一種具有傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)的太陽能電池柵極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)的太陽能電池柵極，能夠?qū)崿F(xiàn)光的異常透射，從而增強(qiáng)光的透過效率，屬于納米科技領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)衍射理論，如果不透明屏幕上小孔的直徑比光的波長小，光線將被衍射到各個(gè)方向上去。人們希望通過小孔不僅能夠獲得更多能量的亞波長光束，同時(shí)這些光束又不衍射到各個(gè)方向，即實(shí)現(xiàn)亞波長平行光束。
[0003]自1998年發(fā)現(xiàn)異常光傳輸(EOT)以來，通過金膜納米孔或周期狹縫的光傳輸就吸引了很多學(xué)者的目光，成為研宄領(lǐng)域的熱門話題。2002年，Lezec等人設(shè)計(jì)的所謂的牛眼結(jié)構(gòu)，即以衍射小孔為圓心，在其周圍加上一圈圈的凹槽結(jié)構(gòu)，滿足了以上的兩個(gè)要求，這是因?yàn)槌錾涔馀c金屬表面凹槽的表面等離子耦合增強(qiáng)了小孔透射。由于該結(jié)構(gòu)獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)引起了人們廣大興趣，所以基于該結(jié)構(gòu)的各種變形研宄也隨之而來。單個(gè)狹縫被周期凹槽包圍的結(jié)構(gòu)是其中之一，我們可以把這一結(jié)構(gòu)看成是“牛眼”結(jié)構(gòu)的變形，即由環(huán)形結(jié)構(gòu)變成平行結(jié)構(gòu)。另外特別設(shè)計(jì)的牛眼結(jié)構(gòu)可以抑制明亮的背景用于暗場(chǎng)檢測(cè)和成像的顯微鏡。如果把凹槽設(shè)計(jì)為布拉格反射器，牛眼結(jié)構(gòu)形成等離激元微腔孔，其在光刻和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有巨大的潛力等。2006年Lalanne根據(jù)SPP模式耦合和散射的微觀理解對(duì)單個(gè)的凹槽和狹縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研宄，其理論與數(shù)值計(jì)算基本一致。
[0004]孔陣列可以增強(qiáng)光透射，這是因?yàn)?，?dāng)電磁波傳輸?shù)浇鹉け砻鏁r(shí)，表面電荷重新分布，與外電場(chǎng)形成表面等離子激元(SPP)現(xiàn)象，增加了透射能量。孔陣列分為一維孔陣列和二維孔陣列，二維孔可以是圓形、三角形或矩形。有趣的是，一維周期孔陣列比二維孔陣列要復(fù)雜得多。表面等離子激元(SPP)共振分為三種.封閉錐形間隙，如金屬V形凹槽，也是一個(gè)研宄熱點(diǎn)。相關(guān)研宄發(fā)現(xiàn)，由于反方向傳播的間隙電漿子的干擾，局部凹槽內(nèi)部被共振增強(qiáng)。從理論上分析這種現(xiàn)象，研宄人員得到了共振條件的分析表達(dá)式，并預(yù)測(cè)能夠共振增強(qiáng)550倍，繼而他們通過TPL顯微鏡觀察，證實(shí)V形凹槽可以實(shí)現(xiàn)100倍的強(qiáng)度增強(qiáng)。
[0005]亞微米的金屬表面狹縫是用電子束或者聚焦離子束加工，通常其邊緣并不銳利，往往形成錐形狹縫結(jié)構(gòu)，研宄錐形狹縫金屬結(jié)構(gòu)的光學(xué)透射性質(zhì)有更為實(shí)際的意義。當(dāng)孔陣列的小孔兩壁都是平行的時(shí)候(straight slits)，這樣的透射增強(qiáng)效果可能不是那么讓人滿意。對(duì)此，我們考慮錐形狹縫對(duì)光透射的影響。這次我們的課題旨在研宄周期錐形金屬狹縫的幾何形狀，即金屬薄膜厚度h、傾斜角α、周期Λ和下底寬g對(duì)光透射的影響。
[0006]許多光學(xué)系統(tǒng)，如傳感器、納米光刻技術(shù)等，都有個(gè)共同的認(rèn)識(shí):如果一個(gè)小孔被一個(gè)不透明的金屬覆蓋的話，就會(huì)阻礙光的傳播。人們認(rèn)為，即使薄膜上有小孔，而小孔是被不透明的金屬遮住了，這種情況下，光的傳播也會(huì)受到阻礙。然而，有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通過特定的結(jié)構(gòu)，被遮擋的小孔不僅不會(huì)擋住光的傳播，反而會(huì)極大的增強(qiáng)光的透過。通過模擬觀察，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小孔完全被金屬片遮住時(shí)，用幾何光學(xué)的角度看，已經(jīng)沒有任何光透過去的可能，但是，光透過率反而增加了，有人將這種現(xiàn)象歸結(jié)于阻擋金屬片的天線效應(yīng)。
