錐形二維光子晶體太陽(yáng)電池?cái)?shù)值模擬?

陳培專 于莉媛 牛萍娟 付賢松 楊廣華張建軍 侯國(guó)付

1)(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程中心,天津 300387)

2)(南開大學(xué),光電子薄膜器件與技術(shù)研究所,光電子薄膜器件與技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071)

1 引 言

相比于晶硅太陽(yáng)電池,硅基薄膜太陽(yáng)電池吸收層較薄,原材料使用量少,因此在成本下降空間上具有很大的優(yōu)勢(shì)[1,2].但是所有類型的硅基薄膜太陽(yáng)電池普遍存在一個(gè)問題,即隨著波長(zhǎng)的增大,吸收層材料的吸收系數(shù)迅速下降,導(dǎo)致電池的長(zhǎng)波吸收不斷減小[3,4].對(duì)于單結(jié)硅基薄膜太陽(yáng)電池,要將光譜吸收范圍內(nèi)的光充分吸收,吸收層厚度要達(dá)到毫米量級(jí)[5].但是由于制備工藝的原因,硅基薄膜太陽(yáng)電池的吸收層晶格結(jié)構(gòu)無法達(dá)到晶硅電池水平,因此存在較多的缺陷態(tài),載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小.為了充分收集光生載流子,吸收層厚度必須控制在幾百納米至幾微米的范圍內(nèi),這會(huì)導(dǎo)致光學(xué)吸收和載流子收集之間的矛盾.為了解決這一矛盾,需要在電池中引入陷光結(jié)構(gòu),在不增加甚至減小吸收層厚度的情況下,使更多的光進(jìn)入電池內(nèi)部并延長(zhǎng)光在電池內(nèi)部的吸收光程,實(shí)現(xiàn)光厚電薄[4,6?8].

硅基薄膜太陽(yáng)電池的陷光結(jié)構(gòu)包含兩種類型:隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu)[3,9,10]和周期性絨面結(jié)構(gòu)[11?13].周期性絨面結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上具有周期性,實(shí)質(zhì)上屬于微米或亞微米級(jí)的二維光子晶體(twodimensional photonic crystal,2D PC)[14,15].在之前的研究中,通常采用散射光占總反射光或透射光的比率即絨度來表征絨面形貌陷光能力的優(yōu)劣[9,16?18].絨度越高,則絨面形貌的陷光能力越強(qiáng),電池吸收越好.同時(shí)研究認(rèn)為,長(zhǎng)波陷光需要大特征尺寸的絨面形貌,而短波陷光需要小特征尺寸的絨面形貌[16?18].以上結(jié)論來自于實(shí)驗(yàn)中獲取的經(jīng)驗(yàn),但實(shí)際上并不能完全適用于所有的隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu),尤其是不能適用于周期性結(jié)構(gòu)[19].原因在于這些研究通常只關(guān)注絨面的橫向特征尺寸.但是絨度的大小不僅與絨面形貌的橫向特征尺寸(周期)相關(guān),還與絨面形貌的高度直接相關(guān)[20].不同的絨面特征尺寸和絨面高度相結(jié)合可以形成相同的絨度,但對(duì)于電池的陷光效果是完全不同的.由此也導(dǎo)致到目前為止仍然無法了解何種絨面形貌具有最佳的陷光效果.

