基于微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的硅薄膜太陽能電池陷光研究.pdf

1、薄膜太陽能電池在降低光伏組件成本、簡化生產(chǎn)工藝方面極具潛力。同時，薄膜化的響應(yīng)層可有效提高電池開路電壓和填充因子，改善器件電學(xué)性能。制約薄膜電池大規(guī)模應(yīng)用的主要問題是響應(yīng)層光子吸收不足，由此導(dǎo)致的光電流較小以及光電轉(zhuǎn)化效率較低。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以在微納尺度實現(xiàn)光子調(diào)控，延長光子在電池中的光學(xué)路徑和停留時間，從而提高電池轉(zhuǎn)化效率。本文以硅基薄膜太陽能電池為研究對象，研究了不同微納光學(xué)結(jié)構(gòu)對薄膜電池光電性能的提升作用。
　　首先

2、，采用嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）和時域有限差分方法（FDTD）光學(xué)仿真，研究了亞波長納米仿生結(jié)構(gòu)和金屬銀納米粒子（Ag_NPs）兩種結(jié)構(gòu)與入射光波的相互作用機理，并對相應(yīng)電池結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果如下：
　　基于納米仿生學(xué)的蛾眼結(jié)構(gòu)能有效突破硅與空氣之間的光學(xué)差異，引導(dǎo)光子從外界進入硅響應(yīng)層，從而提高電池光子吸收及轉(zhuǎn)化效率。入射光束在蛾眼結(jié)構(gòu)中的傳播與蛾眼結(jié)構(gòu)的截面形狀因子K、柱高H以及周期P有關(guān)。模擬結(jié)果表明：最優(yōu)的蛾眼結(jié)構(gòu)

3、（K=0.3，P=600 nm，H=700 nm）可以使厚度為2μm的c-Si薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率達到14.6%，同等厚度下平面無結(jié)構(gòu)電池及平面抗反射電池效率分別為8.1%和11.3%。吸收層厚度增加到5μm時，蛾眼結(jié)構(gòu)電池效率達到17.5%，接近隨機散射極限效率。此外，與平面電池相比，蛾眼結(jié)構(gòu)具有更好的角度響應(yīng)特性；
　　通過表面等離子共振效應(yīng)，Ag_NPs能顯著提高非晶硅（a-Si:H）薄膜電池光譜響應(yīng)。介質(zhì)環(huán)境和粒子特征尺寸

4、是影響等離子共振的關(guān)鍵因素。仿真結(jié)果表明：隨介質(zhì)折射率增大，Ag_NPs共振頻率出現(xiàn)明顯紅移現(xiàn)象。在空氣中，共振峰值對應(yīng)波長約為360 nm，而在玻璃、ITO和a-Si三種介質(zhì)中，共振峰分別紅移至400、540和730 nm附近；粒子特征尺寸的增大會導(dǎo)致共振從偶極子模式向高次模轉(zhuǎn)變，相應(yīng)光譜中出現(xiàn)兩個及以上共振峰。本文考慮了Ag_NPs置于a-Si和ITO兩種介質(zhì)環(huán)境時a-Si:H電池的光電響應(yīng)特性：在a-Si介質(zhì)中，Ag_NPs最優(yōu)參

5、數(shù)為粒子間距P=200 nm、垂直位置H=135 nm、直徑D=70 nm。在ITO介質(zhì)中，最優(yōu)參數(shù)為間距P=150 nm、直徑D=20 nm。與平面抗反射結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后兩種情況下a-Si:H電池光生電流分別提高了28.9%和17.6%。
　　其次，針對a-Si:H和a-Si:H/μc-Si:H電池界面光學(xué)損失較大問題，構(gòu)建了隨機絨面界面模型，通過光學(xué)仿真研究了中間光學(xué)層對電池界面光學(xué)特性的調(diào)控作用。TCO/a-Si和a-Si/

6、μc-Si是硅薄膜電池中的兩個重要界面，前者影響電池總的光譜響應(yīng)，后者決定光電流在子電池之間的分配。FDTD仿真結(jié)果表明：TiO2光學(xué)插入層可有效增強 TCO/a-Si界面的光子透射率，提高電池總的光吸收；而SiOx中間反射層可以調(diào)節(jié)600-900 nm波段光強在a-Si/μc-Si界面的分配，從而調(diào)整上下子電池之間的光電流，減小電流不匹配損失。優(yōu)化的界面結(jié)構(gòu)（TCO/TiO2/a-Si，TiO2=40 nm；a-Si/SiOx/μc-

7、Si，SiOx=50 nm；火山坑織構(gòu)）使a-Si:H和 a-Si:H/μc-Si:H兩種電池的光電流分別提高6.0%和7.9%，同時a-Si:H/μc-Si:H電池中的子電流達到平衡；
　　最后，通過光刻圖形轉(zhuǎn)移及化學(xué)濕法刻蝕，在玻璃襯底上制備出具有高陷光特性的半球凹坑陣列（HPAs）。微米尺度的HPAs結(jié)構(gòu)能使反射光經(jīng)二次折射重新進入電池器件，降低表面反射損失；同時使特定角度的出射光發(fā)生全反射，減少表面逃逸損失。結(jié)構(gòu)與光子的相

8、互作用不依賴入射光子波長和入射角度，可實現(xiàn)寬波段、廣角度光譜響應(yīng)。光電測試結(jié)果表明，以特征尺寸為10μm的HPAs玻璃為襯底，a-Si:H和 a-Si:H/μc-Si:H兩種電池的表面光學(xué)損失分別從18%和10%降低到2.5%和1.5%左右，相應(yīng)量子效率明顯改善。伏安特性曲線進一步證實，與平面襯底相比，兩種電池的轉(zhuǎn)化效率分別提高了4.7%和5.5%。此外，HPAs結(jié)構(gòu)可通過納米壓印技術(shù)在其它襯底上精確復(fù)制，并顯示出良好的疏水性能，這些特