gòu)，金字塔的大小在2―10 μm之間不等．為了使計(jì)算結(jié)果盡量接近實(shí)際，在FDTD仿真中將硅層的上表面設(shè)計(jì)成金字塔結(jié)構(gòu)，金字塔的高度為5.66 μm、底角為54.74°．Si金字塔的上方具有80 nm厚的SiNx鈍化層．鈍化層的上方為一維光柵結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂薄膜減反膜，其中環(huán)氧樹脂薄膜的厚度設(shè)置為20 μm．虛線框是一個(gè)仿真單元，水平x方向用周期性邊界條件（Periodic），垂直y方向用吸收邊界條件（PML），太陽光垂直入射到太陽能電池上．在模擬區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)監(jiān)視器來監(jiān)視整個(gè)太陽能電池的反射率譜．為了減少網(wǎng)格剖分時(shí)FDTD計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)目，節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，采用了分區(qū)域剖分網(wǎng)格的方法，光柵層和金字塔層的最小網(wǎng)格都設(shè)置為10 nm ×10 nm的大小，其他區(qū)域網(wǎng)格的大小設(shè)置為30 nm × 30 nm．

圖1 太陽能電池的FDTD仿真結(jié)構(gòu)圖

FDTD模擬計(jì)算的幾個(gè)不同周期（p）結(jié)構(gòu)的太陽能電池減反膜的反射率譜見圖2．為了比較，將具有無結(jié)構(gòu)的平面表面減反膜的反射率譜也畫在了圖2中．模擬中，保持光柵脊的高度為500 nm、占空比為0.5不變，只改變光柵的周期．顯然，與無結(jié)構(gòu)的平面表面減反膜相比，具有光柵結(jié)構(gòu)的減反膜可以在0.3―1.1μm整個(gè)光譜范圍內(nèi)使電池的反射率減小．光柵周期不同，對(duì)不同頻段的反射率減小的影響也不同．總體來說，在波長小于370 nm范圍，周期愈大，反射率減少愈多；在波長大于370 nm范圍，周期愈大，反射率減少愈少．為了定量比較幾種光柵結(jié)構(gòu)的減反射能力，計(jì)算其在整個(gè)波長范圍內(nèi)的平均反射率．平均反射率的公式定義為：

圖2 不同光柵周期的減反結(jié)構(gòu)的太陽能電池反射率譜

其中，R()λ為FDTD計(jì)算出來的反射率譜，S()λ為AM1.5G太陽光譜，λmin和λmax分別是產(chǎn)生有效的光伏效應(yīng)的最小和最大波長，在下面的計(jì)算中，取λmin=300 nm,λmax=1 100 nm．太陽能電池對(duì)太陽光的平均反射率隨著光柵周期的變化情況見圖3．從圖3中可見，平均反射率隨著光柵周期的變化是一個(gè)非單調(diào)的行為．當(dāng)光柵周期較大時(shí)，Rav隨著光柵周期的減小而逐漸減小，在p= 0.7 μm處，Rav取得最小值，而后，Rav隨著光柵周期p的減小而增加．這就是說，光柵周期p= 0.7 μm是所仿真的太陽能電池模型的最優(yōu)減反結(jié)構(gòu)．

圖3 太陽能電池的平均反射率隨減反膜光柵周期的變化

對(duì)于以上這種現(xiàn)象．可解釋如下．

光柵方程可以表達(dá)為：

其中n是衍射介質(zhì)的折射率，m是衍射級(jí)次，α是光的入射角，β是衍射角．方程（2）顯示，小的光柵周期p導(dǎo)致了大的衍射角，也就是說光被衍射到了高的衍射級(jí)次上．衍射級(jí)次越高，光越不能在衍射介質(zhì)中進(jìn)一步傳播．另一方面，光柵周期越大，衍射角越小，在太陽能電池中的等效光程越短，被太陽能電池吸收的光能也越小，從而使太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率越低．因此，只有在合適的光柵周期范圍（p接近0.7 μm），光柵的反射率較低，太陽能電池的效率才較高．這種現(xiàn)象已經(jīng)在太陽能電池減反膜實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)[23]．