相比于隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu),采用周期絨面即2D PC的陷光結(jié)構(gòu)有一個(gè)優(yōu)勢(shì),即易于采用波動(dòng)光學(xué)模擬的辦法,通過嚴(yán)格求解麥克斯韋方程組,探索結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)電池吸收的影響規(guī)律,從而獲得電池最佳的陷光形貌.事實(shí)上,隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu)可以看作一系列正弦型周期性結(jié)構(gòu)經(jīng)空間傅里葉變換疊加形成[21].因此,獲悉最佳的周期結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)研究并設(shè)計(jì)最佳的隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu)也有很大的幫助.隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu)的特征尺寸與太陽(yáng)電池的光譜吸收范圍屬于同一個(gè)量級(jí),本質(zhì)上講也屬于波動(dòng)光學(xué)的范疇.但在目前對(duì)周期絨面結(jié)構(gòu)即2D PC的模擬研究中通常不考慮背電極、前電極、p型層和n型層等支持層的影響,只是簡(jiǎn)單研究絨面形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)電池本征吸收的影響[22?25].實(shí)際上周期陷光形貌在提升電池總吸收的同時(shí),也會(huì)顯著提升支持層的寄生吸收,由此導(dǎo)致所得的最佳形貌未必能顯著提升本征吸收.此外,對(duì)于周期結(jié)構(gòu)而言,其陷光效果主要取決于衍射角和對(duì)應(yīng)的衍射效率,這二者又主要取決于周期尺寸和高度.在先前的研究中通常將周期尺寸和高度對(duì)電池短路電流密度的影響進(jìn)行分立研究,因此獲得的結(jié)論具有片面性,無法真正洞悉絨面形貌對(duì)電池光學(xué)吸收的影響規(guī)律[26,27].

本文基于波動(dòng)光學(xué)理論,采用時(shí)域有限差分( fi nite-difference time-domain,FDTD)方法,模擬研究錐形2D PC結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單結(jié)微晶硅太陽(yáng)電池各膜層吸收的影響規(guī)律.通過引入縱橫比(高度與周期的比值)的概念,將周期和高度對(duì)電池各膜層吸收的影響有機(jī)結(jié)合,提出新的陷光思路,為實(shí)驗(yàn)獲取優(yōu)異的周期或隨機(jī)絨面陷光結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo).首先研究在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi),周期和縱橫比(≤1)變化對(duì)電池各膜層吸收和總吸收的影響規(guī)律;而后研究占空比變化對(duì)各膜層吸收和總吸收的影響;最后基于優(yōu)化的周期和占空比,探討縱橫比大于1時(shí)電池吸收隨縱橫比的變化規(guī)律.

2 模擬及驗(yàn)證

2.1 模擬方法

基于Lumerical公司的商業(yè)化FDTD計(jì)算軟件(FDTD Solutions),模擬研究計(jì)算錐形2D PC結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)電池各膜層吸收和總吸收的影響規(guī)律.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步,FDTD數(shù)值計(jì)算方法得到了迅猛發(fā)展,應(yīng)用范圍幾乎涉及所有電磁領(lǐng)域,是目前計(jì)算電磁學(xué)界公認(rèn)的、最受關(guān)注的算法[28].應(yīng)用FDTD算法求解太陽(yáng)電池問題時(shí),算法在模擬區(qū)域自動(dòng)劃分網(wǎng)格(Yee元胞),而后電磁場(chǎng)便從激勵(lì)源處開始隨時(shí)間逐步推進(jìn),待電磁場(chǎng)穩(wěn)定后自動(dòng)停止運(yùn)算,此時(shí)便可獲得太陽(yáng)電池任何位置的電磁場(chǎng)信息.各膜層吸收Pabs的計(jì)算公式為[29]

式中|E|2為電場(chǎng)強(qiáng)度,Im(ε)為材料介電常數(shù)ε的虛部,和消光系數(shù)直接相關(guān),ω為頻率.獲得電池的空間電場(chǎng)分布|E|后即可計(jì)算得到各膜層的吸收.為了探討2D PC結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)各膜層吸收的影響規(guī)律,將各膜層吸收轉(zhuǎn)化為短路電流密度(Jsc),即一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的每一膜層吸收只對(duì)應(yīng)一個(gè)Jsc.具體方法如下.

假設(shè)各膜層吸收的光子都能產(chǎn)生電子空穴對(duì),且一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì),即電子空穴產(chǎn)生率η0=1,則電池各膜層的量子效率曲線EQ(λ)可表示為

式中Pin(λ)和Pabs(λ)分別為波長(zhǎng)λ時(shí)的入射光光場(chǎng)強(qiáng)度和被各膜層吸收的光場(chǎng)強(qiáng)度,h為普朗克常數(shù),c為真空中的光速.將EQ(λ)和AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜進(jìn)行積分,即可獲得各膜層產(chǎn)生的短路電流密度Jsc,表達(dá)式為

式中e為電子電量,IAM1.5為AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜(來自ASTM G173-03,由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL測(cè)試獲得).

