一種高性能的銀背表面反射器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張安駿

摘 要：該文針對(duì)高性能的Ag背表面納米光柵反射器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。經(jīng)過對(duì)填充率，周期，納米結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行優(yōu)化后，電池的短路電流密度為22.81mA/cm2，此時(shí)，硅的厚度僅為1000 nm。對(duì)于相同厚度的平板硅而言，其短路電流密度上升了83.34%。我們還探究了ZnO覆蓋層對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響，結(jié)果表明，采用ZnO覆蓋層雖然能減小寄生吸收，但降低了光柵結(jié)構(gòu)的光捕捉能力，從而不能起到提高電池轉(zhuǎn)換效率的作用。造成這種現(xiàn)象的原因是：長(zhǎng)波波段表面等離子體共振激發(fā)時(shí)，銀納米光柵對(duì)入射光主要起散射作用。該文的結(jié)論對(duì)降低金屬納米結(jié)構(gòu)的寄生吸收率并提高電池的轉(zhuǎn)換效率提供了指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：太陽能電池 背表面光柵 表面等離子體共振 光捕捉

中圖分類號(hào)：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（c）-0103-04

1 概述

由于能源危機(jī)以及化石燃料所帶來的污染，人們對(duì)太陽能的利用十分關(guān)注。太陽能電池作為收集太陽能的主要器件，在近年來受到很大的重視與較多的研究?；诩{米結(jié)構(gòu)的太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)降低材料使用量的同時(shí)提高光電轉(zhuǎn)換效率。因此，這種太陽能電池受到了廣泛的關(guān)注和研究。這些納米結(jié)構(gòu)主要包括隨機(jī)表面結(jié)構(gòu)[1-2]，周期性光柵結(jié)構(gòu)[3]，光子晶體結(jié)構(gòu)[4]，以及金屬納米結(jié)構(gòu)[5-6]。這些納米結(jié)構(gòu)主要可以起到抗反射和陷光效應(yīng)的作用，因此采用納米結(jié)構(gòu)后，薄膜太陽能電池的效率大為提高。

金屬背表面光柵結(jié)構(gòu)是一種在太陽能電池中廣泛采用的納米結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)后，表面等離子激元（surface plasmonicspolaritons）能夠被激發(fā)，在背反射與吸收層表面形成波導(dǎo)模式[7]。同時(shí)局域表面等離子體（localized surface plasmonics）也可以被激發(fā)，將入射光局域在金屬納米結(jié)構(gòu)表面[8]，從而起到陷光效應(yīng)，使得電池的吸收率大大增長(zhǎng)。Schiff等人所進(jìn)行的研究表明，在有機(jī)太陽能電池中，吸收率的增長(zhǎng)超越朗伯極限[9]。然而，SPPs和LSPs的激發(fā)會(huì)增大銀材料的寄生吸收，從而降低電池的轉(zhuǎn)換效率。為了抑制寄生吸收，常在金屬納米結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層電介質(zhì)[10]。其原理是將SPPs和LSPs發(fā)生的波段轉(zhuǎn)移到光吸收充分的短波波段[11]。然而，這樣會(huì)使得長(zhǎng)波波段的光捕捉受到影響，從而影響光吸收。文獻(xiàn)[11]中，作者只給出了ZnO覆蓋層厚度的最優(yōu)值，卻沒能論證采用覆蓋層后光吸收是否增長(zhǎng)。因此采用覆蓋層后是否能起到增強(qiáng)光吸收的作用需要被研究。

該文中針對(duì)高性能的銀背表面納米光柵反射器進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計(jì)。通過改變納米結(jié)構(gòu)的填充率（fill factor，F(xiàn)R），周期（P），高度（H）度對(duì)金屬納米光柵進(jìn)行優(yōu)化，所得的最佳結(jié)構(gòu)的短路電流密度為22.81%mA/cm2，相對(duì)于平板硅，其效率提升了83.34%。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：FR=0.7，P=800 nm，H=200 nm。ZnO覆蓋層對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響同樣。結(jié)果表明，對(duì)于所設(shè)計(jì)的金屬背表面光柵結(jié)構(gòu)來說，ZnO覆蓋層雖然可以起到減小寄生吸收的作用，但不能起到增強(qiáng)吸收的作用。這表明，在金屬表面覆蓋電介質(zhì)的方法雖然能減小金屬的寄生吸收，但不一定能提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