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

上節(jié)的仿真結(jié)果顯示，光柵周期為0.7 μm時(shí)，光柵減反膜的減反射效果最佳．直接用電子束直寫可以光刻出這種納米光柵，但成本很高．本實(shí)驗(yàn)用現(xiàn)有的成本不太高的激光直寫光刻機(jī)結(jié)合軟膜壓印等方法來制備納米光柵．首先使用激光直寫光刻機(jī)（合肥芯碁，MLL-C900，最小光刻線條寬度0.9 μm）在光刻膠上光刻出微米尺度的光柵結(jié)構(gòu)作為模板，然后使用軟膜壓印法將微米尺度的光柵結(jié)構(gòu)復(fù)制到預(yù)先拉伸的PDMS薄膜上，壓印完成、脫模、PDMS薄膜收縮后，可以得到周期小于原模板中光柵周期的光柵．通過調(diào)整PDMS基底的預(yù)拉伸量，可以得到不同周期的納米光柵．使用等離子清洗機(jī)（美國，Diener ATTO）對(duì)沿著與光柵周期垂直方向拉伸的PDMS薄膜進(jìn)行O2等離子體轟擊，使得PDMS薄膜表面硬化，釋放拉力后得到在PDMS薄膜表面光柵的長度方向形成納米褶皺結(jié)構(gòu)的表面二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)．通過掃描電子顯微鏡SEM（日本電子JSM-7100F）對(duì)制得的光柵結(jié)構(gòu)圖案進(jìn)行表征，觀察光柵收縮前后和表面改性前后的結(jié)構(gòu)形貌．將光柵結(jié)構(gòu)通過軟膜壓印方法壓印到封裝太陽能電池的環(huán)氧樹脂薄膜上．用太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)（Newport IVPV）對(duì)具有不同減反膜結(jié)構(gòu)的太陽能電池進(jìn)行測(cè)試，比較它們的電學(xué)特性．采用分光光度計(jì)（Perkin-Elmer Lambda 1050 UV/VIS/INF）測(cè)試減反膜的反射譜．

2.2 光柵結(jié)構(gòu)減反膜的制備

考慮到現(xiàn)有的光刻機(jī)分辨率為0.9 μm，所以本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)光刻光柵的周期為2 μm．圖4顯示了光柵結(jié)構(gòu)減反膜的制備過程．

第一步，用激光直寫光刻機(jī)在光刻膠上光刻出周期為2 μm、占空比為0.5的光柵結(jié)構(gòu)圖案（圖4（a））．制作流程如下．1）清洗硅片：用酒精浸濕的無塵布將硅片表面擦洗干凈，保證硅片表面的干凈整潔．2）勻膠：將硅片水平放置在勻膠儀上，用滴管把光刻膠（S1800 G2）滴在硅片中心，滴完后靜置一分鐘，然后旋涂（轉(zhuǎn)速為4 000 r / min）1 min．3）前烘：將旋涂有光刻膠的硅片水平放置在烤臺(tái)上，在80℃下烘烤1 min．4）光刻：首先在畫圖軟件Ledit中設(shè)計(jì)好光柵結(jié)構(gòu)圖案，然后在文件查看工具Evtview中驗(yàn)證圖案尺寸是否正確．在光刻軟件里設(shè)置曝光功率為10 mW，離焦量為0.000 25 mm，曝光模式為單次曝光．進(jìn)行光刻時(shí)要保證環(huán)境安靜，防止外界振動(dòng)對(duì)工作臺(tái)產(chǎn)生影響．5）顯影：光刻完畢后，靜置硅片半個(gè)小時(shí)來提高光柵結(jié)構(gòu)的陡直度，然后將硅片放入顯影液中浸泡50 s，用去離子水將硅片表面沖洗干凈，得到微米尺度條狀光柵模板圖案．