2.2 模擬結(jié)構(gòu)

選擇具有寬譜域光譜吸收范圍(300—1100 nm)的n-i-p型單結(jié)微晶硅(μc-Si:H)太陽(yáng)電池作為研究對(duì)象,其本征層厚度通常約為2μm.當(dāng)襯底引入絨面陷光形貌時(shí),銀(Ag)背反射電極會(huì)產(chǎn)生等離子激元共振吸收,并且隨著粗糙度的增大,等離子激元共振吸收也會(huì)增強(qiáng)[30].此外,在絨面形貌上沉積微晶硅電池時(shí),由于本征層厚度較厚和晶粒生長(zhǎng)方向的影響,基底形貌并不能得以保持.為了充分了解陷光機(jī)理,減少寄生吸收的影響,并考慮到要對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的指導(dǎo)性,選擇在本征吸收層引入錐形二維光子晶體,以膜層后綴名添加_PC表示,如i-μc-Si_PC.電池具體結(jié)構(gòu)為平面襯底/Ag(100 nm)/ZnO:Al(AZO,100 nm)/n-a-Si(20 nm)/i-μc-Si_base(100 nm)/i-μc-Si_PC(2 μm)/p-nc-Si(20 nm)/ITO(80 nm).模擬制備流程如圖1所示.首先在平面基底上順序沉積Ag/AZO復(fù)合背反射電極、n型層、本征層(i-μc-Si_base和i-μc-Si_PC),如圖1(a)所示;然后假設(shè)采用光刻等方法在i-μc-Si_PC上刻蝕形成錐形光子晶體(圖1(b));最后再沉積p型層和ITO(圖1(c)). 圖中的i-μc-Si分為兩部分:一部分是i-μc-Si_PC,厚度固定為2μm,只在該層上刻蝕制備光子晶體形貌,也即光子晶體的最大高度為2μm;另一部分是i-μc-Si_base,厚度固定為100 nm(不做刻蝕),該部分主要起阻擋層作用,即當(dāng)i-μc-Si_PC的刻蝕高度達(dá)到2μm時(shí),防止前后電極相接觸而發(fā)生短路.

圖1 基于錐形2D PC吸收層的單結(jié)微晶硅電池模擬制備流程圖 (a)本征層(i-μc-Si_PC)未形成錐形2D PC;(b)本征層形成錐形2D PC;(c)完整電池結(jié)構(gòu)Fig.1.Schematic of fabricating microcrystalline silicon thin fi lm solar cells based on conical 2D PC:(a)Intrinsic layer(i-μc-Si_PC)without 2D PC;(b)intrinsic layer with 2D PC;(c)complete cell with 2D PC intrinsic layer.

圖2 錐形i-μc-Si_PC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Structure schematic of conical i-μc-Si_PC.

圖2為i-μc-Si_PC的結(jié)構(gòu)示意圖,其總高度保持2μm不變,實(shí)驗(yàn)中可以通過刻蝕等方法在該層上形成不同的錐形2D PC結(jié)構(gòu).兩個(gè)相鄰的錐體并不直接接觸形成V型底,而是留出一定的距離形成U型底結(jié)構(gòu),即底寬(W)小于周期(P),二者的比值為占空比f(wàn)f(ff=W/P).錐體的高度(H)最大值為2μm,其與周期的比值定義為縱橫比rHP(rHP=H/P).

2.3 模擬驗(yàn)證

為了提升模擬的準(zhǔn)確性及可指導(dǎo)性,模擬計(jì)算時(shí)所用到的隨波長(zhǎng)變化的各材料均由南開大學(xué)光電子所實(shí)際制備,而后采用商用光譜橢偏儀WVASE32測(cè)試得到材料的橢偏量Ψ和Δ,并運(yùn)用Tauc-Lorentz模型進(jìn)行擬合獲得材料光學(xué)常數(shù),如圖3所示.所有硅基膜層均采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)系統(tǒng)制備,Ag,AZO采用磁控濺射方法沉積,ITO則用熱蒸發(fā)法制備.

