硅基薄膜太阳能电池界面微纳结构设计及光电性能分析

发布时间：2020-06-09 11:47

【摘要】：太阳能电池是一种将光能转换成电能的半导体光电子器件,由于光能来源的广泛,太阳能电池被世界各国所重视。目前,硅基材料在半导体工业中被大量使用,而且地壳中硅的含量高达25%左右,所以硅基太阳能电池在光伏行业中有着举足轻重的地位。但由于晶体硅高昂的制备成本,如何在大幅减少硅基材料厚度的情况下,仍然保证硅基薄膜太阳能电池(Thin Film Solar Cell,TFSC)具有较为可观的光吸收效率和光生载流子收集效率是目前亟待解决的两大难题。随着微纳制造技术的发展,在微纳尺度上的结构设计为提升硅基薄膜太阳能电池的光电性能提供了一种可行的方法。根据光波导耦合理论、亚波长尺度下的几何平均介质理论以及肖克莱-莱德-霍尔复合理论等,本文设计了硅基薄膜太阳能电池的四种界面微纳结构。利用时域有限差分方法(FDTD)和有限元法(FEM),理论上计算了所设计的界面微纳结构太阳能电池的光吸收效率和相关的输出性能参数。通过对所设计的界面微纳结构参数的扫描优化,确定了输出性能参数提升的幅度。根据光波导理论、几何光学知识以及电磁场空间分布的特点等,探讨了所设计的界面微纳结构提高硅基薄膜太阳电池的光吸收效率和载流子收集效率的相关机理。本文的研究为研发高性能的硅基薄膜太阳能电池提供了相关的理论基础和科学依据。主要研究工作和成果总结如下:1)将晶硅薄膜太阳能电池的底层Ag光栅设计成由具有高度差Δh的双层Ag栅条组成的微纳光栅结构。利用FDTD数值计算方法,研究了Ag栅条高度差Δh对晶硅薄膜太阳能电池光吸收效率以及光生电流密度J_(ph)所产生的影响。利用FEM方法,对太阳能电池中的半导体部分进行光电耦合计算,得出所设计的双层Ag栅条结构晶硅薄膜太阳能电池的性能参数。研究表明:双层Ag栅条微纳结构能有效提高晶硅薄膜太阳能电池的光吸收效率。2)根据光波导理论,在晶硅层的在晶硅层的底部设计了由交替排列的Ag栅条和AZO栅条共同组成的混合光栅(Hybrid Grating,HG)结构。利用FDTD方法计算了这种微纳光栅的光吸收效率增强谱,并与理论计算的光波导模式的色散图进行了对比分析。将底层混合光栅结构应用到共形双层光栅晶硅薄膜太阳能电池中,并对光吸收效率和输出性能参数进行了研究分析。研究表明:底层混合光栅结构能在长波段有效提升晶硅薄膜太阳能电池的光吸收效率。3)根据亚波长尺度下的几何介质理论,在晶硅层和AZO覆层的界面处设计了亚波长尺度的界面光子晶体(Interface Photonic Crystal,IPC)结构。利用光在两种介质界面的反射率及透射率的公式推导出T_(in)=T_1?T_2的透射率近似计算公式,并依据该公式和几何平均介电常数公式计算出了IPC结构的尺寸长度。通过FDTD数值计算,发现IPC结构能有效地提高晶硅层对段波段(300 nm 600 nm)入射光的吸收。通过FEM数值计算发现:加上IPC结构后能有效提高晶硅薄膜太阳能电池的输出性能参数。4)对200 nm厚度的非晶硅薄膜太阳能电池的非晶硅层中光生载流子的空间分布进行了研究,发现近36%的光生载流子集中在非晶硅层顶部和底部约20 nm厚度的重掺杂区域中。根据光生载流子在本征非晶硅区域中的复合率要远低于在重掺杂非晶硅区域的结论,设计了间断掺杂(Internal Doping,ID)结构的非晶硅薄膜太阳能电池。通过对光生载流子分布的研究,发现间断掺杂结构将原来顶部和底部20 nm厚重掺杂区域中一半以上的光生载流子转移到了本征非晶硅区域中。其中,顶部栅条结构的“光聚焦”效应起到了增加非晶硅层中光生载流子占比的作用。根据非晶硅层中悬挂键缺陷和带尾态缺陷的分布曲线,建立了由这两种缺陷构成的复合中心所导致的光生载流子的SHR复合模型。通过对间断掺杂结构非晶硅薄膜太阳能电池的载流子收集效率的研究,发现间断掺杂方法能有效提高非晶硅薄膜太阳能电池的电学内量子效率。
【图文】：

光吸收系数

图 1.1 晶硅的光吸收系数[16]Fig 1.1 Optical absorbance of c-Si[16]次穿过介质的光线来说，光吸收效率遵守 Beer-Lambert 定( )( ) 1 elA .1 可以看出，对于波长 λ = 1100 nm 的光来说，吸收系数系数带入公式(1.1)中可得：ln[1 (1100)](1100)(1100)Al 1100 nm 波长的光的吸收效率达到 99%的近完全吸收的程1100)≥13200 m。同理，要使 800nm 波长的光能近乎完全度 l(1100) ≥ 52 m。lonovitch证明在几何光学尺度下，表面随机分布的纹理能将增加为单次穿越光程的4n2倍[31]，其中n为吸收层介质晶硅学角度来说，对于入射进入介质晶硅的光只需264 μm的厚

贵金属,薄膜太阳能电池,光吸收,等离子

图 1.2 利用贵金属的等离子谐振增加薄膜太阳能电池光吸收的四种机制[11,46]：(a)贵金属粒的后向散射；(b)贵金属颗粒的 LSPR；(c)贵金属光栅的 SPP；(d)贵金属的热电子效应。Fig 1.2 Nobel metal particle’s four plasmonic mechanisms to improve thin film solar cell’s opticabsorption efficiency[11,46]: (a) nobel metal particle’s backward scattering; (b) nobel metal particlelocal surface plasmonic resonance; (c) nobel metal grating’s surface plasmon polaritons; (d) nobmetal’s hot electron effect近几年，，随着 plasmonics 学科的兴起[36]，研究人员将 plasmonics 方法也用膜太阳能电池减反与陷光的研究中[37-45]。这些方法主要用到的机理有以下四种1) 贵金属纳米颗粒的后向散射（如图 1.2(a)所示）；2) 贵金属纳米颗粒的局域表面等离子谐振（Local surface plasmonic resonanSPR）（如图 1.2(b)所示）；3) 贵金属与介质界面的表面等离子体激元模式（Surface plasmon polariton, SP如图 1.2(c)所示）；4) 贵金属纳米颗粒激发的热电子[46]（如图 1.2(d)所示）。但这四种方法都无法避免贵金属本身对光的寄生吸收[33]，而在长波段（800
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.42

【参考文献】