一種具有傘狀塞的亞波長增透結構的太陽能電池柵極的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有傘狀塞的亞波長增透結構的太陽能電池柵極，能夠實現光的異常透射，從而增強光的透過效率，屬于納米科技領域。
【背景技術】
[0002]根據衍射理論，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，同時這些光束又不衍射到各個方向，即實現亞波長平行光束。
[0003]自1998年發現異常光傳輸(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者的目光，成為研宄領域的熱門話題。2002年，Lezec等人設計的所謂的牛眼結構，即以衍射小孔為圓心，在其周圍加上一圈圈的凹槽結構，滿足了以上的兩個要求，這是因為出射光與金屬表面凹槽的表面等離子耦合增強了小孔透射。由于該結構獨特的光學性質引起了人們廣大興趣，所以基于該結構的各種變形研宄也隨之而來。單個狹縫被周期凹槽包圍的結構是其中之一，我們可以把這一結構看成是“牛眼”結構的變形，即由環形結構變成平行結構。另外特別設計的牛眼結構可以抑制明亮的背景用于暗場檢測和成像的顯微鏡。如果把凹槽設計為布拉格反射器，牛眼結構形成等離激元微腔孔，其在光刻和數據存儲有巨大的潛力等。2006年Lalanne根據SPP模式耦合和散射的微觀理解對單個的凹槽和狹縫結構進行了研宄，其理論與數值計算基本一致。
[0004]孔陣列可以增強光透射，這是因為，當電磁波傳輸到金膜表面時，表面電荷重新分布，與外電場形成表面等離子激元(SPP)現象，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，也是一個研宄熱點。相關研宄發現，由于反方向傳播的間隙電漿子的干擾，局部凹槽內部被共振增強。從理論上分析這種現象，研宄人員得到了共振條件的分析表達式，并預測能夠共振增強550倍，繼而他們通過TPL顯微鏡觀察，證實V形凹槽可以實現100倍的強度增強。
[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構，研宄錐形狹縫金屬結構的光學透射性質有更為實際的意義。當孔陣列的小孔兩壁都是平行的時候(straight slits)，這樣的透射增強效果可能不是那么讓人滿意。對此，我們考慮錐形狹縫對光透射的影響。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對光透射的影響。
[0006]許多光學系統，如傳感器、納米光刻技術等，都有個共同的認識:如果一個小孔被一個不透明的金屬覆蓋的話，就會阻礙光的傳播。人們認為，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，光的傳播也會受到阻礙。然而，有些學者發現，通過特定的結構，被遮擋的小孔不僅不會擋住光的傳播，反而會極大的增強光的透過。通過模擬觀察，可以發現，當小孔完全被金屬片遮住時，用幾何光學的角度看，已經沒有任何光透過去的可能，但是，光透過率反而增加了，有人將這種現象歸結于阻擋金屬片的天線效應。
[0007]基于天線效應的研宄，近年來又涌現出很多新的增透結構。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，最高光透過率可達到64%。但是這并不是光透射的極限，通過某種改良，可以進一步提高光透過率。如何更有效地提高光透過率成了這一領域的關鍵課題。
【發明內容】
[0008]本發明提出一種能夠進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構增加透過光的太陽能電池柵極，具有傘狀塞遮孔的、完美對稱的、高光透射率的、周期性二維結構。
[0009]本發明的技術方案是:
一種具有傘狀塞的亞波長增透結構的太陽能電池柵極，太陽能電池柵極上設有金屬傘狀塞的亞波長增透結構；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有二氧化硅凸起，所述的二氧化硅凸起是空心圓柱形，內部為圓柱形空腔；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構包括傘柄和傘蓋，所述的傘柄位于二氧化硅凸起的圓柱形空腔內。
太陽能電池柵極上分布有多個金屬傘狀塞，俯視時為200nm*200nm的周期性二維陣結構。
所述的金屬膜的厚度小于二氧化硅凸起的高度。
[0010]優選的，所述的傘柄半徑為圓柱形空腔的半徑的一半。
[0011]優選的，所述的金屬膜的厚度為30nm。
優選的，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]優選的，所述的傘柄高40nm，半徑25nm。
[0013]優選的，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構的太陽能電池柵極的最大透射率可達87%。
[0015]本發明還提供具有傘狀塞的亞波長增透結構的太陽能電池柵極的制作方法，采用納米壓印技術，用計算機程序控制的電子束直接寫入納米壓設備，制備所設計圖案的壓印版，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，再制備單獨的傘狀塞模板，然后將圖形轉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構。
[0016]另一種方法是，首先通過計算機控制的電子束曝光技術制作具有設計圖案的掩膜版，利用光刻技術通過掩膜曝光將圖形轉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移，形成一種具有傘狀塞的亞波長周期增透結構。
當傘狀塞的亞波長增透結構的結構參數改變時，光的透過率也會隨之發生變化。
通過調節傘柄的半徑與圓柱形空腔半徑的大小，光的透過率會發生變化，當傘柄的半徑的大小是圓柱形空腔的半徑的一半時，透過率最大，即空腔內占空比為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電性，如果一味擴大圓柱形空腔的大小，減小金屬傘柄的面積，則會增大電阻，對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電性問題，不是越薄越好，應當選取合適的厚度。
本發明一個顯著特點是:表面上是減少了透過面積，實際上提高了透過率。傘狀塞的傘