圖3 各膜層材料光學(xué)常數(shù) (a)折射率n;(b)消光系數(shù)kFig.3.Optical constants as a function of wavelength for each thin fi lm layer:(a)Refractive index n;(b)extinction coefficient k.

為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性,在圖4(a)所示錐形光子晶體基底上(P=3μm,H=1μm,ff=13/15)沉積單結(jié)非晶硅鍺電池,電池結(jié)構(gòu)為Ag(100 nm)/AZO(100 nm)/n-a-Si(20 nm)/i-a-SiGe:H(200 nm)/p-nc-Si(15 nm)/ITO(80 nm),而后用FDTD模擬計(jì)算對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)電池的量子效率,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,如圖4(b)所示.之所以選擇在上述基底上沉積非晶硅鍺而非微晶硅,主要原因是前者吸收層較薄,可以實(shí)現(xiàn)保形生長(zhǎng),易于設(shè)計(jì)模擬結(jié)構(gòu)并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效比較.從圖4(a)也可以看出沉積電池后基底形貌得以較好保持.為了減少數(shù)據(jù)量,所做的模擬計(jì)算都是基于二維模擬.圖4(b)中EQ曲線實(shí)驗(yàn)值是在?0.3 V偏壓下測(cè)試獲得的,主要目的是減小p/i界面對(duì)載流子輸運(yùn)的影響以及電極歐姆接觸對(duì)載流子收集的影響,使實(shí)驗(yàn)值更接近理想狀況.從圖中可以看出,模擬值和實(shí)驗(yàn)值符合較好,積分電流值分別為19.5 mA/cm2(模擬)和19.2 mA/cm2(實(shí)驗(yàn)),說明模擬結(jié)果可靠性較高.二者的差別主要在于短波范圍,很重要的一個(gè)原因是沉積時(shí)厚度不能完全精確控制,會(huì)和模擬時(shí)設(shè)置的厚度有所偏差,尤其是對(duì)于厚度只有幾十納米的p型層和ITO而言更容易引起偏離,而這二者厚度稍微有所偏差就會(huì)對(duì)短波吸收造成重要影響.

圖4 (a)錐形光子晶體襯底及在襯底上沉積背反射電極和電池時(shí)掃描電子顯微鏡俯視圖(45°角);(b)模擬和實(shí)驗(yàn)的EQ結(jié)果比較Fig.4.(a)Scanning electron microscopic image of conical 2D PC substrate and conical 2D PC substrates with back re fl ector and cells deposited on it,respectively;(b)EQcurves for simulation and experiment.

3 結(jié)果與討論

3.1 周期和縱橫比對(duì)電池各膜層吸收和總吸收的影響

錐形2D PC吸收層主要有三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù):周期P、高度H和占空比f(wàn)f,如圖2所示.如果分立研究各膜層吸收隨P或H的變化,或者采用三維坐標(biāo)研究吸收隨P和H的變化,都無法探究其中內(nèi)在的規(guī)律.為此,將周期和高度相結(jié)合,引入縱橫比rHP,著重研究各膜層光學(xué)吸收隨P和rHP的變化規(guī)律.在研究二者對(duì)電池吸收的影響時(shí),將ff暫時(shí)固定為13/15,周期P在0.25—2.00μm區(qū)間變化,步長(zhǎng)為0.25μm;縱橫比rHP選擇為1/6,1/3,1/2,2/3,5/6,1/1這6個(gè)值,步長(zhǎng)為1/6.

