具有1DPC反射层的微晶硅叠层太阳电池的吸收率优化研究

摘要

使用最薄的材料，最高效地吸收尽可能广范围波长的入射太阳光是可实际应用的硅基太阳电池的设计的一个基础问题。而由非晶硅（顶电池）和微晶硅（底电池）叠加构成的微晶硅叠层太阳电池是最具可行性的新型硅基薄膜电池之一。
　　对于多结太阳电池来说，其短路电流（Jsc）由提供最小短路电流的子电池决定。由于当太阳光通过微晶硅叠层电池顶电池时，一部分光被顶电池吸收，剩余的光会通过底电池而最终被吸收。作为顶电池的非晶硅电池存在光致衰退效应，这就造成只能使用较薄的非晶硅作为顶电池，但这样的非晶硅厚度无法满足吸收长度的要求，双结电池的Jsc的限制通常来自于顶电池。而对于底电池，大于900nm的长波段光只有很少部分被底电池吸收。因此实现最佳的短路电流（Jsc）匹配是微晶硅叠层太阳电池领域的一大挑战。
　　缓解这一问题的方法是陷光，利用一维光子晶体（1D Photonic crystal，1DPC）反射镜增强和增加长波长光子衍射和光学传播路径长度。我们设计整合了1DPC作为微晶硅叠层电池的中间反射镜及背反射镜，以此来研究光吸收增强效果。
　　研究表明：通过对1DPC作为中间层和背反射层的适当设计，顶电池和底电池的吸收效率均得到了提高，1DPC中间层的吸收效率增强效果高于ZnO（氧化锌）中间层。
　　简言之，本文致力于利用光学模拟计算（4.3b版COMSOL Multiphysics软件）得到提高微晶硅叠层太阳电池的光吸收效率的有效途径。通过改变顶电池与底电池吸收层的厚度，我们对吸收率、反射率及透过率进行了分析。以1DPC分别作为背反射层，并以ZnO（氧化锌）和1DPC分别作为中间反射层，与普通叠层电池进行了对比分析。最终，我们得到1DPC对提高光吸收效率的贡献明显优于ZnO。
　　通过建立SiO/TiO2/a-Si/ZnO/uc-Si/1DPC叠层电池结构优化模型，与普通的a-Si/uc-Si叠层太阳电池对比，在优化后的电池中，光吸收效率：a-Si层的提高了26.59％，uc-Si层提高了3.89%。更进一步，我们建议使用三维光子晶体（3DPC）。我们相信通过对恰当设计3DPC作为底电池的背反射层，较长波长的太阳光可以被散射和吸收。

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CHAPTER ONE INTRODUCTION

1.1 Background, objective and significance of the subject

1.2 Generation of Solar Cell

1.3 Micromorph Tandem Solar Cell

1.4 The challenges of Micromorph Tandem Solar Cell

1.5 Predominant IRL for Thin Film Solar Cell

1.6 One Dimensional Photonic Crystal

CHAPTER TWO The Physics of Single and Tandem Solar Cell

2.1 The Physics Principle of Single Junction Solar cell

2.2 The Principle of Two-Terminal Tandem Cell

2.3 Micromorph Tandem Solar Cell

CHAPTER THREE Optical Design Methodlogy of Micromorth Tandem Solar Cell with Comsol Multiphysics Version 4.3b

3.1 Introduction

3.2 The Physics of Thin Film Optics

3.3 The Physics of Thin Film Optics

3.4 A Single Thin Film on a Thick Substrate

3.5 Optical Modelling of Micromorph Tandem Solar Cell with COMSOL Multiphysics

CHAPTER FOUR Optical Design of One Dimensional Photonic Crystal for Efficiency Enhancement of ‘Micromorph’ Tandem Solar Cell

4.1 Introduction to One Dimensional Photonic Crystal

4.2 Design of 1DPC with COMSOL Multiphysics 4.2b

4.3 One-Dimensional Photonic Crystal as Back Reflector

4.4 One-Dimensional Photonic Crystal as IRL

4.5 Summary

CHAPTER FIVE RESULT AND DISCUSSION

CHAPTER SIX CONCLUSION

参考文献

声明

致谢