纳米压印在光伏器件中的应用

纳米压印作为一种全新的纳米图形复制方法，具 有超高分辨率，高质量，低成本的特点，因此纳 米压印被认为是一种大有前途的工业化技术。
1.2：纳米压印技术的种类
最初提出的纳米压印方式热压纳米压印（thermal nanoimprint），但其生产率较低，生产周期较长，并 且高温高压会损耗印模。因此，基于纳米压印的原理派 生出了一系列低温低压和常温常压的纳米压印技术，例 如多种形式的紫外固化纳米压印技术，微接触印刷技术 和软光刻技术等。
3.3改变太阳能电池中部分结构的表面形貌来 增强太阳能电池的性能
• 聚合物太阳能电池的性能极大程度 上是由光敏层中具有纳米尺度形态 的供体受体和分子取向以及其结晶 程度所决定的。其中对纳米异质结 构中的聚合物的协同控制是提升太 阳能性能的关键。而纳米压印技术 已经成为了一种新的方法来同步控 制有机太阳能电池的异质结构和聚 合物链，它使得同步控制激子有效 分离和电子的传输技术成为了现实 。其中一种可以进一步提升太阳能 电池效率的方法：通过纳米光刻技 术优化纳米几何结构，使激子的分 离率最大化。（理论上，在光敏层 中的供体和受体截面积是由纵横比 和纳米结构的密度所决定的，而增 加供体和受体的截面积可以提高激 子的分离率，运用纳米光刻技术可 以改进截面的几何形状从而使得截 面的面积增加。）
1.2.1：热压纳米压印技术
热压纳米压印技术的基本步骤是：压印—— 脱模——反应离子刻蚀去残胶。具体步骤如 下：①压印——在衬底上涂覆一层聚合物材 料，再用印模在一定的温度和压力下去压印 聚合物涂层；②脱模——趁聚合物涂层仍然 软化将印模从中拔出；③反应离子刻蚀去残 胶——通过进一步的处理去除残留的聚合物 涂层，暴露出衬底材料的表面。
四：总结
• 纳米压印技术涉及机械、电子、控制、材料、物理、化学和力学 等，是一种多门学科的综合。它囊括了新原理，新工艺和新方法 ，制造规律和控制、制造装备的研制和开发。它突破了传统的光 学光刻技术存在的限制，使得图形复制能力大大提高，作为一种 高分辨率，低成本，高生产效率的纳米结构图形复制技术，已经 受到了世界各国的重视。该技术已取得了丰硕的研究成果，并一 步步的向工业化方向迈进。特别是在太阳能电池的制造领域，可 以很大程度的降低生产成本，提高性能。但是，从文献检索的情 况来看，中国在这一方面的研究还是比较薄弱的，科研成果较少 。但是，纳米压印技术作为一种重要的新兴制造技术，太阳能电 池作为一种清洁的新能源，二者是具有相当广阔的应用前景的， 因此，我们国家应加大在这两方面的投入，为中国的高新科技的 发展带来新的希望。
2.1.3：光伏材料【solar cell materials】：能将 太阳能 直接转换成 电能 的材料。光伏材料又称 太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能 。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅 、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe 等。用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。用于 地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅 。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料 成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格 与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更 大规模应用创造条件。
1.2.2室温纳米压印技术
由于热压纳米压印需要在高温高压的条件 下进行，这就成为了限制其应用的一个主 要障碍。为此，现在又出现了室温纳米压 印技术。所谓 的室温纳米压印技术就是在 一定的压力下，室温下对材料进行压印， 获得所需要的微纳米图形。采用室温纳米 压印技术可以在一定的程度上消除热压纳 米压印所带来的缺陷。
1.2.3：紫外固化纳米压印技术
• 基于紫外固化作用的 纳米压印技术真正实 现了低温低压的纳米 压印。其与传统的热 压纳米压印的区别是： ①采用了透明印模； ②采用了可以经紫外 固化的液体压印材料。
1.2.4:纳米转印技术
⑴纳米转印技术首先将聚合 物材料涂覆于印模上，待压 印材料均匀填充印模浮雕图 形表面后，再将印模压到一 个平面衬底上。 ⑵转印方式：转印方式一般 有两种： ①热压转印； ②紫 外光照固化转移。 ⑶特点：可以在已有图形的 衬底材料上实现图形的转移。 同时，由于纳米转移是注入 而不是挤压，可以较容易地 实现高深宽比图形的制造。
3.4：用纳米压印技术制作电极
• 由于ITO薄膜具有很高的光传输率和良 好的导电性能，因此已广泛应用于显 示器及太阳能电池中。现在可以使用 纳米压印技术制造出纳米尺度结构的 ITO薄膜。（图a为铟锡薄膜的工艺过 程；图b为ITO纳米粒子图片；图c为热 处理前后的图片；图d为ITO在电子显 微镜下的图片。） 此纳米结构的ITO薄膜具有很好的性能 ， 经试验表明这种纳米结构的ITO薄 膜可以把薄层的电阻降到200Ω/sq以下 ，把光的透射率提高80%以上。同时 增加氧化速率以及选择适当的退火温 度可以减少电阻提高光的透射率。经 测量表明纳米结构的ITO薄膜可以作为 透明电极来提高太阳能电池的性能。