圖5 光譜積分波長(zhǎng)范圍為300—1100 nm時(shí),在不同的縱橫比rHP下,周期P變化對(duì)微晶硅電池各膜層吸收(Jsc)的影響(a)總吸收;(b)i-μc-Si(包含 i-μc-Si_base和i-μc-Si_PC兩部分);(c)ITO;(d)p-nc-Si;(e)AgFig.5.Influence of period P on each layer absorption of the microcrystalline solar cells at different aspect ratio rHPwith integral wavelength region of 300–1100 nm:(a)Total absorption;(b)i-μc-Si(both i-μc-Si_base and i-μc-Si_PC);(c)ITO;(d)p-nc-Si;(e)Ag.

圖5所示為光譜積分波長(zhǎng)范圍為300—1100 nm時(shí),在不同的縱橫比下周期變化對(duì)微晶硅電池各膜層吸收(Jsc)的影響.其中圖5(a)為總吸收, 圖5(b)為i-μc-Si吸收(包含i-μc-Si_base和i-μc-Si_PC兩部分),圖5(c)為ITO吸收,圖5(d)為p-nc-Si吸收,圖5(e)為Ag吸收.沒有給出AZO和n-a-Si的吸收曲線,因?yàn)闊o論采用何種結(jié)構(gòu)參數(shù),AZO和n-a-Si的寄生吸收都非常小,可以忽略不計(jì).

當(dāng)縱橫比不變時(shí),本征層吸收隨著周期增大呈正弦變化.其余膜層吸收和電池總吸收也有類似的變化趨勢(shì),說明衍射效果隨著周期增大呈正弦變化,而且會(huì)作用在各個(gè)膜層上.隨著縱橫比的增大,圖5(a)中的總吸收曲線和圖5(b)中的本征吸收曲線變化趨勢(shì)非常相似.當(dāng)P≤1.0μm時(shí),電池的本征吸收隨著縱橫比的增大不斷上升,在rHP=1時(shí)實(shí)現(xiàn)最大化;當(dāng)1.0μm＜P≤1.5μm時(shí),本征吸收隨著縱橫比的增大先不斷上升而后減小,在rHP=5/6時(shí)實(shí)現(xiàn)最大化;當(dāng)1.5μm＜P≤2.0μm時(shí),本征吸收隨縱橫比的增大仍然先上升后下降,但實(shí)現(xiàn)最大化的縱橫比減小為1/2.這說明要實(shí)現(xiàn)本征吸收最大化,小周期應(yīng)采用大縱橫比,大周期則應(yīng)減小縱橫比.

當(dāng)縱橫比和周期發(fā)生變化時(shí),ITO的寄生吸收介于2.5—4.0 mA/cm2之間.對(duì)于p-nc-Si,當(dāng)縱橫比不變時(shí),周期變化對(duì)其寄生吸收基本沒有影響;縱橫比增大時(shí),寄生吸收總體呈逐漸下降趨勢(shì),貢獻(xiàn)的寄生電流為0.6—1.0 mA/cm2.由此可見,周期和縱橫比變化對(duì)p-nc-Si的寄生吸收影響很小.從圖5(e)可以看出,縱橫比變化包括周期變化對(duì)Ag的寄生吸收影響都很小,損耗電流不超過0.7 mA/cm2.這說明采用平面基底,使吸收和陷光同時(shí)在本征層中進(jìn)行,可以顯著減小Ag的寄生吸收.綜上可以看出,對(duì)于錐形2D PC吸收層電池,寄生吸收主要由ITO引起.要減小ITO的寄生吸收,關(guān)鍵是減小ITO的吸收系數(shù).

