等離激元微晶硅薄膜太陽電池的設(shè)計(jì)與模擬.pdf

1、開發(fā)低成本、高效率、高穩(wěn)定性的太陽電池是進(jìn)行大規(guī)模光伏發(fā)電的關(guān)鍵，相應(yīng)地，各種薄膜太陽電池和新概念太陽電池應(yīng)運(yùn)而生。由于微晶硅具有原材料豐富、清潔無毒以及良好的光照穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，是薄膜太陽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，利用近年來廣受關(guān)注的等離激元技術(shù)應(yīng)用于太陽電池陷光中，能有效增

2、強(qiáng)薄膜太陽電池光吸收。
　　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)生的等離激元來提高微晶硅薄膜電池光吸收。我們首先對等離激元技術(shù)的理論基礎(chǔ)和發(fā)展歷史作了簡要分析，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電池光吸收的影響，通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合電場強(qiáng)度分布，闡述電池光吸收增強(qiáng)的物理機(jī)理；接著研究了不同類型金屬納米顆粒交替分布對電池光吸收的影響，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R的變化更敏感，R過大或過小都使電池光吸收明顯降低。對于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%。對比Al和Ag兩種納米顆粒，Ag顆粒對電池的陷光效果更好，但Al顆粒性價(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于參考電池提高32.0%。考慮不同成分金屬納米顆粒對電池光吸收有不同的調(diào)控規(guī)律，將兩者交替分布，可使它們對電池光吸收的調(diào)控優(yōu)勢互補(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層中以改變顆粒周圍的介質(zhì)環(huán)境，可進(jìn)一步探究其對電池光吸收的調(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)太陽電池能調(diào)控μc-Si:H層在中長波段的陷光特性，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，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