金屬光柵用于增強非晶硅薄膜太陽能電池光吸收率研究

李洪敬

（南京曉莊學(xué)院 教師教育學(xué)院，江蘇 南京211171）

引言

近年來太陽能的利用成為能源產(chǎn)業(yè)中最受矚目的一項，如今越來越多的研究團隊專注于太陽能電池的開發(fā)研究，其中最主要的技術(shù)包含硅晶太陽能電池、薄膜太陽能電池、III-V太陽能電池與染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell，DSSC）等。目前太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率大約在20%左右，如何充分利用太陽能，提高電池效率是急需解決的一個重大課題。而其中提高非晶硅對太陽光的吸收效率與縮減光電池設(shè)備的成本成為了人們研究的熱點。提高非晶硅光電轉(zhuǎn)換效率的主要機理是通過延長光子在非晶硅中的傳播路徑，以此增加光吸收效率。研究發(fā)現(xiàn)，介電光柵、光子晶體［1－6］等微米或納米尺寸的介電結(jié)構(gòu)可以用于提高非晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，適當?shù)卦黾臃蔷Ч璧碾姶艌?，可以有效地提高非晶硅的光吸收效率?－11］。電介質(zhì)結(jié)構(gòu)由于其共振寬度非常狹窄，不能有效地增加非晶硅的電磁場，因此對非晶硅的光吸收效率作用不明顯。而金屬納米結(jié)構(gòu)由于其特殊的光學(xué)性能，能夠產(chǎn)生明顯增強非晶硅的光吸收效率。因此，我們可以利用表面等離子激元微結(jié)構(gòu)增強非晶硅薄膜太陽能電池材料和器件的光吸收。

太陽能電池的光電效率轉(zhuǎn)換是一個整體效應(yīng)，影響太陽能電池效率的內(nèi)部機制是十分復(fù)雜的，概括可分為光、電2種主要特性，光學(xué)性質(zhì)與電學(xué)性質(zhì)之間相互耦合且彼此關(guān)聯(lián)。本論文主要選擇以光學(xué)性質(zhì)作為切入點［12－13］，希望透過增加光捕捉效應(yīng)，來增加光子的吸收，提高光電轉(zhuǎn)換效率。為了避免在薄膜太陽能電池使用貴金屬納米顆?；虮∧ざ档涂傮w入射光子數(shù)，我們設(shè)計了一種新的太陽能電池結(jié)構(gòu)，在吸收層下面引入金屬光柵。此結(jié)構(gòu)不僅可以避免貴金屬納米顆?；虮∧さ奈斩档涂傮w入射光子數(shù)，還可以提高大角度、寬波長范圍的光吸收效率。使用嚴格耦合波理論數(shù)值計算結(jié)果顯示，相對于傳統(tǒng)的平板非晶硅薄膜太陽能電池，新結(jié)構(gòu)對于400nm～1 000nm波長之間的太陽光的理論最大吸收增強因子可達40%。

1 薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值計算

嚴格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis）［14］方法是利用Maxwell方程組和邊界條件對具有周期性結(jié)構(gòu)的光柵進行精確求解的一種方法。由于計算簡單快捷，被廣泛應(yīng)用于各種周期性結(jié)構(gòu)衍射體的電磁場衍射分析中，已成功準確地分析了亞波長量級全息光柵和浮雕光柵的衍射特性，同時它對于平面全息光柵、任意表面形狀的電介質(zhì)或金屬表面浮雕光柵、多元全息光柵和二維光柵都適用。本文基于嚴格耦合波分析矢量衍射理論，設(shè)計了一種具有較大吸收增強因子的薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)。假定入射到太陽電池表面的光為平面波，通過計算太陽光在電池上表面的反射率和下表面的透射率可以得到硅太陽電池對光子的吸收率。

所設(shè)計的二維薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由上到下可分為上表面電極（ITO導(dǎo)電膜）、吸收區(qū)（非晶硅，a-Si）、下表面電極，下表面電極和吸收區(qū)之間是一個周期為Λ、寬度為w的金光柵，光柵內(nèi)可以填充合適的電介質(zhì)材料來調(diào)節(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)，進而調(diào)節(jié)整個結(jié)構(gòu)對太陽光的吸收。本文中，在光柵區(qū)域內(nèi)填充ITO介質(zhì)膜。

圖1 用于增強吸收的太陽能電池基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Designed solar cell structure for enhancement of optical absorption

在數(shù)值計算和理論分析中，對于金屬，它們的介電常數(shù)的色散和吸收是不能忽略的。金是最典型的Drude金屬，它的介電常數(shù)可用Drude模型來很好地近似：

對于金，等離子體頻率?ωp＝8.99eV，電子的弛豫時間ωpτ－1＝0.002 678［15］。ITO和非晶硅也被視為色散材料，介電函數(shù)參考文獻［15］。入射光的波長變化范圍為400nm～1 000nm。薄膜電池對光的總吸收表達式如下：

為了達到最大光吸收效率，要對結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化。主要討論非晶硅厚度以及入射角度的變化對吸收的影響，以期設(shè)計出大角度、寬光譜吸收、無偏振依賴的太陽能電池結(jié)構(gòu)。

