等离激元微晶硅薄膜太阳电池的设计与模拟

摘要

开发低成本、高效率、高稳定性的太阳电池是进行大规模光伏发电的关键，相应地，各种薄膜太阳电池和新概念太阳电池应运而生。由于微晶硅具有原材料丰富、清洁无毒以及良好的光照稳定性等诸多优点，是薄膜太阳电池较为理想的吸收层材料。然而，微晶硅属于间接带隙半导体，光吸收系数较低，这很大程度上限制了电池的短路电流和光电转换效率。在微晶硅薄膜太阳电池的发展中，有必要寻找新的方法提高电池光吸收，利用近年来广受关注的等离激元技术应用于太阳电池陷光中，能有效增强薄膜太阳电池光吸收。
　　本学位论文采用基于有限元的数值模拟方法，利用金属纳米颗粒产生的等离激元来提高微晶硅薄膜电池光吸收。我们首先对等离激元技术的理论基础和发展历史作了简要分析，然后建立三维数值模型，模拟了微晶硅薄膜电池前表面周期性分布的金属纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响，通过优化电池结构参数，结合电场强度分布，阐述电池光吸收增强的物理机理；接着研究了不同类型金属纳米颗粒交替分布对电池光吸收的影响，分析进一步提高陷光效果的有效途径；最后结合近年来其它光伏器件的最新研究成果，设计了新型陷光结构太阳电池，拓宽电池陷光效果。在研究中得到了如下主要结论：
　　1.电池前表面颗粒周期分布时，颗粒的表面覆盖度是影响电池光吸收的关键参数。当Al纳米球阵列的周期半径比P/R=4—5时，电池总的光吸收较参考电池提高均在18％以上，这主要来自于颗粒偶极振荡模和电池波导模的贡献。与球状颗粒相比，优化后的Al纳米半球阵列可获得更好的陷光效果，总的光吸收提高比可达24.5%，但后者对R的变化更敏感，R过大或过小都使电池光吸收明显降低。对于Ag纳米球阵列，因为其有更优越的等离激元效应，可使电池总的光吸收提高比在R=110nm，P=500nm时达到26.4%。对比Al和Ag两种纳米颗粒，Ag颗粒对电池的陷光效果更好，但Al颗粒性价比更高，因此在应用中需根据实际情况选择一种最优材料。
　　2.在微晶硅薄膜电池前表面宽光谱陷光结构设计中，将不同尺寸或不同成分金属纳米颗粒阵列交替分布，能有效增强电池陷光效果。当不同尺寸的Al或Ag纳米球阵列交替分布时，电池在中长波段的光子吸收率由大尺寸颗粒决定，而在短波区由于不同尺寸金属颗粒的相互耦合使得电池光吸收有进一步改善；其中对于颗粒半径分别为85 nm和120nm交替分布的Ag纳米球阵列，当周期为700nm时，电池总的光吸收相对于参考电池提高32.0%。考虑不同成分金属纳米颗粒对电池光吸收有不同的调控规律，将两者交替分布，可使它们对电池光吸收的调控优势互补，进而拓宽电池光谱吸收范围。金属纳米颗粒嵌入电池前表面ITO层中以改变颗粒周围的介质环境，可进一步探究其对电池光吸收的调控规律；其中当半径为100nm的Ag纳米球嵌入厚度为70nm的ITO层中，经过优化可使电池光吸收提高比达到50.1%。
　　3.背表面陷光结构太阳电池能调控μc-Si:H层在中长波段的陷光特性，以改善电池在该波段光子吸收率较低的状况。当Al纳米球阵列置于电池背表面时，随着半径R的增大，电池光吸收提高比先增大后减小，当R为75—90nm，颗粒覆盖度P/R取值为6—7时，电池光吸收提高比在21%以上。背表面颗粒成分和形状影响电池的陷光，其中半球和圆柱状颗粒阵列的陷光效果优于球状颗粒；背表面为Ag、Au和Cu陷光结构太阳电池的吸收谱特征很相似，其中Ag颗粒的陷光效果更好些。综合以上陷光特性的优势，可设计复合陷光结构电池，当电池前表面Ag纳米球阵列嵌入ITO层中，背表面Ag纳米圆柱阵列置于ITO层内时，电池光子吸收率在短波区和长波区均增幅明显，其总的光吸收提高比达67.4%，如果继续优化颗粒的形状尺寸，电池陷光效果能有进一步提升。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 光伏发电的原理与发展概述

1.3 薄膜太阳电池及其陷光技术

1.4 本文选题背景及研究内容

2 理论基础

2.1 表面等离激元理论

2.2 等离激元太阳电池的研究进展

2.3 模拟软件简介

3 前表面金属纳米颗粒阵列增强电池光吸收的模拟研究

3.1 电池设计与数值模型

3.2 Al纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响

3.3 Ag纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响

3.4 本章小结

4 微晶硅电池前表面宽光谱陷光结构的设计与模拟

4.1 电池设计与数值模型

4.2 不同尺寸纳米颗粒交替分布研究

4.3 不同成分纳米颗粒交替分布研究

4.4 球状Ag纳米颗粒嵌入ITO层中

4.5 本章小结

5 背表面金属纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响

5.1 电池设计与数值模型

5.2 背表面球状Al纳米颗粒阵列陷光结构研究

5.3 颗粒的形状和成分对电池光吸收影响

5.4 复合陷光结构设计

5.5 本章小结

6 研究结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