根據(jù)圖5(b)可知,當(dāng)P=0.5μm,rHP=1時(shí),電池的本征吸收達(dá)到峰值,Jsc為27.8 mA/cm2;與平面結(jié)構(gòu)相比(吸收層厚度為2.1μm,Jsc為21.9 mA/cm2),Jsc提升5.8 mA/cm2,相對(duì)增加27%.圖6為以上2D PC結(jié)構(gòu)電池和平面結(jié)構(gòu)電池的本征吸收對(duì)比曲線.從圖中可以看出,在吸收層中引入上述結(jié)構(gòu)的2D PC,本征吸收獲得顯著提升.在300—550 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),到達(dá)電池底部的光很少,因此電池的吸收變化主要由電池的前表面反射變化引起.當(dāng)波長(zhǎng)大于550 nm時(shí),大部分入射光能到達(dá)電池底部,此時(shí)背反射電極的反射和本征層的陷光特性對(duì)電池吸收起主要作用.在此波長(zhǎng)范圍內(nèi),本征吸收曲線出現(xiàn)很多吸收增強(qiáng)峰,主要是由錐形PC吸收層的振動(dòng)模引起.為了進(jìn)一步探尋錐形2D PC吸收層的陷光規(guī)律,分別研究300—550 nm(短波),550—800 nm(中波)和800—1100 nm(長(zhǎng)波)這三個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)錐形2D PC的周期和縱橫比變化對(duì)電池本征吸收的影響,如圖7所示.

圖6 錐形2D PC結(jié)構(gòu)(P=0.5μm,rHP=1)和平面結(jié)構(gòu)本征吸收比較Fig.6.Intrinsic absorptions of cells with and without 2D PC( fl at).

在300—550 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),Ag的寄生吸收為0,因?yàn)闆]有光到達(dá)電池底部.從圖7(a)可以看出,隨著縱橫比的增大,本征吸收先迅速上升;當(dāng)縱橫比達(dá)到并超過1/2時(shí),本征吸收上升幅度不斷減小.此外,在上述波長(zhǎng)范圍內(nèi),當(dāng)縱橫比不變時(shí),本征吸收受周期變化的影響很小.因此,為了使電池的短波吸收達(dá)到最大化,錐形2D PC吸收層可以采用任意周期,同時(shí)設(shè)定rHP＞1/2即可.該結(jié)論也表明,為了使更多的光進(jìn)入電池內(nèi)部而在電池表面引入絨面減反膜時(shí),重點(diǎn)在于優(yōu)化絨面形貌的縱橫比,使之超過1/2.

在550—800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),從圖7(b)可以看出,當(dāng)0.25μm ≤P＜0.75μm,rHP≥ 5/6時(shí),電池的本征吸收明顯高于其他周期和縱橫比的電池對(duì)應(yīng)吸收.說明在上述參數(shù)范圍內(nèi),錐形2D PC的波動(dòng)效果最強(qiáng),電池陷光效果最好.在800—1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),本征吸收主要受周期大小的影響,受縱橫比的影響較小,當(dāng)0.50μm≤P≤0.75μm時(shí)本征吸收最高.

綜合波長(zhǎng)范圍550—800 nm和800—1100 nm的本征吸收可以得出,當(dāng)錐形2D PC吸收層的周期在0.5μm左右,且縱橫比較大時(shí),在中長(zhǎng)波范圍內(nèi)電池的陷光效果最好.而當(dāng)波長(zhǎng)為300—550 nm時(shí),本征吸收受周期的影響很小,但隨縱橫比的增大先上升而后逐漸趨于穩(wěn)定.故對(duì)于錐形2D PC本征微晶硅電池,最佳的錐形2D PC結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置周期約為0.5μm,并選擇大縱橫比(由于在前述研究中縱橫比最大只為1,縱橫比超過1時(shí)是否會(huì)繼續(xù)提升吸收將于后續(xù)討論).

圖7 在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)周期和縱橫比變化對(duì)電池本征吸收的影響 (a)300—550 nm;(b)550—800 nm;(c)800—1100 nmFig.7.Effect of period and aspect ratio on the cell intrinsic absorptions in the wavelength range of(a)300–550 nm,(b)550–800 nm,and(c)800–1100 nm.

3.2 占空比對(duì)電池各膜層吸收和總吸收的影響

根據(jù)前述研究,在占空比為13/15(≈0.87)的條件下,周期和縱橫比分別選擇0.5μm和1時(shí)電池的本征吸收最大化.研究占空比變化對(duì)電池總吸收、本征吸收的影響(P=0.5μm,rHP=1),結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出,總吸收和本征吸收隨著占空比增大總體呈上升趨勢(shì),當(dāng)占空比接近0.9時(shí)吸收達(dá)到最大值.

