新型微納陷光結(jié)構(gòu)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(guān)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計了金屬Al光柵、反蛋白石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。以具有傳統(tǒng)金屬 Al平面背反射結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對硅薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)換性能的影響。研究結(jié)果表明：
　　(1)對于以金屬 Al光柵作為背反射結(jié)構(gòu)的硅薄膜太陽電池，當(dāng)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(zhuǎn)換效率由原來的8.3%提升到了11.9%。
　　(2)對于以反蛋白石結(jié)構(gòu)3D PC作為背反射結(jié)構(gòu)的硅薄膜太陽電池，當(dāng)光子晶體中空氣介質(zhì)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，金屬 Al光柵背反射結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)主要在于光柵的衍射和散射效應(yīng)以及光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)等光學(xué)特性能夠?qū)⑼高^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(jié)構(gòu)都能夠很好地改善硅薄