入射角分別為0°、30°，固定Λ ＝350nm，w＝t＝50nm，t1＝20nm，t4＝100nm時，設(shè)計的太陽能電池的吸收隨非晶硅厚度的變化關(guān)系顯示在圖2中。在滿足Fabry-Perot共振條件時，此結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)強吸收。另外發(fā)現(xiàn)，入射角增大（圖2（b））時，此結(jié)構(gòu)的強吸收區(qū)域并沒有減小，說明該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)大角度的光波吸收。入射角持續(xù)增大時，仍然可以得到相同的結(jié)果。

圖2 吸收率隨非晶硅厚度的變化關(guān)系Fig.2 Optical absorption spectrum calculated by RCWA with varied thickness of active region

下面我們考慮金屬光柵寬度對吸收的影響。圖3是2種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的吸收率譜線隨入射角的變化關(guān)系。2種結(jié)構(gòu)對應(yīng)的光柵的寬度分別為50nm和250nm。可以看出增加光柵寬度并不能顯著增強吸收。但是可以發(fā)現(xiàn)2種結(jié)構(gòu)在長波長區(qū)都有強烈的吸收，這意味著長波長光子能夠被電池吸收，在電池體內(nèi)的吸收路徑得到延長，因此可以提高光電轉(zhuǎn)換效率。

對于圖3（a）對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，同時計算了未放置金屬光柵時的吸收率譜線作為參考值。使用吸收率增強因子來衡量薄膜太陽能電池的性能。增強因子定義為：放置金屬光柵時的總吸收率值與未放置金屬光柵時的總吸收率值的比值減1。

圖3 吸收隨入射角的變化關(guān)系Fig.3 Optical absorption spectrum calculated by RCWA with varied incident angle

當入射角度變化時，計算得到的增強因子變化曲線如圖4所示?？梢钥闯鲈O(shè)計的結(jié)構(gòu)即使在太陽光大角度入射時，仍然能夠達到吸收增強，最大的吸收增強因子達到了40.5%。吸收增強主要是由于以下原因：1）Fabry-Perot共振。吸收區(qū)非晶硅厚度的變化會引起腔模共振，在滿足Fabry－Perot條件時，出現(xiàn)強吸收，如圖2所示；2）表面等離子激元的存在。當TM偏振光入射時，表面等離子激元被激發(fā)，MIM微腔結(jié)構(gòu)可以把光局域在表面等離子激元結(jié)構(gòu)中，由于此微腔模式的存在，吸收區(qū)可以吸收更多的光子；3）非晶硅平面波導(dǎo)。導(dǎo)波模受到很多因素影響，比如非晶硅的厚度、波導(dǎo)周期、入射光偏振，但是波導(dǎo)的寬度對導(dǎo)波模的影響不大，從圖3可以得到驗證。增加金屬光柵可以改變微腔的有效厚度，不管入射光的偏振如何，通過調(diào)節(jié)周期性光柵結(jié)構(gòu)都可以調(diào)節(jié)腔模共振，達到增強吸收太陽光譜的目的。為了驗證這一點，使用TE偏振光入射，按照同樣的方法計算吸收率增強因子，如圖5所示，此時結(jié)構(gòu)對應(yīng)的參數(shù)同圖3（b）一致。雖然TE偏振光在此結(jié)構(gòu)中無法激發(fā)表面等離激元，但是由于加入周期性波導(dǎo)陣列后，非晶硅平面波導(dǎo)的導(dǎo)波模式被激發(fā)，仍然能夠提高此結(jié)構(gòu)對光子吸收，最高吸收增強因子接近16%。

圖4 圖3（a）結(jié)構(gòu)對應(yīng)的吸收增強因子隨入射角度的變化關(guān)系，入射光波為TM偏振波Fig.4 Relationship between enhancement factor of optical absorption and incident angle with the same structure as in Fig.3（a）（incident wave is TM polarized）

圖5 TE波入射時，吸收增強因子隨入射角度的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between enhancement factor of optical absorption and incident angle with the same structure as in Fig.3（b）（incident wave is TE polarizd）

2 結(jié)論

表面等離子激元是增強薄膜太陽能電池吸收的一種有效途徑。表面等離子激元可以產(chǎn)生很強的近場增強效應(yīng)，同時會增強散射截面值。吸收的大小正比于電場強度的大小，同時強的散射截面值保證了更多的光子被吸收區(qū)吸收，顯著地增強了吸收長度，使光子在太陽能電池中的滯留時間與平均光子路徑增強，以達到吸收效率的提升。但是表面等離子激元只可以在TM偏振光入射情形下才可以被激發(fā)，而太陽光為非偏振光，我們設(shè)計了一種可以提高總體吸收的太陽能電池結(jié)構(gòu)。在吸收區(qū)和下表面電極之間添加光柵結(jié)構(gòu)，當TM偏振光入射，由于微腔模式的存在，可以把更多的光局域在表面等離子激元結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致吸收區(qū)可以吸收更多的光子，吸收增強因子最高超過40%。在TE偏振光入射時，雖然沒有表面等離激元的近場增強效應(yīng)的幫助，但是由于非晶硅平面波導(dǎo)模式的激發(fā)，仍然能夠?qū)е聫姷碾姶艌龇植?，吸收增強因子最高可達16%。

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