第二步，通過固化分離得到PDMS模板（圖4（b））．制作流程如下．1）氣相沉積法提高疏水性：為了提高光刻膠模板表面的疏水性，使后續(xù)的分離更為徹底，實(shí)驗(yàn)將光刻膠模板放入密閉的培養(yǎng)皿中，用三甲基氯硅烷對(duì)其進(jìn)行氣相沉積處理，沉積時(shí)間為10 min．2）固化分離：首先將PDMS（RTV615）A膠與B膠按照質(zhì)量比為10∶1的比例進(jìn)行混合，并且攪拌10 min后覆蓋在光刻膠模板上，抽至真空，以排除光柵縫隙中的氣泡，然后把覆有PDMS預(yù)聚液的光刻膠模板放在70℃的烤臺(tái)上固化8 h，最后將固化的PDMS與光刻膠模板進(jìn)行分離，得到（微米）光柵結(jié)構(gòu)的PDMS模板．

第三步，通過模板復(fù)制得到環(huán)氧樹脂模板（圖4（c―d））．制作流程如下．1）親水性處理：將表面用酒精擦干凈的玻璃片放進(jìn)等離子清洗機(jī)中，用空氣等離子體對(duì)其處理10 min，以增強(qiáng)玻璃片表面的親水性．2）固化分離：將PDMS模板壓印在滴有環(huán)氧樹脂溶液的玻璃片上，采用真空機(jī)抽去氣泡后，將其放在70℃的烤臺(tái)上固化4 h．剝離PDMS后得到光柵的環(huán)氧樹脂模板．

第四步，通過軟膜壓印將環(huán)氧樹脂光柵模板圖案轉(zhuǎn)移到PDMS薄膜上（圖4（e―g）），這一步是為制備收縮周期光柵做準(zhǔn)備．制作流程如下．1）旋涂：把環(huán)氧樹脂模板放在旋膠儀上固定好后，在上面覆蓋一層PDMS預(yù)聚液，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 000 r / min，旋涂1 min．2）把表面有PDMS預(yù)聚液的環(huán)氧樹脂模板倒扣在預(yù)拉伸的PDMS薄膜上，放入烤箱中進(jìn)行固化，時(shí)間為7 h．緩慢釋放拉力至環(huán)氧樹脂模板與PDMS薄膜剝離，得到周期收縮的PDMS一維光柵結(jié)構(gòu)．

第五步，通過等離子體表面改性法得到表面有納米褶皺的二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)（圖4（h））．制作流程如下．1）將具有光柵的PDMS薄膜沿著與光柵周期垂直的方向拉伸50%、80%，再放入等離子體清洗機(jī)中對(duì)其表面進(jìn)行O2等離子體轟擊8 min．2）轟擊后的PDMS光柵的表面會(huì)形成一層類玻璃層，緩慢釋放拉力后，PDMS薄膜基底自然收縮至原長，此時(shí)硬化的PDMS光柵表面類玻璃層會(huì)產(chǎn)生與光柵周期方向垂直的納米褶皺，即形成了二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)．

圖4 光柵結(jié)構(gòu)減反膜制作過程

第六步，將一維或者二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到封裝太陽能電池的環(huán)氧樹脂薄膜的表面形成光柵結(jié)構(gòu)減反膜．

3 結(jié)果與分析

3.1 反射率測(cè)量

為了研究收縮處理對(duì)光柵結(jié)構(gòu)減反射性能的有效性，將原一維2 μm周期光柵和收縮成1.4 μm周期后再形成褶皺的二維復(fù)合光柵圖案轉(zhuǎn)移到封裝太陽能電池的環(huán)氧樹脂減反膜上，采用分光光度計(jì)在300―1 200 nm波長范圍內(nèi)測(cè)量太陽能電池的反射譜，結(jié)果見圖5．由于本實(shí)驗(yàn)使用的激光直寫光刻機(jī)的最小光刻線條寬度為0.9 μm，光刻出的光柵周期很難達(dá)到0.7 μm，所以采用拉伸收縮的辦法來減小光柵周期．重復(fù)收縮步驟可以使光柵周期比1.4 μm更小，但光柵模板經(jīng)過多次轉(zhuǎn)移表面會(huì)嚴(yán)重磨損，并且在收縮過程中由于光柵頂部和底部彈性模量的不同有可能會(huì)導(dǎo)致光柵靠攏在一起．

