薄膜電池表面結(jié)構(gòu)對(duì)光伏效率有何影響

　　近年來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境污染極大地促進(jìn)了光伏行業(yè)的發(fā)展。硅太陽(yáng)能電池來(lái)源廣泛，一直占據(jù)著太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。降低成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)。

　　薄膜太陽(yáng)能電池是第二代太陽(yáng)能電池，消耗原材料極少，通常厚度為1-2μm，但是硅對(duì)太陽(yáng)光充分吸收的光學(xué)厚度為180μm，所以薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)光的全部吸收，造成電池的光電轉(zhuǎn)換率較低。薄膜太陽(yáng)能電池因?yàn)槠渥陨砗穸鹊膯?wèn)題，并不適合表面織構(gòu)化，所以考慮在其表面應(yīng)用混合陷光結(jié)構(gòu)。

　　混合陷光結(jié)構(gòu)就是應(yīng)用正面陷光結(jié)構(gòu)和背面陷光結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的光吸收。電池正面的金屬顆粒會(huì)對(duì)光部分吸收，但電介質(zhì)顆粒因?yàn)槲障禂?shù)很小，所以對(duì)光的吸收很弱，幾乎可以忽略；背面的金屬顆粒比電介質(zhì)顆粒的散射效果要好，所以在電池正面用電介質(zhì)顆粒做陷光結(jié)構(gòu)，背面用金屬顆粒做陷光結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別優(yōu)化正面電介質(zhì)顆粒和背面銀顆粒的占空比來(lái)得到最優(yōu)的混合陷光結(jié)構(gòu)。

　　1、分析

　　圖1所示的是薄膜硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。電池正面是半徑半球形TiO2顆粒，前電極是ITO導(dǎo)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(yáng)光從正面入射，波長(zhǎng)范圍是400-1100nm。

　　圖3所示的是各種不同陷光結(jié)構(gòu)的電池相對(duì)無(wú)陷光結(jié)構(gòu)的電池的吸收增強(qiáng)比率，可以明顯看出各種不同陷光結(jié)構(gòu)的電池針對(duì)參考電池的吸收增強(qiáng)的波長(zhǎng)范圍。圖4為各種不同陷光結(jié)構(gòu)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(duì)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(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于（a）（c）電池的吸收，從而增強(qiáng)了吸收層對(duì)短波段光的吸收。對(duì)于長(zhǎng)波段的光，1μm的硅吸收層不足以去部吸收，部分會(huì)透射出電池。TiO2顆粒相對(duì)于長(zhǎng)波段來(lái)說(shuō)，相當(dāng)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(guò)電池的光反射會(huì)吸收層，從而增強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)波段光的吸收。

　　如圖（g）（h）所示的就是金屬銀顆粒對(duì)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(méi)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(chǎng)圖中可以看出：TiO2顆粒因?yàn)樯⑸淇梢孕纬梢环N電介質(zhì)光柵降低光的反射；而金屬銀顆粒因?yàn)樯⑸洳粌H可以形成一種金屬光柵，而且表面的等離子體的近場(chǎng)增強(qiáng)作用在銀顆粒邊緣仍然有效。

　　2、結(jié)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(zhì)顆粒不同，但是短路電流密度的變化趨勢(shì)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(shí)，短路電流密度會(huì)隨著半徑的增大而減小。

　　3、結(jié)論

　　陷光結(jié)構(gòu)對(duì)于薄膜硅太陽(yáng)能電池的光吸收作用有很明顯的增強(qiáng)。光在介質(zhì)中主要是以輻射模式和導(dǎo)波模式傳播。輻射模式中光波壽命很短，在介質(zhì)中傳播的距離有限；而導(dǎo)波模式中光波壽命很長(zhǎng)，可以在介質(zhì)中傳播很長(zhǎng)的距離，可以使介質(zhì)充分吸收光。

　　光入射到平板波導(dǎo)時(shí)不會(huì)形成導(dǎo)波模式。入射光只有在被散射后才能使其傳播角度大于介質(zhì)與空氣的全反射角，才可能耦合成導(dǎo)波模式。陷光結(jié)構(gòu)就是在散射光的同時(shí)將入射光耦合成導(dǎo)波模式，增加光在吸收層的光學(xué)路徑，增強(qiáng)光的吸收。

　　導(dǎo)波模式可以和平面波耦合，形成導(dǎo)波共振，對(duì)應(yīng)電池光譜響應(yīng)曲線上的一個(gè)吸收峰。改變陷光結(jié)構(gòu)的周期和占空比可以增加導(dǎo)波模式的數(shù)量，增加電池光譜響應(yīng)曲線上的吸收峰。，增強(qiáng)寬光譜的光吸收。