超薄超細太陽電池陷光機制和光電耦合研究.pdf

1、材料成本的提高和微納米集成電路的微型化要求太陽電池越來越薄或者越來越小。太陽電池超薄膜化、超微型化的發(fā)展趨勢給太陽電池陷光技術(shù)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。陷光技術(shù)是近十幾年來的熱點,但是基于超薄超細太陽電池的陷光研究目前尚不豐富。本文以典型的超薄超細硅基材料為研究對象,結(jié)合表面等離子體激元、光學(xué)黑洞等納米光學(xué),設(shè)計出新型的陷光結(jié)構(gòu)并研究其陷光機制和性能,最后建立光學(xué)和電學(xué)耦合的模型,并應(yīng)用到了納米線電池上。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:

2、>　　針對超薄晶體硅太陽電池的表面陷光,提出了Ag三角光柵和Ag/電介質(zhì)復(fù)合三角光柵(DLTG)結(jié)構(gòu),分析了它們表面陷光的機制和性能。對Ag三角光柵陷光機制的研究結(jié)果表明,表面等離子激元對超薄電池陷光的具體機制可分為P-模和W-模;在此基礎(chǔ)上設(shè)計并優(yōu)化了Ag/電介質(zhì)雙層三角光柵結(jié)構(gòu),光柵優(yōu)化的結(jié)構(gòu)為寬度40nm,高度130nm,周期280nm。優(yōu)化的DLTG超薄太陽電池的光電流輸出是沒有DLTG結(jié)構(gòu)的參照電池的1.75倍,同時它具有對入

3、射角度不敏感的良好性能。色散關(guān)系分析表明DLTG的P-模與活性層中波導(dǎo)模幾乎一模一樣,從而證實了光吸收增強的機制是表面等離子體把光耦合到活性層的波導(dǎo)模里。DLTG的陷光機制是表面電介質(zhì)層減反射和表面等離子波共振共同作用的結(jié)果。
　　研究了單根納米線太陽電池光吸收的表征方法和陷光機制,比較了納米線太陽電池和平板電池的吸收性能,探討了單根納米線不同排列的光吸收特點。對晶體硅SNSCs而言,泄露模引起的吸收峰主要分布在大于590nm的波

4、段,而小于590nm波段的尖峰則歸屬于納米聚光鏡效應(yīng)。無論是水平排列、豎直排列還是點陣排列,間距對共振峰位置的影響小,而主要影響共振峰的強度。水平排列時最佳間距和直徑成反變關(guān)系,豎直排列時間距為零最佳。點陣排列的最佳間距等于納米線相互作用最強的間距。
　　首次提出和從數(shù)值模擬上證實了金屬核能夠提高單根非晶硅納米線太陽電池的光學(xué)吸收這一可能性,并研究了各種陷光機制和各機制之間的相互作用。通過精細地調(diào)控核和納米線半徑,研究了局域態(tài)表面

5、等離子體共振(LSPs)、泄露模共振(LMRs)和米氏(Mie)散射分別對陷光的貢獻,以及它們之間的相互作用。結(jié)果表明對光捕獲的貢獻最要是LSPs,其次是Mie散射,最后是LMRs。為了最大化Ag核的作用,對電池結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。Ag核半徑r和納米線半徑R的最佳組合是(r,R)=(36nm,130nm),此時最大的光電流增強為16.6％。
　　指出光學(xué)黑洞經(jīng)典模型的介電常數(shù)匹配在κ值比較大的情況下陷光效果不及折射率匹配,因此采用折射

6、率匹配來實現(xiàn)光學(xué)黑洞更優(yōu)越。非晶硅比晶體硅更適合制備成光學(xué)黑洞結(jié)構(gòu),這是因為非晶硅具有較窄的光譜響應(yīng)范圍,并且用非晶硅制備成的光學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)核殼尺寸較小。當(dāng)非晶硅SNSCs半徑Rc為560nm時,OBH的外殼Rs=4Rc時陷光效果最好,在425-650nm較大范圍內(nèi)Qabs大于90%。
　　針對太陽電池光學(xué)模擬和電學(xué)模擬難以結(jié)合的問題,把太陽電池模擬中的光學(xué)和電學(xué)耦合起來,并把該種仿真技術(shù)應(yīng)用到單根納米線電池(SNSCs)中。模型不

7、但能夠得到光學(xué)吸收效率,而且能夠得到考慮載流子輸運的量子效率和太陽電池的伏安特性曲線,以及其他太陽電池涉及到的關(guān)鍵光電參數(shù)。對于考察的同軸p-i-n晶體硅SNSCs,其尺寸越小,越需要高摻雜濃度,以便把耗盡層限制在整個納米線直徑長度里。但是隨著摻雜濃度提高,體復(fù)合會增加,當(dāng)摻雜到1×1020cm-3時,EQE譜下降明顯。根據(jù)伏安特性得到摻雜濃度在1×1019cm-3量級時,最大輸出功率是2.63mW/cm2。表面復(fù)合速率對SNSCs的光