[0007]基于天線效應(yīng)的研宄，近年來又涌現(xiàn)出很多新的增透結(jié)構(gòu)。如直接在孔陣列上方(不直徑接觸小孔)加上尺寸大于孔直徑的金屬圓盤，在金屬圓盤邊緣加上到下方金膜的金屬媒介，將金屬圓盤做成半橢球形狀等，最高光透過率可達(dá)到64%。但是這并不是光透射的極限，通過某種改良，可以進(jìn)一步提高光透過率。如何更有效地提高光透過率成了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出一種能夠進(jìn)一步提高光透過率的太陽能電池柵極，是一種利用具有傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)增加透過光的太陽能電池柵極，具有傘狀塞遮孔的、完美對(duì)稱的、高光透射率的、周期性二維結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種具有傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)的太陽能電池柵極，太陽能電池柵極上設(shè)有金屬傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)；太陽能電池柵極的上部為二氧化硅基底，在所述的二氧化硅基底上設(shè)有二氧化硅凸起，所述的二氧化硅凸起是空心圓柱形，內(nèi)部為圓柱形空腔；除了二氧化硅凸起部位，二氧化硅基底的其他位置的上表面都附著有金屬膜；金屬傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)包括傘柄和傘蓋，所述的傘柄位于二氧化硅凸起的圓柱形空腔內(nèi)。
太陽能電池柵極上分布有多個(gè)金屬傘狀塞，俯視時(shí)為200nm*200nm的周期性二維陣結(jié)構(gòu)。
所述的金屬膜的厚度小于二氧化硅凸起的高度。
[0010]優(yōu)選的，所述的傘柄半徑為圓柱形空腔的半徑的一半。
[0011]優(yōu)選的，所述的金屬膜的厚度為30nm。
優(yōu)選的，所述的二氧化娃凸起的高度為40nm，所述的圓柱形空腔的半徑為35nm。
[0012]優(yōu)選的，所述的傘柄高40nm，半徑25nm。
[0013]優(yōu)選的，所述的傘蓋高40nm，底面為半徑為70nm的圓形。
[0014]所述的具有傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)的太陽能電池柵極的最大透射率可達(dá)87%。
[0015]本發(fā)明還提供具有傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)的太陽能電池柵極的制作方法，采用納米壓印技術(shù)，用計(jì)算機(jī)程序控制的電子束直接寫入納米壓設(shè)備，制備所設(shè)計(jì)圖案的壓印版，先制備除二氧化硅凸起和傘狀塞以外的金屬膜部分的模板，后制備二氧化硅凸起的模板，再制備單獨(dú)的傘狀塞模板，然后將圖形轉(zhuǎn)印到涂在基底上的光刻膠上，最后通過離子銑削刻蝕到襯底上，形成一種具有傘狀住的亞波長傘狀增透太陽能電池柵極結(jié)構(gòu)。
[0016]另一種方法是，首先通過計(jì)算機(jī)控制的電子束曝光技術(shù)制作具有設(shè)計(jì)圖案的掩膜版，利用光刻技術(shù)通過掩膜曝光將圖形轉(zhuǎn)印到涂在基片上的光刻膠上，再通過離子束刻蝕將光刻蝕膠圖案逐層轉(zhuǎn)移，形成一種具有傘狀塞的亞波長周期增透結(jié)構(gòu)。
當(dāng)傘狀塞的亞波長增透結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)，光的透過率也會(huì)隨之發(fā)生變化。
通過調(diào)節(jié)傘柄的半徑與圓柱形空腔半徑的大小，光的透過率會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)傘柄的半徑的大小是圓柱形空腔的半徑的一半時(shí)，透過率最大，即空腔內(nèi)占空比為1:1。增大圓柱形空腔的半徑可以明顯地提高光的透過率，但是，圓柱形空腔的大小并不是越大越好，考慮到作為太陽能柵極的導(dǎo)電性，如果一味擴(kuò)大圓柱形空腔的大小，減小金屬傘柄的面積，則會(huì)增大電阻，對(duì)太陽能電池起到副作用，因此，需要綜合考慮，選取合適的大小的二氧化硅凸起制作柵極，確定圓柱形空腔的半徑后，再確定傘狀塞的傘柄的半徑的大小。
[0017]同樣，通過改變金屬膜的厚，光的透過率發(fā)生變化，厚度越小，透過率越大，但仍然考慮到太陽能電池柵極的導(dǎo)電性問題，不是越薄越好，應(yīng)當(dāng)選取合適的厚度。
本發(fā)明一個(gè)顯著特點(diǎn)是:表面上是減少了透過面積，實(shí)際上提高了透過率。傘狀塞的傘