利用陷光結構增加硅薄膜太陽能電池的吸收效率

沈宏君， 李 婷， 盧輝東， 黃仙健， 李新蘭

(1. 寧夏大學 物理電氣信息學院， 寧夏 銀川 750021； 2. 青海大學 新能源光伏產業(yè)研究中心， 青海 西寧 810016)

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利用陷光結構增加硅薄膜太陽能電池的吸收效率

沈宏君1*， 李 婷1， 盧輝東2， 黃仙健1， 李新蘭1

(1. 寧夏大學 物理電氣信息學院， 寧夏 銀川 750021； 2. 青海大學 新能源光伏產業(yè)研究中心， 青海 西寧 810016)

提出了一種含有光錐光子晶體防反射層和四棱錐光柵背反射層的a-Si薄膜太陽能電池結構，吸收層厚1 μm，總厚度為1.45 μm。根據(jù)光子晶體及亞波長光柵的衍射特性，利用嚴格耦合波方法對器件參數(shù)進行了優(yōu)化。計算結果表明：當光錐結構傾角θ=72°、晶格常數(shù)T1=1 200 nm、介質底半徑r=100 nm時，防反射層的透射率較高，在300～600 nm波長范圍內，該薄膜太陽能電池的吸收效率比不含防反射層電池提高了11.54%；當四棱錐光柵結構周期L=1.2 μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm時，背反射層的反射效果較好，在600～850 nm波長范圍內，電池的吸收效率提高了3.75%。所設計的薄膜電池結構在波長為300～750 nm、入射角為0°～75°范圍內的吸收效率均在80%以上，平均吸收效率達92%，滿足太陽電池對寬頻譜、廣角度的光俘獲的要求。

薄膜太陽能電池； 光子晶體； 亞波長光柵； 嚴格耦合波； 衍射效率

1 引 言

近年來，光伏太陽能電池沒能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產，其主要限制性因素是較低的光電轉化效率和較高的制作成本。到目前為止，Si太陽能電池所能達到的最高效率僅為(25.6±0.5)%[1]。在一般的硅(Si)太陽能電池中，Si材料的使用成本占整個結構制作成本的40%[2]。20世紀80年代末，Green等[3]提出了薄膜太陽能電池結構(0.2～50 μm)，有效減少了半導體材料的使用量。然而薄膜太陽能電池對光的吸收率相對較低，因此有效陷光機制的運用是非常必要的。

亞波長光柵具有減反射和偏振雙折射效應，且二維亞波長光柵的偏振敏感性較低，因此，不同面型的二維亞波長光柵一經提出便被廣泛應用在薄膜太陽能電池中。Li等[4]提出了二次面型防反射光柵并證明其具有較好的防反射特性。 Lin提出一種背反射層和閃耀光柵結合的薄膜太陽能電池結構，可使衍射效率加倍[5]。亞波長光柵能有效增加光的傳播路徑，因此通常用亞波長光柵作背反射層以增加太陽能電池的光俘獲。 Biswas等[6]證明，具有粗糙化背反射層的太陽能電池結構的最優(yōu)吸收率可超過傳統(tǒng)的朗伯限制(4n2)。Li等[7]設計了防反射層為光柵結構、背反射層為金屬光柵的非晶硅薄膜太陽能電池，在0.3～0.6 μm、0.6～0.84 μm的入射光波長范圍內，吸收效率分別提高了0.4%～10.8%和20%～385%。1987年，Yablonovich[8-9]提出光子晶體的概念，因其特殊的對光子的控制能力，且存在完全帶隙可以完全反射帶隙內頻段的光波，進而成為薄膜太陽能電池中防反射層[10]或背反射層[11]結構的最佳選擇。在不使用其他材料作為防反射層的前提下，Domínguez 等[10]利用1D光子晶體使得防反射層在500～900 nm波長范圍內的平均反射率低于10%。Yu等[11]證明用1D光子晶體作分布布拉格反射器可以有效改善基于P3HT∶ICBA混合物的半透明聚合物太陽能電池的性能，600 nm時的最高傳輸效率達到了80.4%。Chutinan等[12]將2D光子晶體作為活性區(qū)域，證明2 μm厚的c-Si太陽能電池的效率可提高11.15%。金屬表面等離子體可以將電磁場集中在納米尺度范圍內，使場強得到大幅度的提高[13-14]。武振華等[15]通過計算得出，具有Ag/ZnO背反射器的電池結構的短路電流密度與不含背反射器的電池結構相比提高了3.19 mA/cm2。