由圖5可以計(jì)算得到，太陽能電池具有表面無結(jié)構(gòu)的平面表面減反膜時(shí)平均反射率為7.77%，具有一維原光柵和二維復(fù)合光柵減反膜時(shí)平均反射率分別為6.74%和6.26%．與表面無結(jié)構(gòu)的減反膜相比，2 μm周期一維光柵和1.4 μm的二維復(fù)合光柵分別將太陽能電池的相對(duì)反射率減小了13.25%和19.43%，這說明收縮光柵和表面褶皺可以增強(qiáng)光柵結(jié)構(gòu)的光捕獲能力．本實(shí)驗(yàn)反射損失的減小主要是因?yàn)槭湛s使得光柵周期減小和深寬比增大，同時(shí)表面處理后使得光柵形成納米褶皺，在空氣與環(huán)氧樹脂減反膜表面之間提供了梯度折射率的過渡．

圖5 具有不同減反結(jié)構(gòu)的太陽能電池的反射譜

3.2 結(jié)構(gòu)表征

掃描電子顯微鏡（SEM）是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察儀器．其利用聚焦的、很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質(zhì)間的相互作用，來激發(fā)各種物理信息，對(duì)這些物理信息進(jìn)行收集、放大、再成像以達(dá)到對(duì)物質(zhì)微觀形貌表征的目的．圖6是原周期為2 μm的模板和橫向分別收縮60%和100%后的光柵結(jié)構(gòu)的SEM照片．

圖6 制備的一維光柵的SEM 照片

從圖6可以得到，與原光柵模板相比，操作的橫向收縮60%的光柵結(jié)構(gòu)的實(shí)際周期從2 μm縮小至1.512 μm，光柵相鄰脊之間的寬度從1 μm縮小至0.4 μm．操作的橫向收縮100%的光柵的實(shí)際周期從2 μm縮小至1.122 μm，光柵相鄰脊之間的寬度從1 μm縮小至0.245 μm．原光柵模板的深寬比（光柵的高度與光柵的周期之比）為0.25，橫向收縮60%后實(shí)際光柵的深寬比為0.33，橫向收縮100%后實(shí)際光柵的深寬比為0.45．由此可見，收縮使得光柵結(jié)構(gòu)的深寬比增加，收縮愈多，深寬比增加愈多，這主要是由光柵縫區(qū)的收縮率高于光柵脊區(qū)的收縮率所致．在一維原光柵（周期為2 μm，高度0.5 μm）的基礎(chǔ)上，用收縮法所制備出的一維收縮光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果見表1．

