基于光子晶體的太陽電池陷光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在硅基薄膜太陽電池中引入高效的陷光結(jié)構(gòu)是提升電池吸收和效率的有效途徑。陷光結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)基本要求，首先需要在電池背表面添加高反射率的背反射層，盡可能的將到達(dá)電池底部的光反射回電池內(nèi)部；其次需要在電池中引入絨面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光的散射，延長光在電池內(nèi)部的吸收光程。本論文研究基于光子晶體（photonic crystal，PC）的太陽電池陷光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。首先研究一維光子晶體（one dimensional photonic crystal，1D

2、 PC）作為背反射層在硅基薄膜太陽電池中的應(yīng)用，而后研究二維光子晶體（two dimensional photonic crystal,2D PC）作為絨面形貌在電池中的散射特性，有目的、有針對(duì)性的控制光在電池中的行為，全譜域提升電池本征吸收。主要研究工作如下：
　　首先研究了適用于硅基薄膜太陽電池背反射層的1D PC的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備?；谄矫娌ǚ椒ê蜁r(shí)域有限差分方法，模擬研究了1D PC的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其光子禁帶和光學(xué)特性的影響

3、。研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)厚度比對(duì)1D PC的光子禁帶和禁帶內(nèi)反射率有重要影響。要獲得大的禁帶寬度，除了選擇大折射率比介質(zhì)和增大周期厚度，關(guān)鍵是要將介質(zhì)厚度比設(shè)置在1/2-2/3區(qū)間；而要在禁帶范圍內(nèi)獲得高反射率，當(dāng)無法滿足兩種介質(zhì)層均為無吸收時(shí)，應(yīng)在保證禁帶范圍涵蓋所需背反射范圍的前提下，減小吸收層與低吸收介質(zhì)層的厚度比。為了滿足不同電池的背反射需求，可以通過調(diào)整1D PC中單一介質(zhì)層的厚度，實(shí)現(xiàn)禁帶展寬及中心紅移；或者將兩種禁帶范圍連續(xù)的1D

4、 PC級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)寬譜域高反射。采用a-Si和SiOx分別作為高、低折射率介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)制備出禁帶范圍分別為520-800nm、550-850nm和650-1100nm的1D PC，5周期時(shí)禁帶內(nèi)的平均反射率分別為97％、98%、99%。
　　接下來實(shí)驗(yàn)研究基于1D PC的隨機(jī)絨面背反射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在太陽電池中的應(yīng)用。高性能的背反射層需要同時(shí)具備高反射、高散射和高電導(dǎo)特性。通過在1D PC和電池間插入摻鋁氧化鋅膜（aluminum-do

5、pedzinc oxide,AZO）形成1D PC/AZO復(fù)合背反射電極，使1D PC在獲得高反射的同時(shí)能兼顧載流子輸出。本文提出兩種在1D PC中引入絨面形貌的方法。一是利用稀鹽酸腐蝕上述1D PC/AZO復(fù)合背反射電極表面的AZO層，形成1D PC/絨面AZO復(fù)合背反射電極。經(jīng)優(yōu)化后，在非晶硅電池背反射所需波長范圍內(nèi)（550-800 nm），1D PC/絨面AZO的平均反射率和絨度分別為90.4%和80.6%，優(yōu)于隨機(jī)絨面Ag/AZ

6、O的80.6%和47.8%。二是通過將1D PC直接沉積于絨面AZO模版上制備形成絨面PC結(jié)構(gòu)。應(yīng)用于電池時(shí)，與基于隨機(jī)絨面Ag/AZO電池相比，上述兩種基于1D PC的絨面背反射結(jié)構(gòu)均能在不降低電池開路電壓Voc和填充因子FF的情況下使電池短路電流密度Jsc和相對(duì)效率獲得提升。
　　最后模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以單結(jié)n-i-p型非晶硅鍺電池為原型，研究錐形2D PC在電池中的應(yīng)用。首先基于波動(dòng)光學(xué)理論，模擬研究了2D PC周期、縱橫比

7、等形貌參數(shù)對(duì)電池各膜層吸收的影響。研究表明，電池的本征吸收隨著縱橫比的增大先增大后減小，在1/2時(shí)達(dá)到峰值；隨著周期的增大呈正弦變化，總體呈逐漸下降趨勢(shì)，在周期為0.75μm時(shí)達(dá)到最大值。同時(shí)指出，電池的短波吸收和周期大小無關(guān)，縱橫比增大時(shí)先上升，縱橫比達(dá)到1/2后穩(wěn)定；電池的長波吸收則和總吸收變化趨勢(shì)類似。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將電池沉積于小周期襯底時(shí)會(huì)使電池表面平坦化，從而影響電池短波吸收。為了全譜域提升電池吸收，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)——周

8、期調(diào)制復(fù)合PC，即在大周期的錐形PC襯底上利用加溫濺射Ag的方法嵌入小周期，利用大周期實(shí)現(xiàn)保形生長，減小電池前表面反射，提高短波吸收；在電池背表面利用小周期增強(qiáng)衍射效果，提高電池長波吸收。應(yīng)用于電池時(shí)，與基于不銹鋼基底上的平面Ag/AZO電池和隨機(jī)絨面Ag/AZO電池相比，Jsc分別提升5.8mA/cm2和3mA/cm2，相對(duì)提升39.5%和17.2%；絕對(duì)效率分別提升2.4%和1.3%，相對(duì)提升31.3%和14.6%。研究還發(fā)現(xiàn)，Ag

9、的寄生吸收和2D PC的縱橫比直接相關(guān)，縱橫比越大，則寄生吸收越高。為了減小Ag的寄生吸收，本文提出一種由1D PC和表面的錐形 SiO2 PC復(fù)合形成的新型1D/2D復(fù)合PC，具有既容易保持1D PC的周期對(duì)稱性，同時(shí)又能夠采用各種類型的薄TCO膜作為背電流引出電極的優(yōu)點(diǎn)。模擬研究表明，與最優(yōu)結(jié)構(gòu)的Ag/AZO錐形PC襯底電池相比，采用1D/2D復(fù)合PC能使Jsc繼續(xù)提升1mA/cm2。
　　綜上所述，本論文通過模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合