薄膜電池表面結構對光伏效率有何影響

近年來，能源危機和環境污染極大地促使了光伏行業的發展。硅太陽能電池來源廣泛，一直占據著太陽能電池市場的主導地位。降低成本和提高光電轉換效率是太陽能電池研究的重點。

薄膜太陽能電池是第二代太陽能電池，消耗原材料極少，通常厚度為1-2μm，但是硅對太陽光充足吸收的光學厚度為180μm，所以薄膜太陽能電池的吸收層并不能實現對光的全部吸收，造成電池的光電轉換率較低。薄膜太陽能電池因為其自身厚度的問題，并不適合表面織構化，所以考慮在其表面使用混合陷光結構。

混合陷光結構就是使用正面陷光結構和背面陷光結構相結合的方式加強太陽能電池的光吸收。電池正面的金屬顆粒會對光部分吸收，但電介質顆粒因為吸收系數很小，所以對光的吸收很弱，幾乎可以忽略；背面的金屬顆粒比電介質顆粒的散射效果要好，所以在電池正面用電介質顆粒做陷光結構，背面用金屬顆粒做陷光結構，通過分別優化正面電介質顆粒和背面銀顆粒的占空比來得到最優的混合陷光結構。

1、分解

圖1所示的是薄膜硅太陽能電池的結構示意圖。電池正面是半徑半球形TiO2顆粒，前電極是ITO導電層，吸收層是單晶硅，電池背面是鑲嵌著半球形銀顆粒的ZnO：Al背電極和一層銀反射鏡。太陽光從正面入射，波長范圍是400-1100nm。

圖3所示的是各種不同陷光結構的電池相對無陷光結構的電池的吸收加強比率，可以分明看出各種不同陷光結構的電池針對參考電池的吸收加強的波長范圍。圖4為各種不同陷光結構電池的短路電流密度（Jsc）圖。StructureⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ電池的Jsc值分別為13.0mA/cm2，14.5mA/cm2，15.2mA/cm2，15.5mA/cm2。相對于參考電池（StructureⅠ），其他電池的電路電流密度的增加量分別是1.5mA/cm2，2.2mA/cm2，2.5mA/cm2。

但是，TiO2顆粒的強散射作用可以使入射光深入到吸收層表面以下300nm的地方，遠遠大于（a）（c）電池的吸收，從而加強了吸收層對短波段光的吸收。對于長波段的光，1μm的硅吸收層不足以去部吸收，部分會透射出電池。TiO2顆粒相對于長波段來說，相當于一層油折射率的薄膜，不影響光的傳播。金屬銀顆粒能將透射過電池的光反射會吸收層，從而加強對長波段光的吸收。

如圖（g）（h）所示的就是金屬銀顆粒對透射光的反射作用，形成了一種周期性的布洛赫衍射振蕩圖像。圖（e）（f）所示的是背面沒有金屬銀顆粒的電池，其圖像是典型的法布里帕羅振蕩。

從電場圖中可以看出：TiO2顆粒因為散射可以形成一種電介質光柵降低光的反射；而金屬銀顆粒因為散射不僅可以形成一種金屬光柵，而且表面的等離子體的近場加強作用在銀顆粒邊緣依然有效。

2、結果與討論

圖6所示的是TiO2、SiO2和Si3N4顆粒電池的短路電流密度隨顆粒半徑變化示意圖。從圖中可以看出，雖然電池正面電介質顆粒不同，但是短路電流密度的變化趨勢類似。短路電流密度隨著顆粒半徑的增大而增大，而半徑增大到一定程度時，短路電流密度會隨著半徑的增大而減小。

3、結論

陷光結構對于薄膜硅太陽能電池的光吸收作用有很分明的加強。光在介質中主要是以輻射模式和導波模式傳播。輻射模式中光波壽命很短，在介質中傳播的距離有限；而導波模式中光波壽命很長，可以在介質中傳播很長的距離，可以使介質充足吸收光。

光入射到平板波導時不會形成導波模式。入射光惟有在被散射后才能使其傳播角度大于介質與空氣的全反射角，才可能耦合成導波模式。陷光結構就是在散射光的同時將入射光耦合成導波模式，增加光在吸收層的光學路徑，加強光的吸收。

導波模式可以和平面波耦合，形成導波共振，對應電池光譜應和曲線上的一個吸收峰。改變陷光結構的周期和占空比可以增加導波模式的數量，增加電池光譜應和曲線上的吸收峰。，加強寬光譜的光吸收。

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