本文根據(jù)光柵、光子晶體及金屬的光學特性，設計了一種光子晶體結構作為防反射層、亞波長光柵結構作為背反射層的非晶硅(a-Si)薄膜太陽能電池結構。文中運用嚴格耦合波方法(RCWA)[16-17]分析a-Si薄膜太陽能電池，優(yōu)化結構參數(shù)，使其實現(xiàn)了寬頻譜、廣角度的較高吸收。

2 結構模型

嚴格耦合波方法是用于分析亞波長周期結構的矢量衍射理論，通過嚴格求解Maxwell方程組，結合邊界條件可以得到衍射效率。該方法的精確性取決于計算過程中所保留的衍射級次，且具有良好的收斂性。該方法最初用于研究一維光柵的衍射效率，現(xiàn)在已經廣泛應用于計算不同面型不同周期的光柵結構[18]。

本文設計的薄膜太陽能電池結構模型如圖1所示，從上至下依次為防反射層、折射率漸變介質層、活性層、背反射層。其中防反射層是介質柱為光錐結構的光子晶體，以SiO2為基底填充Si3N4；折射率漸變介質層分別為ITO和TiO2，可有效減少入射光的反射；活性層即為光的吸收層，本文材料為a-Si；背反射層由ZnO四棱錐亞波長光柵及Ag基底組成。

圖1 薄膜太陽能電池結構模型圖

Fig.1 Schematic illustration of the investigated thin-film solar cell

其中Si3N4的折射率為2，ITO折射率為1.9，SiO2折射率滿足cauchy模型[19]：

(1)

其中A=1.491，B=0.006 86，C=-0.000 764 8。

TiO2折射率滿足公式[20]：

(2)

ZnO折射率滿足公式[21]：

圖2 Ag(a)和a-Si(b)的折射率、消光系數(shù)曲線。

Fig.2 Refractive indexnand extinction coefficientkof Ag (a) and a-Si (b)

Ag和a-Si的折射率n、消光系數(shù)k隨波長的變化如圖2所示[22]。

3 結果與討論

以橫磁波(TM極化波)為例，我們對入射波長為500 nm、入射角為0°、h2=h3=60 nm時的防反射層光錐光子晶體進行優(yōu)化，其中入射區(qū)介質為空氣，出射區(qū)介質為a-Si。本結構的衍射效率與光錐傾角θ、介質層厚度h1、介質底半徑r及晶格常數(shù)T1有關。

分別對光錐光子晶體的光錐參數(shù)進行優(yōu)化，結果如圖3所示。其中圖3(a)為透射率隨傾角θ的變化曲線，可以看出透射率隨傾角θ呈周期性變化。當θ=3°，25°，47°，72°時，透射率變化范圍較小，具有良好的冗余度。對于光錐結構而言，傾角越大越容易實現(xiàn)光沿Z軸方向的傳輸，因此，我們取傾角θ=72°。透射率隨介質柱高度h1，即槽深變化的曲線如圖3(b)所示。當h1=720 nm時，透射率最高達99.36%。晶格常數(shù)T1分別為200，600，900，1 200，1 600 nm時，透射率隨介質底半徑r的變化曲線如圖3(c)所示。從制作工藝方面考慮，我們令晶格常數(shù)T1=1 200 nm、介質底半徑r=100 nm。圖3(d)是防反射層在全波段及全角入射情況下的透射率分布，紅色表示透射率高；藍色則表示透射率低?？梢钥闯鋈肷浣窃?°～80°的全波段均有高透射，最高達99.99%，平均透射率為94.74%；全角全波段的平均透射率為90.63%，具有較好的防反射效果。

圖3 (a)防反射層透射率隨光錐傾角的變化；(b)防反射層透射率隨光錐高度的變化；(c)不同光錐光子晶體周期下的透射率隨光錐底半徑的變化；(d)防反射層透射率分布。

Fig.3 (a) Transmittance of AR coating layervs. light cone angles. (b) Transmittance of AR coating layervs. light cone height. (c) Transmittance of AR coating layervs. light cone bottom radius for different photonic crystal periods. (d) Distribution of the transmittance of the AR coating layer.