2 結(jié)構(gòu)與模擬

模擬采用的結(jié)構(gòu)是二維結(jié)構(gòu)，圖1為其示意圖。圖中標(biāo)注了結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。其中，L為電池的厚度，固定為1000 nm.H為納米結(jié)構(gòu)的高度，P為納米結(jié)構(gòu)的周期，d為納米結(jié)構(gòu)的底面直徑。t為電介質(zhì)覆蓋層的厚度。由于金屬納米結(jié)構(gòu)的形狀，尺寸，對(duì)LSPs和SPPs共振的頻率，峰值有著重要的影響[6]，因此，需要對(duì)P、d、H逐一進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于優(yōu)化完成的Ag納米結(jié)構(gòu)，本文將討論電介質(zhì)覆蓋層對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換能力的影響，通過對(duì)t進(jìn)行優(yōu)化，尋求覆蓋層的最佳厚度。

該文采用FDTD的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，所選取的計(jì)算單元如圖1中右子圖所示。計(jì)算單元的邊界采用完美電導(dǎo)體（perfect electric conductors， PECs）邊界條件，PECs邊界條件的使用可將計(jì)算單元的大小減小為原來的1/2[12]，有利于計(jì)算量的減小，縮短計(jì)算時(shí)間。在計(jì)算單元的上下兩端的兩個(gè)矩形區(qū)域均添加完美匹配層（perfect matched layer，PML），用以模擬向兩邊無限延展的空氣[12]。利用散射邊界（scattering boundary）覆蓋PML，散射邊界的激勵(lì)設(shè)為0，起到吸收邊界的作用。入射光利用表面電流源進(jìn)行設(shè)定，電流源的方向?yàn)閤軸方向，其幅度為1（A/m），入射光的波長(zhǎng)范圍為300～1200 nm。所用的材料的屬性用折射率的實(shí)部和虛部進(jìn)行表征，相關(guān)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[13]。

Si和Ag對(duì)入射光的吸收用式1進(jìn)行計(jì)算：

（式1）

這里為電磁能量耗散密度，為入射光的總能量。的表達(dá)式如下[14]：

（式2）

為了衡量電池的光電轉(zhuǎn)換能力，利用短路電流密度進(jìn)行表征，如式3所示：

（式3）

這里，為AM1.5 G條件下的光譜照度，e為電子電荷，h為普朗克常數(shù)，c為光速。為1127 nm，對(duì)應(yīng)的能量為Si的帶隙能量（1.1 eV）。當(dāng)光子的能量小于1.1 eV時(shí)，入射光子不能被吸收并激發(fā)光生載流子。為了表征反射損失與寄生吸收損失，我們定義了平均反射率（averaged reflectance，AR）與平均寄生吸收率（averaged parasitic loss， AL），表達(dá)式如下：

（式4）

（式5）

這里R、L分別為某個(gè)波長(zhǎng)下的反射率與寄生吸收率。通過計(jì)算平均反射率與平均寄生吸收率，可以對(duì)能量的損失機(jī)制進(jìn)行探究?？梢酝ㄟ^對(duì)能流密度進(jìn)行面積分得到，即為Ag的吸收，可以通過式1與式2求得。

3 結(jié)果與討論

該文首先優(yōu)化了金屬納米結(jié)構(gòu)的底面直徑d，定義填充率FR=d/P。此時(shí)，固定P為300 nm，納米結(jié)構(gòu)的高度H定為200 nm。變化FR從0.1到1，變化的步長(zhǎng)為0.1。圖2（a）展示了短路電流密度和總損失率（反射損失率+寄生吸收率）與FR之間的關(guān)系。當(dāng)FR取0.7～0.8時(shí)，短路電流密度達(dá)到最大，圖2（b）則展示了AR和AL與FR之間的關(guān)系。

由于FR取不同值時(shí)，上表面均是相同的，因此AR表征了背表面光柵結(jié)構(gòu)的光捕捉能力。當(dāng)FR=0.7-0.8時(shí)，AR與AL均較小。AR較小是由于入射光能夠充分與背表面的Ag納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互作用，AL較小是由于Ag納米結(jié)構(gòu)的散射截面較大且吸收截面較小所導(dǎo)致的。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)的尺寸增大時(shí)，Ag納米結(jié)構(gòu)的散射截面增大。因此，F(xiàn)R=0.7～0.8時(shí)，短路電流密度達(dá)到最大。

