新型微納陷光結構對硅薄膜太陽電池性能的影響研究.pdf

1、硅薄膜太陽電池因具有材料消耗少、制備工藝簡單且能夠沉積在玻璃和塑料等廉價襯底上諸多優(yōu)勢，受到了廣泛關注。由于薄膜電池的吸收層厚度通常只有幾微米，難以將入射的太陽光充分吸收。尤其對于波長大于750nm的紅外光，電池的吸收能力更弱。這是導致硅薄膜太陽電池效率不如傳統(tǒng)晶體硅太陽電池的重要原因之一。陷光是通過增強太陽電池的光吸收進而提高其效率的有效手段之一。近年來，薄膜太陽電池中各種高效陷光結構的設計已經(jīng)成為一個重要研究方向。
　　本論文

2、以硅薄膜太陽電池中高效陷光結構的設計與研究為主要內(nèi)容，利用基于時域有限差分(FDTD)數(shù)值模擬方法的 MEEP軟件，在硅薄膜太陽電池后表面設計了金屬Al光柵、反蛋白石結構三維光子晶體(3D PC)及光子晶體和金屬光柵疊層三種微納背反射結構。以具有傳統(tǒng)金屬 Al平面背反射結構的硅薄膜太陽電池作為參考電池，系統(tǒng)地研究了三種背反射陷光結構對吸收層厚度僅4μm的硅薄膜太陽電池在300-1200nm波長范圍內(nèi)光吸收的影響。并進一步利用wxAMPS

3、軟件模擬了三種背反射陷光結構對硅薄膜太陽電池光電轉換性能的影響。研究結果表明：
　　(1)對于以金屬 Al光柵作為背反射結構的硅薄膜太陽電池，當光柵的周期P=700nm、高度 H=100nm和占空比 D=0.7時，相比于參考電池，這種電池在750-1200nm范圍內(nèi)的光平均吸收率增強了45.4％，在300-1200nm范圍內(nèi)的光平均吸收率增強了17.6%；電池的短路電流由原來的17.12mA/cm增加到了19.12mA/cm，光電

4、轉換效率由原來的8.3%提升到了11.9%。
　　(2)對于以反蛋白石結構3D PC作為背反射結構的硅薄膜太陽電池，當光子晶體中空氣介質球的半徑 R=150nm和層數(shù) L=2時，相比于參考電池,這種電池在750-1200nm范圍內(nèi)的光吸收平均吸收率增強了34.8%,在300-1200nm范圍內(nèi)的光平均吸收率增強了30.5%；電池的短路電流由原來的17.12mA/cm增加到了20.72mA/cm，光電轉換效率由原來的8.3%提升到了

5、13.0%。
　　(3)對于以金屬光柵和光子晶體疊層結構作為背反射器的硅薄膜太陽電池，相比于參考電池，這種電池在300-1200nm整個光譜范圍內(nèi)具有最佳光吸收效果，平均吸收率增強了32%，優(yōu)于單獨使用金屬光柵或光子晶體的效果；電池的短路電流由原來的17.12mA/cm增加到了21.62mA/cm，光電轉換效率由原來的8.3%提升到了13.5%。
　　綜上，相比于傳統(tǒng)金屬 Al平面背反射結構，金屬 Al光柵背反射結構的硅薄膜

6、太陽電池在波長大于750nm的紅外光區(qū)域的光吸收有明顯增強；反蛋白石結構3D PC使得硅薄膜太陽電池在整個光譜范圍內(nèi)的光吸收增強效果十分明顯；兩者的疊層結構則集合了各自的優(yōu)勢，電池在整個光譜范圍內(nèi)具有最優(yōu)的光吸收增強效果。這些增強效應主要在于光柵的衍射和散射效應以及光子晶體的帶隙結構等光學特性能夠將透過吸收層的光以更高的反射率反射回電池內(nèi)部進行二次或多次吸收，增強了硅薄膜太陽電池的光吸收。因此，這些微納背反射陷光結構都能夠很好地改善硅薄