沿著制備的條狀收縮光柵的狹縫方向?qū)DMS薄膜拉伸，進(jìn)行等離子體表面改性，條狀收縮光柵表面產(chǎn)生納米褶皺的SEM照片見圖7．從圖7可以看出，縱向拉伸后的光柵模板表面出現(xiàn)了與光柵周期垂直方向的褶皺條紋，這是由于PDMS光柵薄膜在O2等離子體的轟擊下，表面形成了很薄的一層硬化玻璃層，而玻璃層與下面的PDMS基底的彈性模量不同，緩慢收縮時(shí)，PDMS薄膜的表面（光柵表面）就形成了褶皺[21]．圖7（a）和圖7（b）分別是對(duì)橫向收縮60%和100%的一維收縮光柵進(jìn)行縱向拉伸50%和表面改性后形成的二維復(fù)合光柵的SEM俯視圖．比較圖7（a）和圖7（b）可知，盡管在實(shí)驗(yàn)中對(duì)兩個(gè)收縮光柵的縱向拉伸相同，但它們形成的縱向褶皺條紋的周期不同，（a）圖中的褶皺條紋的周期為115 nm，（b）圖中的褶皺條紋的周期為198 nm．表1中也給出了幾種其他褶皺的測(cè)試結(jié)果．顯然，褶皺條紋的周期與光柵的周期有關(guān)，光柵周期愈小，褶皺條紋的周期愈大．這是因?yàn)闄M向周期愈大的光柵，它的表面面積愈小，經(jīng)O2等離子體轟擊后，它的表層的等效彈性模量與基底的彈性模量的差別愈小，根據(jù)褶皺理論，表層與基底薄膜之間的彈性模量差別愈小，褶皺周期越小[21]．因此，橫向收縮60%的收縮光柵的褶皺條紋的周期比橫向收縮100%的收縮光柵的褶皺條紋的周期要小．此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中這兩個(gè)收縮光柵，在縱向拉伸80%條件下對(duì)其進(jìn)行表面改性后，形成的褶皺條紋（圖7中沒有顯示）沒有在縱向拉伸50%條件下所形成的褶皺條紋清晰．

表1 制備出的環(huán)氧樹脂減反膜的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果

圖7 二維復(fù)合光柵的SEM照片

3.3 電學(xué)性能測(cè)試

將制備的光柵結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移到封裝太陽能電池的環(huán)氧樹脂減反膜上面，通過太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試電池的電學(xué)性能．首先把太陽能電池水平放置在工作臺(tái)上，保證光源垂直照射，然后用太陽光模擬器模擬太陽光（AM1.5G）垂直照射在電池表面，在Oriel I-V Test Station中觀察電池的電學(xué)參數(shù)．

太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率公式為[22]：

由（3）式可以看出，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與電池的開路電壓Voc、短路電流Jsc及填充因子FF的乘積有著密切的關(guān)系，這三者乘積的值越大，轉(zhuǎn)換效率也就會(huì)越高．圖8顯示出了不同的一維收縮光柵減反膜的太陽能電池的電流密度與電壓的關(guān)系，測(cè)量的典型電學(xué)參數(shù)見表2．從圖8可見，具有D型收縮光柵減反膜的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高，它將常規(guī)封裝（表面為平面表面，A型減反膜）電池的效率從15.574%提高到了15.884%，相對(duì)轉(zhuǎn)換效率提高了1.99%；與收縮前的B型光柵相比，相對(duì)轉(zhuǎn)換效率提高了0.667%．本文采用FDTD方法計(jì)算出周期為2 μm、高度為0.5 μm、占空比為0.25的光柵實(shí)際收縮后周期為1.122 μm、高度為0.56 μm、槽的寬度為0.245 μm的光柵對(duì)太陽光的平均反射率為3.64%，平均吸收率為96.36%．由于反射很少，若電池的轉(zhuǎn)換效率近似為測(cè)試的效率15.884%，則具有收縮光柵（D型）的太陽能電池的理論預(yù)計(jì)效率比具有原光柵（B型）的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高0.16%，這與實(shí)際測(cè)試的效率提高值0.145%基本一致．這說明，基于FDTD方法所做的理論分析計(jì)算是可行的．

圖8 具有無結(jié)構(gòu)、一維原光柵和一維收縮光柵減反膜的太陽能電池的J-V曲線對(duì)比圖

圖9和表2分別給出了具有一維收縮光柵和二維復(fù)合光柵減反膜的太陽能電池的電流密度-電壓曲線和典型的電學(xué)參數(shù)的比較．從圖9和表2可以看出，太陽能電池具有二維復(fù)合光柵減反膜時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率高于具有一維光柵減反膜時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率；橫向收縮60%、縱向收縮50%的光柵結(jié)構(gòu)減反膜（E型）的減反效果最好，E型二維復(fù)合光柵減反膜使得太陽能電池的短路電流密度Jsc從34.352 mA / cm2（A型的Jsc）增長到34.789 mA / cm2，開路電壓Voc從0.603 V（A型的Voc）增長到0.612 V，光電轉(zhuǎn)換效率PCE從15.574%（A型的PCE）增加到16.237%，相對(duì)轉(zhuǎn)換效率提高了4.26%．