圖8 占空比變化對(duì)電池總吸收和本征吸收的影響Fig.8.Influence of the fi ll factor on total absorption and intrinsic absorption of the cells.

3.3 周期和占空比不變時(shí)繼續(xù)增大縱橫比對(duì)電池吸收的影響

在前述研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)P≤1μm時(shí),電池的本征吸收隨縱橫比的增大而逐漸增大,當(dāng)rHP=1時(shí)吸收實(shí)現(xiàn)最大化(0≤rHP≤1),如圖5(b)所示.存在一個(gè)問題,前述研究中rHP最大值只取到1,那么對(duì)于P≤1μm的錐形PC吸收層,繼續(xù)增大rHP是否會(huì)繼續(xù)提升本征吸收?為此,對(duì)周期分別為0.25,0.50,0.75,1.00μm,高度從0增加到2μm時(shí)電池本征吸收的變化規(guī)律進(jìn)行研究,如圖9所示,對(duì)應(yīng)的rHP分別從0增加到8.0,4.0,2.7,2.0.

圖9 P≤1μm時(shí)錐形PC吸收層高度變化(0—2μm)對(duì)電池本征吸收的影響Fig.9.Intrinsic absorption versus height of the conical 2D PC(0–2μm)when P ≤ 1μm.

從圖9可以看出,隨著縱橫比的增大,本征吸收先上升而后呈總體下降趨勢(shì).當(dāng)周期分別為0.25,0.50,0.75,1.00μm時(shí),獲得本征吸收最大化的對(duì)應(yīng)高度值分別約為0.25,0.50,0.75,1.00μm.由此可以看出,當(dāng)P≤1μm時(shí),實(shí)現(xiàn)本征吸收最大化的rHP均為1,繼續(xù)增大rHP并不會(huì)提升電池本征吸收.

在引言中指出,隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu)可以看作一系列周期性結(jié)構(gòu)經(jīng)空間傅里葉變換疊加形成.因此在設(shè)計(jì)優(yōu)異的隨機(jī)絨面結(jié)構(gòu)時(shí),重點(diǎn)在于優(yōu)化絨面形貌的縱橫比,當(dāng)其橫向特征尺寸較小時(shí)(≤1μm),使其縱橫比達(dá)到1;而當(dāng)周期較大時(shí),根據(jù)3.1節(jié)獲得的結(jié)論,則應(yīng)相應(yīng)減小縱橫比.

4 結(jié) 論

基于FDTD算法模擬研究了錐形2D PC結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單結(jié)微晶硅電池各膜層光學(xué)吸收的影響規(guī)律.研究表明,引入錐形2D PC吸收層后,電池的本征吸收和寄生吸收都獲得提升.寄生吸收主要由ITO引起,本征吸收則隨著周期變化呈正弦波動(dòng),并且隨著縱橫比的增大先上升后下降.當(dāng)周期分別為P≤1.0μm,1.0μm＜P≤1.5μm和1.5μm＜P≤2.0μm時(shí),本征吸收分別在縱橫比為1,5/6和1/2時(shí)實(shí)現(xiàn)最大化,即小周期應(yīng)采用大縱橫比,而大周期應(yīng)減小縱橫比.同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),為了使更多的光進(jìn)入電池內(nèi)部而在電池表面引入絨面減反膜時(shí),重點(diǎn)在于優(yōu)化絨面形貌的縱橫比,使之超過1/2.此外,本征吸收隨著占空比增大總體呈上升趨勢(shì),當(dāng)占空比接近0.9時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)引入結(jié)構(gòu)參數(shù)為P=0.5μm,rHP=1,ff≈0.9的錐形2D PC吸收層時(shí),微晶硅電池短路電流密度從平面結(jié)構(gòu)的21.9 mA/cm2提升到27.8 mA/cm2,相對(duì)增加27%.以上結(jié)論為實(shí)驗(yàn)制備優(yōu)異的周期或隨機(jī)絨面陷光形貌提供了重要指導(dǎo).

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