基于微纳光学结构的硅薄膜太阳能电池陷光研究

摘要

薄膜太阳能电池在降低光伏组件成本、简化生产工艺方面极具潜力。同时，薄膜化的响应层可有效提高电池开路电压和填充因子，改善器件电学性能。制约薄膜电池大规模应用的主要问题是响应层光子吸收不足，由此导致的光电流较小以及光电转化效率较低。经优化设计的光学结构可以在微纳尺度实现光子调控，延长光子在电池中的光学路径和停留时间，从而提高电池转化效率。本文以硅基薄膜太阳能电池为研究对象，研究了不同微纳光学结构对薄膜电池光电性能的提升作用。
　　首先，采用严格耦合波分析（RCWA）和时域有限差分方法（FDTD）光学仿真，研究了亚波长纳米仿生结构和金属银纳米粒子（Ag_NPs）两种结构与入射光波的相互作用机理，并对相应电池结构做了优化设计。研究结果如下：
　　基于纳米仿生学的蛾眼结构能有效突破硅与空气之间的光学差异，引导光子从外界进入硅响应层，从而提高电池光子吸收及转化效率。入射光束在蛾眼结构中的传播与蛾眼结构的截面形状因子K、柱高H以及周期P有关。模拟结果表明：最优的蛾眼结构（K=0.3，P=600 nm，H=700 nm）可以使厚度为2μm的c-Si薄膜电池光电转换效率达到14.6%，同等厚度下平面无结构电池及平面抗反射电池效率分别为8.1%和11.3%。吸收层厚度增加到5μm时，蛾眼结构电池效率达到17.5%，接近随机散射极限效率。此外，与平面电池相比，蛾眼结构具有更好的角度响应特性；
　　通过表面等离子共振效应，Ag_NPs能显著提高非晶硅（a-Si:H）薄膜电池光谱响应。介质环境和粒子特征尺寸是影响等离子共振的关键因素。仿真结果表明：随介质折射率增大，Ag_NPs共振频率出现明显红移现象。在空气中，共振峰值对应波长约为360 nm，而在玻璃、ITO和a-Si三种介质中，共振峰分别红移至400、540和730 nm附近；粒子特征尺寸的增大会导致共振从偶极子模式向高次模转变，相应光谱中出现两个及以上共振峰。本文考虑了Ag_NPs置于a-Si和ITO两种介质环境时a-Si:H电池的光电响应特性：在a-Si介质中，Ag_NPs最优参数为粒子间距P=200 nm、垂直位置H=135 nm、直径D=70 nm。在ITO介质中，最优参数为间距P=150 nm、直径D=20 nm。与平面抗反射结构相比，优化后两种情况下a-Si:H电池光生电流分别提高了28.9%和17.6%。
　　其次，针对a-Si:H和a-Si:H/μc-Si:H电池界面光学损失较大问题，构建了随机绒面界面模型，通过光学仿真研究了中间光学层对电池界面光学特性的调控作用。TCO/a-Si和a-Si/μc-Si是硅薄膜电池中的两个重要界面，前者影响电池总的光谱响应，后者决定光电流在子电池之间的分配。FDTD仿真结果表明：TiO2光学插入层可有效增强 TCO/a-Si界面的光子透射率，提高电池总的光吸收；而SiOx中间反射层可以调节600-900 nm波段光强在a-Si/μc-Si界面的分配，从而调整上下子电池之间的光电流，减小电流不匹配损失。优化的界面结构（TCO/TiO2/a-Si，TiO2=40 nm；a-Si/SiOx/μc-Si，SiOx=50 nm；火山坑织构）使a-Si:H和 a-Si:H/μc-Si:H两种电池的光电流分别提高6.0%和7.9%，同时a-Si:H/μc-Si:H电池中的子电流达到平衡；
　　最后，通过光刻图形转移及化学湿法刻蚀，在玻璃衬底上制备出具有高陷光特性的半球凹坑阵列（HPAs）。微米尺度的HPAs结构能使反射光经二次折射重新进入电池器件，降低表面反射损失；同时使特定角度的出射光发生全反射，减少表面逃逸损失。结构与光子的相互作用不依赖入射光子波长和入射角度，可实现宽波段、广角度光谱响应。光电测试结果表明，以特征尺寸为10μm的HPAs玻璃为衬底，a-Si:H和 a-Si:H/μc-Si:H两种电池的表面光学损失分别从18%和10%降低到2.5%和1.5%左右，相应量子效率明显改善。伏安特性曲线进一步证实，与平面衬底相比，两种电池的转化效率分别提高了4.7%和5.5%。此外，HPAs结构可通过纳米压印技术在其它衬底上精确复制，并显示出良好的疏水性能，这些特点使其极具工业应用前景。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 能源利用与太阳能电池

1.2 薄膜电池优点及其面临的挑战

1.3 薄膜电池陷光技术

1.4 陷光结构综述

1.5 本文研究内容及研究意义

1.6 参考文献

第二章 微纳光学结构仿真方法及太阳能电池光电特性表征

2.1仿真方法

2.2表征方法

2.3 本章小结

2.4参考文献

第三章 亚波长纳米仿生结构陷光特性及优化设计

3.1 引言

3.2 亚波长纳米仿生结构

3.3 基于仿生蛾眼结构的c-Si薄膜电池优化设计

3.4 本章小结

3.5 参考文献

第四章 金属表面等离子体激元陷光研究

4.1 引言

4.2 表面等离子体共振理论

4.3 Ag_NPs表面等离子体共振特性研究

4.4 基于Ag_NPs等离共振效应的a-Si薄膜电池优化设计

4.5 本章小结

4.6 参考文献

第五章 非晶硅/微晶硅薄膜电池界面光学优化及表面陷光研究

5.1 引言

5.2 非晶硅/微晶硅薄膜电池界面光学优化设计

5.3 非晶硅/微晶硅薄膜电池表面陷光研究

5.4 本章小结

5.5 参考文献

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

攻读博士学位期间发表论文和申请专利