入射光在防反射層的作用下會產生相移[23]：

(4)

其中n為光子晶體介質柱折射率的實部，h為槽深，λ為入射光波長。當相移為π的奇數(shù)倍時，僅傳輸奇數(shù)級衍射級次，如級次m=±1，±3，…；而當相移為π的偶數(shù)倍時，僅傳輸偶數(shù)級衍射級次，如級次m=0，±2，±4，…。其中大部分光強集中在0級，且相移φ隨波長變化，因此圖3(d)中出現(xiàn)了透射率隨波長交替增大或減小的情況。

由圖2(a)可知Ag的折射率較低，更容易發(fā)生全反射，而消光系數(shù)高則使得介質容易吸收到達Ag介質表面的光波而增加損耗[7]。ZnO具有較強的抵抗氫等離子體的特性，為了減少金屬損耗，在a-Si層和金屬層之間插入ZnO層[7,24]。反射光柵的衍射可有效增加活性層中的有效光程。本文設計的背反射層結構即在活性層a-Si與金屬Ag之間插入ZnO四棱錐光柵結構，其中Ag的厚度為50 nm。

在特定波長范圍內，太陽能電池的光吸收能力強烈依賴于光柵的占空比(f=S1/S2,其中S1為介質柱底面積，S2為光柵單位周期的面積)和槽深[25]。在四棱錐光柵結構周期L=1.2 μm條件下，我們對該結構進行了優(yōu)化計算。其中入射區(qū)域為a-Si吸收層，透射區(qū)域為空氣。計算結果如圖4所示：其中圖4(a)表示波長分別為500，700，850 nm時，背反射層結構的反射率隨占空比f的變化，根據(jù)計算結果取f=0.38；圖4(b)表示波長分別為500，700，850 nm時，背反射層結構的反射率隨槽深h5的變化，根據(jù)計算結果取h5=560 nm；圖4(c)表示波長分別為300，500，700，850 nm時，背反射層結構的反射率隨入射角的變化。由于ZnO介質與a-Si的折射率差較大導致容易發(fā)生全反射及光程的增加，在入射角大于28°時，該背反射結構對全波段入射光的反射率均可達到98%以上。

圖4 (a)反射率隨光柵占空比的變化；(b)反射率隨光柵槽深的變化；(c)反射率隨入射角的變化。

Fig.4 (a) Reflectancevs. grating duty cycle. (b) Reflectancevs. grating height. (c) Reflectancevs. incident angle.

4 計算比較

優(yōu)化后的電池結構總厚度為1.45 μm，其中吸收層厚1 μm，其隨波長及入射角變化的吸收效率如圖5所示?？v坐標表示入射角的大小，取值范圍在0°～89°之間，紅色區(qū)域對應吸收率較高的波段及入射角范圍。從圖中可以看出，波長為300～750 nm、入射角為0°～75°時，該薄膜太陽能電池的吸收效率幾乎均在80%以上，平均吸收效率為92%。由圖2(b)可知，a-Si在700～850 nm之間的消光系數(shù)趨近于0，因此對長波段區(qū)域的吸收效率相對較低。

與不具有光錐光子晶體防反射層的電池結構和同時不含光錐光子晶體防反射層、四棱錐光柵背反射層的電池結構相比較，該電池結構吸收效率均有較大提高。入射角為50°時，電池吸收效率隨波長變化曲線如圖6所示。數(shù)值結果如表1所示。從表中可知，光錐光子晶體防反射層主要在300～600 nm波段起作用，使得薄膜太陽能電池的吸收效率提高11.54%；而四棱錐光柵背反射層主要在600～850 nm波段具有增強吸收的作用，吸收效率提高了3.75%。

圖5 太陽能電池的吸收效率分布

圖6 防反射層及背反射層對太陽能電池吸收效率的影響

Fig.6 Effect of AR coating and the presence of the reflector on the absorption spectrum of the solar cell

