超材料太阳能吸收器及制备方法与流程

本发明涉及太阳能吸收器领域，具体地，涉及超材料太阳能吸收器及制备方法。

背景技术：

1、面向全球能源危机与环境问题加剧的严峻挑战，太阳能作为绿色可再生能源得到了广泛的关注和研究。传统的硅基太阳能电池的光吸收效率受到材料固有带隙的限制，难以实现全光谱高效吸收，且体积笨重，难以满足便携式电子设备等应用场景的需求。由于超材料可以突破传统光学材料的限制，实现高效的光学吸收，将超材料应用于太阳能吸收器，可以克服传统太阳能电池的诸多不足。因此，基于超材料的高效太阳能吸收器具有重要的应用前景。

2、申请号为2024108944039的专利涉及一种多层金属-介质太阳能吸收器，通过将金属层及介质层交替堆叠形成多层吸收器结构，实现了在400-1600nm波段的高吸收，具有偏振不敏感性以及加工成本低的特点。申请号为2022111184126的专利涉及一种宽光谱太阳能吸收增强器件，使用折射率渐变的草状氧化铝，通过多层膜干涉原理提高基底与空气的折射率匹配成都，实现400-1100nm波段的高效吸收。

3、上述两种方案均针对太阳能的高效吸收，从加工成本的角度提出了新的吸收器制备方案，通过多层膜的干涉与谐振机理提高了部分波段的吸收率，但由于结构的设计自由度较低，无法在200-2000nm波段的太阳能宽光谱实现高效吸收。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超材料太阳能吸收器及制备方法。

2、根据本发明提供的一种超材料太阳能吸收器，包括：衬底层和功能层；

3、所述功能层包括薄膜层和图案化结构层；

4、所述图案化结构层包括顶部金属铬层、二氧化硅层以及上锗层；

5、所述薄膜层包括下锗层和底部金属铬层；

6、所述衬底层包括石英基底层；

7、所述顶部金属铬层、二氧化硅层、上锗层、下锗层、底部金属铬层以及石英基底层逐层连接设置。

8、优选地，所述超材料太阳能吸收器的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤s1，将石英晶圆的一侧紧贴在塑料薄膜上，再对另一侧进行切割获得多个石英晶片；

10、步骤s2，对得到的石英晶片进行有机湿法清洗和表面等离子体改性处理；

11、步骤s3，在石英晶片上表面沉积一层金属铬，形成底部金属铬层，作为底部金属反射镜；

12、步骤s4，对底部金属铬层表面进行有机湿法清洗和表面等离子体改性处理；

13、步骤s5，在底部金属铬层表面沉积一层锗；

14、步骤s6，对锗层表面进行有机湿法清洗和表面等离子体改性处理；

15、步骤s7，在锗层表面沉积一层二氧化硅，形成二氧化硅层；

16、步骤s8，对二氧化硅层表面进行有机湿法清洗和表面等离子体改性处理；

17、步骤s9，在二氧化硅层上表面旋涂一层均匀的电子束光刻胶，并用热板对光刻胶进行烘烤处理；

18、步骤s10，在石英晶片上表面沉积一层金属铬，作为石英晶片的导电层；

19、步骤s11，通过电子束光刻设备对光刻胶进行曝光，用铬刻蚀液去除导电层，并进行显影和定影，将版图上绘制的超材料图形转移到光刻胶上，获得用于剥离工艺的掩模层；

20、步骤s12，使用电子束蒸发镀膜设备在显影后的光刻胶上沉积一层金属铬，去除残留的光刻胶，留下的图形化金属铬，形成顶部金属铬层，作为刻蚀的硬掩模和超材料吸收器的顶部功能层；

21、步骤s13，以顶部金属铬层作为硬掩模，使用介质刻蚀设备刻蚀二氧化硅层，将超材料图形转移到二氧化硅层中；

22、步骤s14，以顶部金属铬层作为硬掩模，使用反应离子刻蚀系统刻蚀部分锗层并形成上锗层，将超材料图形转移到上锗层中，得到一种高效的超材料太阳能吸收器。

23、优选地，在步骤s2、s4、s6以及s8中，所述有机湿法清洗为通过丙酮和异丙醇进行清洗，并通过超声清洗5分钟，所述表面等离子体改性处理为使用微波等离子体去胶机通入氧气和氮气对基片表面进行表面氧等离子体改性处理。