由于納米結(jié)構(gòu)的周期P對(duì)納米結(jié)構(gòu)的光捕捉能力有著重要的影響，因此需要對(duì)P進(jìn)行了優(yōu)化。此時(shí)固定FR=0.7，H=200 nm。P的變化范圍為200～900nm，變化的步長(zhǎng)為100 nm。圖3（a）展現(xiàn)了短路電流密度與P之間的關(guān)系，由圖中可以看出，當(dāng)P=800nm時(shí)，短路電流密度取得最優(yōu)值，此時(shí)相應(yīng)的短路電流22.81 mA/cm2。圖3（b）為P=300 nm，500 nm和800 nm時(shí)Si的吸收譜線。當(dāng)P=800nm時(shí)，AR和AL均較小，這表明此時(shí)Ag納米結(jié)構(gòu)的光捕捉能力較強(qiáng)且引來的寄生吸收較小。隨著P的增大，AL逐漸減小，這是由于Ag納米結(jié)構(gòu)的散射截面大所導(dǎo)致的。由圖3（b）可以看出，當(dāng)P=300 nm時(shí)，700～1000 nm波段具有較多的峰值，在400～700 nm波段峰值較少，吸收較差。當(dāng)P=500 nm時(shí)，500～700 nm波段由較高的吸收峰值，而在短波波段峰值很少，吸收率較低。當(dāng)P=800nm時(shí)，在整個(gè)波段范圍內(nèi)均有較高的吸收峰值出現(xiàn)，使得其在整個(gè)波段內(nèi)吸收較好。因此，當(dāng)P=800nm時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有較強(qiáng)的光捕捉能力。所以，當(dāng)P=800nm時(shí)，AR較小。

進(jìn)一步優(yōu)化Ag納米結(jié)構(gòu)的高度H，此時(shí)固定FR=0.7，P=800 nm，改變H，其變化范圍為100～500 nm，變化的步長(zhǎng)為100 nm。圖4展示了短路電流密度與H之間的關(guān)系，當(dāng)H=200 nm時(shí)，短路電流密度達(dá)到最大，其值為22.8 mA/cm2。Ag納米結(jié)構(gòu)需要有一定的高度以實(shí)現(xiàn)入射光的捕捉，若高度太低，則光捕捉效應(yīng)較弱（H=100 nm時(shí)），當(dāng)Ag納米結(jié)構(gòu)過高時(shí)，一些本會(huì)被Si吸收的光會(huì)與Ag相互作用，因此會(huì)引入過多的寄生吸收（H=400 nm和500 nm時(shí)），從而降低電池的效率。所以，Ag納米結(jié)構(gòu)的高度需要選取一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠．?dāng)H=200 nm時(shí)，由于結(jié)構(gòu)高度較低，與結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互作用的光適量，因而此時(shí)其寄生吸收率較低。同時(shí)，此時(shí)H的值足夠大，使得Ag納米光柵具有較強(qiáng)的光捕捉能力。因此，當(dāng)H=200 nm時(shí)，短路電流密度達(dá)到最大。

針對(duì)優(yōu)化后的Ag背表面光柵結(jié)構(gòu)，還需探究電介質(zhì)覆蓋層的厚度對(duì)電池效率的影響。我們所采用的電介質(zhì)為ZnO。ZnO為透明導(dǎo)電氧化物且ZnO的帶隙能量較高，因而采用ZnO覆蓋層后電池仍然能正常工作且覆蓋層不會(huì)引起額外的寄生吸收。文獻(xiàn)[11]中，ZnO的最佳厚度為100 nm。文獻(xiàn)[6]中，在實(shí)際制備時(shí)ZnO間隔層的厚度為30 nm。故而，令ZnO層的厚度t的變化范圍為30～110 nm，變化的步長(zhǎng)為20 nm。圖5（a）為短路電流密度與t之間的關(guān)系，圖5（b）為AR，AL與t之間的關(guān)系?？梢钥闯?，ZnO覆蓋層不能起到增強(qiáng)吸收的作用。由圖5（b）可看出，ZnO覆蓋層的使用使得AL降低約2%。然而，相對(duì)于最優(yōu)結(jié)構(gòu)而言，AR的值則增加了超過4%。當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取最優(yōu)值后，Ag納米光柵的散射截面較大而吸收截面較小，因此SPPs和LSPs的激發(fā)起到促進(jìn)光吸收的作用。故而，采用ZnO覆蓋層后，納米光柵的光捕捉能力下降，并使得電池的光吸收能力下降。因此，采用ZnO覆蓋層未必能起到增強(qiáng)電池吸收的在作用，對(duì)于寄生吸收較小的金屬納米結(jié)構(gòu)，采用電介質(zhì)覆蓋層可能起到負(fù)面的作用。

4 結(jié)語

該文針對(duì)一種高性能的Ag背表面光柵進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。進(jìn)過對(duì)填充率，周期，納米結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化后，所得到的電池的短路電流密度為22.81 mA/cm2。相對(duì)于平面硅而言，短路電流密度提升了83.34%。該文還研究了ZnO覆蓋層對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響，結(jié)果表明，雖然采用覆蓋層能有效減小寄生吸收，但并不能提高光電轉(zhuǎn)換效率。這個(gè)結(jié)果可以通過所得的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，并為進(jìn)一步減小寄生吸收和提高電池的轉(zhuǎn)換效率提供了參考意見。

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