基于光電子晶體的高效太陽(yáng)能電池反射器的研究

樊育鋒

摘? 要：薄膜太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)大大降低了太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本，但其光電轉(zhuǎn)化效率明顯低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池。這是由于薄膜太陽(yáng)能電池過(guò)薄的吸收層嚴(yán)重降低了電池對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)入射光的捕獲效率。為了提高薄膜太陽(yáng)能電池對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)入射光的捕獲效率，可在電池吸收層背部增加一個(gè)反射器。該文從一維光子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，在證明一維光子晶體中具有光子禁帶的基礎(chǔ)上，通過(guò)獲取的數(shù)值，模擬計(jì)算出了一維光子晶體禁帶的隨周期數(shù)、折射率比值等。同時(shí)，提出了一種新型的展寬全方向反射帶的方法，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)由三個(gè)基本一維光子晶體合成的一維結(jié)構(gòu)，得到了較大的全方向反射帶。

關(guān)鍵詞：一維光子晶體? 光子禁帶? 全方向反射器

中圖分類號(hào)：O482? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（c）-0034-02

隨著人們對(duì)半導(dǎo)體材料的物理特性，特別是硅的物理特性的進(jìn)一步研究與了解，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室于1954年首次發(fā)現(xiàn)在材料硅中參入少量雜質(zhì)可以提高硅對(duì)光子的敏感程度，更容易形成PN結(jié)，并利用向半導(dǎo)體硅材料參雜的方法成功制造出了第一代實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，這標(biāo)志著可以應(yīng)用到實(shí)際生活中的太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的誕生。第二年，許多公司開始研發(fā)并且量產(chǎn)了太陽(yáng)能電池，也稱光伏電池，最終在市場(chǎng)上廣泛銷售。

1? 一維光子晶體反射器的設(shè)計(jì)方案

1.1 一維光子晶體對(duì)材料的要求

禁帶的變化與折射率相關(guān)，即構(gòu)成一維光電子晶體材料的折射率差距越大，禁帶就越明顯。

在討論中常用光學(xué)介質(zhì)的有效導(dǎo)納η，對(duì)于這兩種偏振分量，η分別為：

ηp=N/cosθ? ? ?（P偏振）

ηs=N/cosθ? ? ?（S偏振）

其中，θ為夾角。

1.2 材料的選擇

由于光子的影響，使得介質(zhì)介質(zhì)材料在特定的光譜區(qū)內(nèi)呈透明的狀態(tài)。而在短波吸收帶，介質(zhì)材料的電子由價(jià)位置會(huì)產(chǎn)生變化，由原來(lái)的位置遷移到導(dǎo)帶，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，光子能量大于禁帶的寬度。由于光子能量的限制，無(wú)法使價(jià)電子的能量釋放，因此，在透明區(qū)內(nèi)，只有少量的雜質(zhì)以及部分半導(dǎo)體中的自由載流子被吸收。在波長(zhǎng)持續(xù)增加的狀態(tài)下，晶格不斷的發(fā)生抖動(dòng)，產(chǎn)生光能的消耗。因此，在選擇材料時(shí)，應(yīng)選擇透明區(qū)的透明度較高的材料，這樣才能最大程度的降低消光系數(shù)。

1.3 一維光子晶體計(jì)算方法

計(jì)算光子晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的方法較多，例如傳輸矩陣法、多重散射法等。該文主要采用的是傳輸矩陣法，該方法能夠把所求磁場(chǎng)在實(shí)空間的位置展開后把麥克斯韋方程組變成傳輸矩陣的形式，之后對(duì)這個(gè)形式求解。因此，能夠快速地計(jì)算出反射率和透射率，此方法計(jì)算一維光子晶體的反射系數(shù)和透射系數(shù)比較方便。

2? 全方向反射器的設(shè)計(jì)與分析

2.1 理論依據(jù)——基于頻域疊加擴(kuò)展禁帶的方法

要想實(shí)現(xiàn)一維光電子的全方位反射，必須要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，在射角發(fā)生變化時(shí)，反射帶也要隨之改變運(yùn)行狀態(tài)，例如，當(dāng)反射角擴(kuò)大時(shí)，反射帶要想高頻方向移動(dòng);第二，當(dāng)角度發(fā)生改變時(shí)，TE和TM波反射帶分離;第三，保證TM波在Brewster角時(shí)，對(duì)所有頻率都形成透射率。

