等離激元微晶硅薄膜太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)與模擬.pdf

1、開(kāi)發(fā)低成本、高效率、高穩(wěn)定性的太陽(yáng)電池是進(jìn)行大規(guī)模光伏發(fā)電的關(guān)鍵，相應(yīng)地，各種薄膜太陽(yáng)電池和新概念太陽(yáng)電池應(yīng)運(yùn)而生。由于微晶硅具有原材料豐富、清潔無(wú)毒以及良好的光照穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，是薄膜太陽(yáng)電池較為理想的吸收層材料。然而，微晶硅屬于間接帶隙半導(dǎo)體，光吸收系數(shù)較低，這很大程度上限制了電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。在微晶硅薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)展中，有必要尋找新的方法提高電池光吸收，利用近年來(lái)廣受關(guān)注的等離激元技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)電池陷光中，能有效增

2、強(qiáng)薄膜太陽(yáng)電池光吸收。
　　本學(xué)位論文采用基于有限元的數(shù)值模擬方法，利用金屬納米顆粒產(chǎn)生的等離激元來(lái)提高微晶硅薄膜電池光吸收。我們首先對(duì)等離激元技術(shù)的理論基礎(chǔ)和發(fā)展歷史作了簡(jiǎn)要分析，然后建立三維數(shù)值模型，模擬了微晶硅薄膜電池前表面周期性分布的金屬納米顆粒陣列對(duì)電池光吸收的影響，通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合電場(chǎng)強(qiáng)度分布，闡述電池光吸收增強(qiáng)的物理機(jī)理；接著研究了不同類(lèi)型金屬納米顆粒交替分布對(duì)電池光吸收的影響，分析進(jìn)一步提高陷光效果的有效

3、途徑；最后結(jié)合近年來(lái)其它光伏器件的最新研究成果，設(shè)計(jì)了新型陷光結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，拓寬電池陷光效果。在研究中得到了如下主要結(jié)論：
　　1.電池前表面顆粒周期分布時(shí)，顆粒的表面覆蓋度是影響電池光吸收的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)Al納米球陣列的周期半徑比P/R=4—5時(shí)，電池總的光吸收較參考電池提高均在18％以上，這主要來(lái)自于顆粒偶極振蕩模和電池波導(dǎo)模的貢獻(xiàn)。與球狀顆粒相比，優(yōu)化后的Al納米半球陣列可獲得更好的陷光效果，總的光吸收提高比可達(dá)24.5%，但

4、后者對(duì)R的變化更敏感，R過(guò)大或過(guò)小都使電池光吸收明顯降低。對(duì)于Ag納米球陣列，因?yàn)槠溆懈鼉?yōu)越的等離激元效應(yīng)，可使電池總的光吸收提高比在R=110nm，P=500nm時(shí)達(dá)到26.4%。對(duì)比Al和Ag兩種納米顆粒，Ag顆粒對(duì)電池的陷光效果更好，但Al顆粒性?xún)r(jià)比更高，因此在應(yīng)用中需根據(jù)實(shí)際情況選擇一種最優(yōu)材料。
　　2.在微晶硅薄膜電池前表面寬光譜陷光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將不同尺寸或不同成分金屬納米顆粒陣列交替分布，能有效增強(qiáng)電池陷光效果。當(dāng)不

5、同尺寸的Al或Ag納米球陣列交替分布時(shí)，電池在中長(zhǎng)波段的光子吸收率由大尺寸顆粒決定，而在短波區(qū)由于不同尺寸金屬顆粒的相互耦合使得電池光吸收有進(jìn)一步改善；其中對(duì)于顆粒半徑分別為85 nm和120nm交替分布的Ag納米球陣列，當(dāng)周期為700nm時(shí)，電池總的光吸收相對(duì)于參考電池提高32.0%?？紤]不同成分金屬納米顆粒對(duì)電池光吸收有不同的調(diào)控規(guī)律，將兩者交替分布，可使它們對(duì)電池光吸收的調(diào)控優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而拓寬電池光譜吸收范圍。金屬納米顆粒嵌入電池

6、前表面ITO層中以改變顆粒周?chē)慕橘|(zhì)環(huán)境，可進(jìn)一步探究其對(duì)電池光吸收的調(diào)控規(guī)律；其中當(dāng)半徑為100nm的Ag納米球嵌入厚度為70nm的ITO層中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化可使電池光吸收提高比達(dá)到50.1%。
　　3.背表面陷光結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池能調(diào)控μc-Si:H層在中長(zhǎng)波段的陷光特性，以改善電池在該波段光子吸收率較低的狀況。當(dāng)Al納米球陣列置于電池背表面時(shí)，隨著半徑R的增大，電池光吸收提高比先增大后減小，當(dāng)R為75—90nm，顆粒覆蓋度P/R取值為6

7、—7時(shí)，電池光吸收提高比在21%以上。背表面顆粒成分和形狀影響電池的陷光，其中半球和圓柱狀顆粒陣列的陷光效果優(yōu)于球狀顆粒；背表面為Ag、Au和Cu陷光結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的吸收譜特征很相似，其中Ag顆粒的陷光效果更好些。綜合以上陷光特性的優(yōu)勢(shì)，可設(shè)計(jì)復(fù)合陷光結(jié)構(gòu)電池，當(dāng)電池前表面Ag納米球陣列嵌入ITO層中，背表面Ag納米圓柱陣列置于ITO層內(nèi)時(shí)，電池光子吸收率在短波區(qū)和長(zhǎng)波區(qū)均增幅明顯，其總的光吸收提高比達(dá)67.4%，如果繼續(xù)優(yōu)化顆粒的形狀尺