表1 3種薄膜太陽能電池在不同波段下的吸收率

Tab.1 Absorption efficiencies of the three devices within different wave band

電池300～600nm600～850nm無陷光結構83．28%74．44%無防反射層83．28%78．19%有陷光結構94．82%78．62%

入射角分別為10°和70°時，本文設計的薄膜太陽能電池結構及無陷光結構薄膜太陽能電池的吸收效率隨波長的變化如圖7(a)、(b)所示。

結合圖6、圖7及表1、表2可知，本文所設計的薄膜太陽能電池結構在300～600 nm波長范圍的光吸收能力明顯增強。以10°和70°入射時，有陷光結構的薄膜太陽能電池比無陷光結構的薄膜太陽能電池的平均吸收率分別增加了13.5%和8%；在波長為600～850 nm區(qū)域，吸收效率分別提高了4.5%和3.5%。可見，文所設計的薄膜太陽能電池結構成功地實現(xiàn)了在300～850 nm波長范圍、廣角度范圍的吸收增強，具有實際應用的潛力。

圖7 10°(a)和 70°(b)入射角度下，陷光結構對太陽能電池吸收效率的影響。

Fig.7 Effect of light traping structure on the absorption efficiency of the solar cell with the incident angle of 10° (a) and 70° (b)

表2 兩種薄膜太陽能電池在不同波段、不同入射角下的吸收率

Tab.2 Absorption of the two devices under illumination from light with different lambda and incident angle

電池300～600nm600～850nm10°70°10°70°有陷光結構90．5%92%78%81．5%無陷光結構77%84%73．5%78%

5 結 論

設計了含有光錐光子晶體防反射層和四棱錐光柵背反射層的a-Si薄膜太陽能電池結構，利用RCWA方法優(yōu)化計算得出：當光錐結構傾角θ=72°、晶格常數(shù)T1=1 200 nm、介質底半徑r=100 nm時，防反射層透射效率較高，且該結構使得該薄膜太陽能電池在300～600 nm波長范圍內的平均吸收效率提高了11.54%；當四棱錐光柵結構周期L=1.2 μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm時，背反射層的反射效果較好，電池在600～850 nm波長范圍內的平均吸收效率提高了3.75%。并且該薄膜電池結構在波長為300～750 nm、入射角為0°～75°時吸收效率均在80%以上，平均吸收效率達92%。與不含陷光結構的薄膜太陽能電池相比，本文設計的太陽能電池結構在可見光波長范圍、廣角度內均實現(xiàn)了光吸收的增強，增加了光伏太陽能電池商業(yè)化生產的可能性。

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沈宏君(1970-)，男，河南商丘人，博士，副教授，2009于北京郵電大學獲得博士學位，主要從事光子晶體方面的研究。

E-mail: shenhongj2004@126.com

Enhancement of Light Absorption in Thin Film Silicon Solar Cells with Light Traping

SHEN Hong-jun1*, LI Ting1, LU Hui-dong2, HUANG Xian-jian1, LI Xin-lan1

(1.SchoolofPhysicsandElectricalInformation,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China;2.NewEnergyIndustryResearchCenter,QinghaiUniversity,Xining810016,China)

An amorphous silicon thin-film solar cell with an anti-reflection coating of light cone photonic crystal and a back surface field layer of rectangular pyramid grating is proposed. The thickness of the cell is 1.45 μm and the thickness of the absorbing layer is 1 μm. Using Rigorous Coupled Wave Analysis method, the parameters of the cell are optimized based the diffraction characteristics of the photonic crystal and the sub-wavelength grating. When the light cone angle is 72°, the lattice constant is 1 200 nm, and the bottom radius is 100 nm, a relative increase of 11.54% for the integrated absorption inside the solar cell can be achieved between 300 nm and 600 nm, compared to an equivalent but no anti-reflection coating cell. When the rectangular pyramid grating period is 1.2 μm, the duty cycle is 0.38, and the depth of the grating is 560 nm, a relative increase of 3.75% for the integrated absorption inside the solar cell can be achieved between 600 nm and 850 nm. According to the simulation, the absorption of the designed thin-film solar cell is over than 80% in the incident angle range of 0°-75° and the wavelength between 300 nm and 750 nm, and the average absorption is up to 92%. This solar cell is designed to meet the demanding requirements of a wide spectrum and wide-angle light capture.

thin-film solar cell; photonic crystal; sub-wavelength grating; rigorous coupled wave analysis; diffraction efficiency

2016-02-29；

2016-04-01

國家自然科學基金(61167002)資助項目

1000-7032(2016)07-0816-07

O436

A

10.3788/fgxb20163707.0816

*CorrespondingAuthor,E-mail:shenhongj2004@126.com