針對(duì)上述的3種問(wèn)題，該文采用基于頻域疊加法來(lái)解決，這種方法的實(shí)質(zhì)是，將所有的光子晶體禁帶連接起來(lái)，用不同中心頻率的全角度光子疊加，從而形成全角度光子禁帶，通過(guò)計(jì)算，得出光子禁帶的代數(shù)和。同時(shí)，通過(guò)篩選，選擇合適的介質(zhì)的高、低折射率的比值，改變各禁帶的寬度，可以減少和消除展寬后的禁帶中出現(xiàn)的允許帶的尖峰。

2.2 一維光子晶體全反射器的數(shù)值模擬與分析

如圖1所示，是由折射率為n1、n2，介質(zhì)厚度為d1和d2介質(zhì)層周期排列組成的一維光子晶體，然后將結(jié)構(gòu)不同的一維光電子晶體進(jìn)行疊加。

2.2.1 正入射時(shí)兩個(gè)一維光子晶體的疊加

在正入射的情況下，如圖2所示，對(duì)于PC1來(lái)說(shuō)，總的反射頻率范圍是0.156～0.296ωa/2πc。

圖解釋：為了深入研究影響一維光子晶體全方向反射帶的各種因素，此時(shí)要得到TE波模式下的入射角0°時(shí)PC1反射頻率范圍。

圖作用：先獲得入射角0°時(shí)PC1的反射頻率范圍為接下來(lái)獲得PC1、PC2疊加后的全反射頻率范圍做準(zhǔn)備。

2.2.2 入射角為45°時(shí)兩個(gè)一維光子晶體的疊加

在入射角為45°的情況下，如圖3所示，對(duì)于PC1來(lái)說(shuō)，總的反射頻率范圍是0.172～0.313ωa/2πc。

圖解釋：為了深入研究影響一維光子晶體全方向反射帶的各種因素，此時(shí)要得到TM波模式下的入射角45°時(shí)PC1反射頻率范圍。

圖作用：先獲得入射角45°時(shí)PC1的反射頻率范圍為接下來(lái)獲得PC1、PC2疊加后的全反射頻率范圍做準(zhǔn)備。

3? 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，太陽(yáng)能領(lǐng)域?qū)τ诠庾泳w的研究較多，且研究的時(shí)間將近10年，因此，光子晶體在太陽(yáng)能領(lǐng)域的發(fā)展較為成熟。但是，其應(yīng)用領(lǐng)域也是十分有限的。基于此，該文在已有研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)光子晶體中的一維光子晶體進(jìn)行了實(shí)踐研究，相對(duì)于其他高維晶體來(lái)說(shuō)，一維晶體的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其理論較為簡(jiǎn)單，同時(shí)結(jié)構(gòu)也沒(méi)有高緯晶體復(fù)雜，整體實(shí)踐操作沒(méi)有技術(shù)方面的難度。同時(shí)，其性質(zhì)還具備二維和三維光子晶體性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，即特定波能夠全方向反射，也正是由于這一特性，使得一維光子晶體得到科研工作者的青睞。

當(dāng)前，關(guān)于光電子晶體在高校太陽(yáng)能電池反射器中的應(yīng)用，學(xué)者們提出了較多的使用方法，該文所提出的新的理論設(shè)計(jì)方法也正是基于這些理論的基礎(chǔ)之上的。即將多個(gè)一維光子晶體組合一起，在頻域上進(jìn)行疊加形成一個(gè)合成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)，從而展寬了全方向反射帶。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧輝東，沈宏君，呂冬妮，等.基于光子晶體的高效太陽(yáng)能電池反射器的研究[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（3）：1-5.

[2] 武振華，李思敏，張文濤，等.一維和雙層二維光子晶體太陽(yáng)能電池背反射器[J].光子學(xué)報(bào)，2016，45（2）：165-169.

[3] 鄧立兒，鞏蕾.一維三元異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體反射特性[J].光子學(xué)報(bào)，2016，45（5）：38-42.