表2 具有不同減反膜的太陽能電池的電流密度、開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率比較

圖9 具有無結(jié)構(gòu)、一維收縮光柵和二維復(fù)合光柵減反膜的太陽能電池的J-V曲線對(duì)比圖

太陽能電池分別具有E型和G型兩種結(jié)構(gòu)的減反膜時(shí)的功率-電壓曲線見圖10．可以看出，太陽能電池具有E型減反膜的最大功率比具有G型減反膜的大．由圖10可以求出，太陽能電池在電壓V= 0.515 V處的最大功率分別為18.75 mW（E型減反膜）和18.03 mW（G型減反膜）．最大功率可以表達(dá)為Pm=AJmVm，其中A是電池表面積，Jm和Vm分別是在最大功率點(diǎn)處的電流密度和電壓，可以根據(jù)如下公式計(jì)算[24]：

圖10 具有不同的二維復(fù)合光柵減反膜的太陽能電池的P-V曲線

其中（6）式中的aabs(λ) 是由FDTD計(jì)算出的吸收率譜，其他參數(shù)見參考文獻(xiàn)[24]中的說明．由此可計(jì)算出太陽能電池具有E型和G型減反膜時(shí)的最大功率分別是19.03 mW和18.2 mW，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合．

3.4 接觸角測(cè)量

接觸角是指液/氣界面碰到一固體表面時(shí)，二者在液/固接觸界線上形成的夾角，它是衡量液體濕潤固體表面程度的指標(biāo)．測(cè)量接觸角是表征表面或材料濕潤屬性的一種通用方法．接觸角的大小是由固體和液體的雙方屬性、液固之間的相互吸引和排斥作用以及形成的三相（氣、液、固）之間的界面的屬性決定的．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減反膜不僅具有良好的減反性能，而且還具有超疏水特性．實(shí)驗(yàn)中，使用接觸角測(cè)量?jī)x器通過緩慢加液的方法在針管的端口形成一定體積的懸滴，然后緩慢移動(dòng)物品臺(tái)使其與液滴接觸，待液滴在物體表面穩(wěn)定后測(cè)液滴與物體表面的接觸角．圖11是用4 μL的水滴滴在不同結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂減反膜上測(cè)得的接觸角．圖11中，（a）、（b）、（c）分別是無結(jié)構(gòu)、原模板和橫向收縮60%縱向收縮50%后的環(huán)氧樹脂減反膜表面形成的固液接觸角，分別為106°、113°和122°．與無結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)過拉伸收縮處理后的環(huán)氧樹脂減反膜將接觸角提高了16°．接觸角的提高，可以提升太陽能電池的自清潔性能，從而減少表面灰塵帶來的反射損失．

圖11 水滴在不同結(jié)構(gòu)的PDMS模板上接觸角對(duì)比圖

4 結(jié) 語

本文通過軟膜壓印與表面改性的方法制備出一維收縮光柵和二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的減反膜．首先通過激光直寫設(shè)備制造出微米尺度的光柵結(jié)構(gòu)模板，然后通過軟膜壓印進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，接著對(duì)拉伸的PDMS光柵結(jié)構(gòu)薄膜進(jìn)行表面改性，釋放拉力以后就可得到具有納米褶皺的二維復(fù)合光柵減反膜．將制備出的二維復(fù)合光柵圖案轉(zhuǎn)移到封裝晶硅太陽能電池的環(huán)氧樹脂減反膜上，可以將太陽能電池的相對(duì)轉(zhuǎn)換效率提高4.26%，相對(duì)反射率降低19.43%，電池表面的水滴接觸角提高16°．本文提出的制備太陽能電池減反膜的方法成本低，操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境無污染，具有非常廣闊的應(yīng)用前景．