24、优选地，在步骤s3和s10中，金属铬层通过电子束蒸发镀膜设备进行沉积，电子束蒸发镀膜设备：利用高温灯丝产生的中高能电子束，采用电子束扫描器控制高能量电子束轰击蒸发源坩埚材料，快速熔解材料达到蒸发温度，形成物质的蒸汽云，将坩埚底部的蒸气云在真空中凝结成一层薄膜；

25、在步骤s3中，沉积的底部金属铬层厚度为160nm；

26、在步骤s10中，沉积的金属铬层厚度为20nm。

27、优选地，在步骤s5中，锗层通过多靶磁控溅射镀膜系统进行沉积，沉积的锗层厚度为140nm，多靶磁控溅射镀膜系统：一种用于物理学、材料科学领域的工艺试验仪器，主要用于纳米级单层及多层功能膜、硬质膜、金属膜、半导体膜、介质膜等新型薄膜材料的制备。

28、优选地，在步骤s7中，二氧化硅层通过等离子体增强化学气相沉积系统进行沉积，沉积的二氧化硅层厚度为72nm，等离子体增强化学气相沉积系统：一种在较低温度下形成固体膜的半导体薄膜材料制备系统，借助于辉光放电使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜材料生长。

29、优选地，在步骤s9中，对电子束光刻胶作烘烤处理的条件为在150℃下加热基片一分钟。

30、优选地，在步骤s11中，显影和定影满足：采用mibk溶液(4-甲基-2-戊酮)显影80s，采用异丙醇溶液定影60s，然后用氮气枪吹干。

31、优选地，在步骤s12中，沉积的顶部金属铬层厚度为40nm。

32、优选地，在步骤s13中，刻蚀二氧化硅层的时间为27s，刻蚀厚度为72nm；

33、在步骤s14中，刻蚀锗层的时间为40s，刻蚀厚度为80nm。

34、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

35、1、本申请通过设计四层结构，包括顶部铬层、二氧化硅层、锗层以及底部铬层，实现了空气与超材料间的阻抗匹配，将局域表面等离激元谐振，mie谐振，fp腔谐振，电偶极子谐振耦合在一起，实现了四个吸收峰的互相增强，抑制了超材料表面的光反射，实现了宽光谱高效吸收。

36、2、本申请通过使用吸收器结构中的铬材料作为硬掩模，直接刻蚀si02与锗，避免了刻蚀金属，降低了工艺复杂度。

37、3、本发明中超材料吸收器的制备工艺与cmos工艺兼容，且不需要对准套刻，可以大规模批量生产。

1.一种超材料太阳能吸收器，其特征在于，包括：衬底层和功能层；

2.一种权利要求1所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s2、s4、s6以及s8中，所述有机湿法清洗为通过丙酮和异丙醇进行清洗，并通过超声清洗5分钟，所述表面等离子体改性处理为使用微波等离子体去胶机通入氧气和氮气对基片表面进行表面氧等离子体改性处理。

4.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s3和s10中，金属铬层通过电子束蒸发镀膜设备进行沉积；

5.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s5中，锗层通过多靶磁控溅射镀膜系统进行沉积，沉积的锗层厚度为140nm。

6.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s7中，二氧化硅层(2)通过等离子体增强化学气相沉积系统进行沉积，沉积的二氧化硅层(2)厚度为72nm。

7.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s9中，对电子束光刻胶作烘烤处理的条件为在150℃下加热基片一分钟。

8.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s11中，显影和定影满足：采用mibk溶液显影80s，采用异丙醇溶液定影60s，然后用氮气枪吹干。

9.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s12中，沉积的顶部金属铬层(1)厚度为40nm。

10.根据权利要求2所述超材料太阳能吸收器的制备方法，其特征在于：在步骤s13中，刻蚀二氧化硅层(2)的时间为27s，刻蚀厚度为72nm；