常见的光伏器件
•
硅光电池
太阳能电池
光敏二极管
光敏二极管结构原理图
三：纳米压印在光伏器件制造中 的应用
3.1太阳能电池发展现状：现在国内外的太阳能电池 行业都围绕着提高太阳能电池的光转换效率和减低 成本这两个目标展开工作。晶体硅高效太阳能电池 和各类薄膜太阳能电池也是全球新型太阳能电池的 研发热点。薄膜太阳能电池研究主要集中在非晶质 薄膜电池，碲化镉薄膜电池和多晶硅薄膜电池上。 而且现在已证明将纳米压印技术应用到太阳能电池 的制造中是提高太阳能电池的性能的有效方法之一。
1.3：纳米压印技术的应用
• 纳米压印技术自开发以来成为了微纳米加 工领域一个最活跃的研究方向。这一技术 本身已经展示出了广阔的应用领域，例如： 制作量子磁碟，DNA电泳芯片，GaAs光检 测器件，波导起偏器，硅场效应管等。其 中最具有希望被大规模生产的是： ①高密 度磁存储； ②大规模集成电路。
•
3.4：纳米压印在光伏电池领域的最新应用
• 2010年, X.M.He等人[ 20] 发表了一篇 利用纳米压印技术制备光伏器件的文章 。这篇文章利用两种具有不同能量级别 的聚合物, 通过纳米压印技术先将纳米 尺度的图案翻模到一种聚合物上, 然后 再用这种翻模后的聚合物作为模板, 对 另外一种聚合物进行压印, 从而实现两 种聚合物间纳米尺度的嵌合, 这种大密 度纳米尺度的嵌合接触对光伏电池提高 能量转化率有重要意义。图14给出了工 艺流程、利用两次压印制作的2 mm @ 4 mm 柔性P3HT /F8TBT PV 器件照片 和三维图。制作PV 器件时先利用压印 方法将S i模板上的图形转移到P3HT薄 膜上, P3HT 薄膜下依次是PEDOT /PSS 层和ITO 导电玻璃阳电极; 然后以 模型化的P3HT压印涂覆在A l阴极上的 F8TBT, 制得PV 器件。
二：光伏/能源器件概述
2.1：有关于光伏器件的重要概念 2.1.1：光伏器件的定义：利用半导体PN结的光伏效应 制成的器件称为光伏器件，也称为结型光电器件，其作 用是将来自太阳的光子转换为电能。 2.1.2：光伏效应: “光生伏特效应”，简称“光伏效应”， 英文名称：Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导 体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现 象。它首先是由光子（光波）转化为电子（结构转变）、 光能量转化为电能量的过程（能量转化）；其次，是形 成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之 间连通，就会形成电流的回路。
3.2：利用纳米压印技术制造增透膜来提升 太阳能电池的性能
• 制造太阳能电池的材料通常具有较高的折射率，当太阳光入射到表面时，会 引起菲涅尔反射，造成太阳光的损失。据统计，在不使用防反射膜的情况下， 超过30%的入射光将会损失。因此，最大限度的减少反射从而提高效率一直 是一个重要的研究方向。 • 现在可以采用室温纳米压印技术，用铝氧化物膜作为掩模，采用UV纳米压印 技术（紫外固化纳米压印技术），将一种纳米尺度的多孔氧化铝掩模图案转 移到光刻胶上，从而使防反射膜具有蛾眼结构并将其应用到单晶硅太阳能电 池等多种太阳能电池中（图1）。这种有蛾眼结构的防反射膜可以在很宽的光 谱范围类有效地减少菲涅尔反射，使太阳能电池的损失减少。据实验计算， 这种放射膜的表面反射率将降到4%左右（图2），且在波长为425—— 1200nm间，可以提高太阳能电池19%的光电转换效率（图3）。 • 由于使用紫外固化纳米压印法制作这种防反射膜简单，成本较低而且条件并 不苛刻，所以可以应用于不同种类的太阳能电池。
2.1.4：常见的光伏器件
• ①光电池——光电池直接把光能转换为电能的 光电器件，光电池的基本结构就是一个PN结。 按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定 型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异 质结光电池等。 ②光敏二极管——光电二极 管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。 它和光电池相比，重要的不同点是结面积小， 因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池 相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数 微安到数十微安
纳米压印技术在光伏/能源器件制 造中的应用
制作人： 赵永恒 20100798 张石亮 20100787
目录
• 一：什么是纳米压印技术
• 二：什么是光伏/能源器件 • 三：纳米压印技术在光伏/能源器件制造中 的应用 • 四：总结
一：纳米压印技术
1.1纳米压印技术概述 1.1.1 纳米压印技术的含义： 纳米压印技术属于微纳米加工技术中模型图形化 工艺的一种，是利用微纳米尺寸的模具来复制出 相应的微纳米结构 。 1.1.2 纳米压印技术的特点
结束