非晶硅薄膜太陽(yáng)電池陷光結(jié)構(gòu)的模擬與設(shè)計(jì).pdf

1、與第一代晶體硅太陽(yáng)電池相比，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池具有節(jié)省原材料、制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)勢(shì)。但是，由于薄膜材料的缺陷態(tài)密度較高，厚的非晶硅層雖然能夠較好的吸收入射光，但是加劇了復(fù)合，載流子的收集效率下降，因此，一般要求電池光吸收層的厚度小于其少數(shù)載流子的有效擴(kuò)散長(zhǎng)度;而過(guò)薄的非晶硅層顯然不能充分吸收入射光，尤其是對(duì)帶隙附近的光的吸收率很低，同樣限制了電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。為了解決上述矛盾，必須為電池設(shè)計(jì)有效的陷光結(jié)構(gòu)，在電池光吸

2、收層的“物理厚度”不變的情況下，大大增加其“光學(xué)厚度”，這種“電薄光厚”的電池可以在保證載流子收集效率的同時(shí)，有效改善電池的光吸收。
　　本學(xué)位論文首先介紹了常用的非晶硅薄膜陷光技術(shù)，并重點(diǎn)綜述了金屬納米結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的表面等離激元(SurfacePlasmon，簡(jiǎn)稱SP)在太陽(yáng)電池陷光中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，分別將一維或二維周期性分布金屬納米結(jié)構(gòu)（即金屬納米光柵）引入非晶硅薄膜電池的前表面或后表面，并結(jié)合傳統(tǒng)的陷光技術(shù)，如減反膜、表

3、面織構(gòu)等，為非晶硅薄膜電池設(shè)計(jì)出了多種陷光結(jié)構(gòu)。論文采用基于有限元法的COMSOL數(shù)值模擬軟件，模擬了不同陷光結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的光吸收。通過(guò)分析電池在不同波段的光子吸收率、吸收光譜、光吸收層中的電磁場(chǎng)分布以及金屬納米顆粒散射截面等，對(duì)上述幾種陷光結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，闡述了其陷光機(jī)理。本文取得的主要研究成果如下:
　　(1)在非晶硅薄膜太陽(yáng)電池前表面設(shè)計(jì)一維Ag納米光柵:在TM波垂直入射的情況下，前表面有一維Ag納米光柵的電池在短波段的光子

4、吸收率較參考電池有一定下降，但在中長(zhǎng)波段的光子吸收率則有較大幅度地提高;當(dāng)光柵橫截面半徑R=50nm，周期P=350nm時(shí)，電池總的光吸收較參考電池提高了29.5％。然而，在TE波入射下，由于Ag光柵表面不能產(chǎn)生表面等離激元，且Ag光柵本身對(duì)入射光的有一定的吸收和反射，電池的光吸收明顯下降。在TEM混合波入射下，前表面有一維Ag納米光柵的電池在整個(gè)入射光譜范圍(300～800nm)內(nèi)吸收的總光子數(shù)最高僅為參考電池的92％。也就是說(shuō)，在前

5、表面引入一維Ag納米光柵后，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光吸收反而降低?；谏鲜瞿M結(jié)果，我們認(rèn)為:在太陽(yáng)電池陷光設(shè)計(jì)中，不宜將一維金屬納米光柵置于電池前表面。
　　(2)復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化:在Ag背電極與硅薄膜之間制備一維金屬納米光柵，并通過(guò)保形生長(zhǎng)在電池前表面沉積織構(gòu)的減反膜，該復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)可獲得較好的陷光效果。當(dāng)背表面一維金屬納米光柵的橫截面為三角形時(shí)，填充因子FF=0.5的光柵的陷光效果優(yōu)于FF=1的光柵，與Al光柵相比，A

6、g光柵的效果更佳。當(dāng)光柵橫截面頂角為θ=80°，面積S=18750nm2時(shí)，電池在AM1.5太陽(yáng)光譜垂直入射下總的光吸收較參考電池提高率Eabs達(dá)96％;當(dāng)背表面一維Ag納米光柵的橫截面為矩形時(shí)，矩形高度H=90nm，寬度W=180nm，光柵的周期P=600nm時(shí)，Eabs達(dá)到最大值103％。上述兩種復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)均可在寬光譜范圍內(nèi)提高非晶硅薄膜電池的光吸收，其中，中短波段光吸收的改善主要?dú)w因于前表面減反膜和表面織構(gòu)的貢獻(xiàn)，而長(zhǎng)波段光子吸

7、收率的提高則是Ag納米光柵表面等離激元和波導(dǎo)模共同作用的結(jié)果。另外，上述復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)還較大地改善了非晶硅薄膜電池對(duì)太陽(yáng)光入射角度的敏感性。
　　(3)周期性分布的Ag納米顆粒對(duì)非晶硅薄膜電池光吸收的影響:將Ag納米顆粒置于電池前表面時(shí)，在平面波垂直入射下，電池在中長(zhǎng)波段的光子吸收率較參考電池有明顯提高;其中，大顆粒在大的分布周期下陷光效果較好，當(dāng)Ag納米顆粒半徑R取110nm，周期P取500nm時(shí)，Eabs達(dá)到最大值49％。將Ag