金属光栅用于增强非晶硅薄膜太阳能电池光吸收率研究

李洪敬

（南京晓庄学院 教师教育学院，江苏 南京211171）

引言

近年来太阳能的利用成为能源产业中最受瞩目的一项，如今越来越多的研究团队专注于太阳能电池的开发研究，其中最主要的技术包含硅晶太阳能电池、薄膜太阳能电池、III-V太阳能电池与染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell，DSSC）等。目前太阳能电池光电转换效率大约在20%左右，如何充分利用太阳能，提高电池效率是急需解决的一个重大课题。而其中提高非晶硅对太阳光的吸收效率与缩减光电池设备的成本成为了人们研究的热点。提高非晶硅光电转换效率的主要机理是通过延长光子在非晶硅中的传播路径，以此增加光吸收效率。研究发现，介电光栅、光子晶体［1－6］等微米或纳米尺寸的介电结构可以用于提高非晶硅的光电转换效率。此外，适当地增加非晶硅的电磁场，可以有效地提高非晶硅的光吸收效率［7－11］。电介质结构由于其共振宽度非常狭窄，不能有效地增加非晶硅的电磁场，因此对非晶硅的光吸收效率作用不明显。而金属纳米结构由于其特殊的光学性能，能够产生明显增强非晶硅的光吸收效率。因此，我们可以利用表面等离子激元微结构增强非晶硅薄膜太阳能电池材料和器件的光吸收。

太阳能电池的光电效率转换是一个整体效应，影响太阳能电池效率的内部机制是十分复杂的，概括可分为光、电2种主要特性，光学性质与电学性质之间相互耦合且彼此关联。本论文主要选择以光学性质作为切入点［12－13］，希望透过增加光捕捉效应，来增加光子的吸收，提高光电转换效率。为了避免在薄膜太阳能电池使用贵金属纳米颗粒或薄膜而降低总体入射光子数，我们设计了一种新的太阳能电池结构，在吸收层下面引入金属光栅。此结构不仅可以避免贵金属纳米颗粒或薄膜的吸收而降低总体入射光子数，还可以提高大角度、宽波长范围的光吸收效率。使用严格耦合波理论数值计算结果显示，相对于传统的平板非晶硅薄膜太阳能电池，新结构对于400nm～1 000nm波长之间的太阳光的理论最大吸收增强因子可达40%。

1 薄膜太阳能电池的结构设计与数值计算

严格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis）［14］方法是利用Maxwell方程组和边界条件对具有周期性结构的光栅进行精确求解的一种方法。由于计算简单快捷，被广泛应用于各种周期性结构衍射体的电磁场衍射分析中，已成功准确地分析了亚波长量级全息光栅和浮雕光栅的衍射特性，同时它对于平面全息光栅、任意表面形状的电介质或金属表面浮雕光栅、多元全息光栅和二维光栅都适用。本文基于严格耦合波分析矢量衍射理论，设计了一种具有较大吸收增强因子的薄膜太阳能电池结构。假定入射到太阳电池表面的光为平面波，通过计算太阳光在电池上表面的反射率和下表面的透射率可以得到硅太阳电池对光子的吸收率。

所设计的二维薄膜太阳能电池的结构模型如图1所示。该结构由上到下可分为上表面电极（ITO导电膜）、吸收区（非晶硅，a-Si）、下表面电极，下表面电极和吸收区之间是一个周期为Λ、宽度为w的金光栅，光栅内可以填充合适的电介质材料来调节复合结构的光学响应，进而调节整个结构对太阳光的吸收。本文中，在光栅区域内填充ITO介质膜。

图1 用于增强吸收的太阳能电池基本结构Fig.1 Designed solar cell structure for enhancement of optical absorption

在数值计算和理论分析中，对于金属，它们的介电常数的色散和吸收是不能忽略的。金是最典型的Drude金属，它的介电常数可用Drude模型来很好地近似：

对于金，等离子体频率ħωp＝8.99eV，电子的弛豫时间ωpτ－1＝0.002 678［15］。ITO和非晶硅也被视为色散材料，介电函数参考文献［15］。入射光的波长变化范围为400nm～1 000nm。薄膜电池对光的总吸收表达式如下：

为了达到最大光吸收效率，要对结构的参数进行优化。主要讨论非晶硅厚度以及入射角度的变化对吸收的影响，以期设计出大角度、宽光谱吸收、无偏振依赖的太阳能电池结构。

入射角分别为0°、30°，固定Λ ＝350nm，w＝t＝50nm，t1＝20nm，t4＝100nm时，设计的太阳能电池的吸收随非晶硅厚度的变化关系显示在图2中。在满足Fabry-Perot共振条件时，此结构会出现强吸收。另外发现，入射角增大（图2（b））时，此结构的强吸收区域并没有减小，说明该结构能够实现大角度的光波吸收。入射角持续增大时，仍然可以得到相同的结果。

图2 吸收率随非晶硅厚度的变化关系Fig.2 Optical absorption spectrum calculated by RCWA with varied thickness of active region

下面我们考虑金属光栅宽度对吸收的影响。图3是2种结构对应的吸收率谱线随入射角的变化关系。2种结构对应的光栅的宽度分别为50nm和250nm。可以看出增加光栅宽度并不能显著增强吸收。但是可以发现2种结构在长波长区都有强烈的吸收，这意味着长波长光子能够被电池吸收，在电池体内的吸收路径得到延长，因此可以提高光电转换效率。

对于图3（a）对应的结构，同时计算了未放置金属光栅时的吸收率谱线作为参考值。使用吸收率增强因子来衡量薄膜太阳能电池的性能。增强因子定义为：放置金属光栅时的总吸收率值与未放置金属光栅时的总吸收率值的比值减1。

图3 吸收随入射角的变化关系Fig.3 Optical absorption spectrum calculated by RCWA with varied incident angle

当入射角度变化时，计算得到的增强因子变化曲线如图4所示。可以看出设计的结构即使在太阳光大角度入射时，仍然能够达到吸收增强，最大的吸收增强因子达到了40.5%。吸收增强主要是由于以下原因：1）Fabry-Perot共振。吸收区非晶硅厚度的变化会引起腔模共振，在满足Fabry－Perot条件时，出现强吸收，如图2所示；2）表面等离子激元的存在。当TM偏振光入射时，表面等离子激元被激发，MIM微腔结构可以把光局域在表面等离子激元结构中，由于此微腔模式的存在，吸收区可以吸收更多的光子；3）非晶硅平面波导。导波模受到很多因素影响，比如非晶硅的厚度、波导周期、入射光偏振，但是波导的宽度对导波模的影响不大，从图3可以得到验证。增加金属光栅可以改变微腔的有效厚度，不管入射光的偏振如何，通过调节周期性光栅结构都可以调节腔模共振，达到增强吸收太阳光谱的目的。为了验证这一点，使用TE偏振光入射，按照同样的方法计算吸收率增强因子，如图5所示，此时结构对应的参数同图3（b）一致。虽然TE偏振光在此结构中无法激发表面等离激元，但是由于加入周期性波导阵列后，非晶硅平面波导的导波模式被激发，仍然能够提高此结构对光子吸收，最高吸收增强因子接近16%。

图4 图3（a）结构对应的吸收增强因子随入射角度的变化关系，入射光波为TM偏振波Fig.4 Relationship between enhancement factor of optical absorption and incident angle with the same structure as in Fig.3（a）（incident wave is TM polarized）

图5 TE波入射时，吸收增强因子随入射角度的变化关系Fig.5 Relationship between enhancement factor of optical absorption and incident angle with the same structure as in Fig.3（b）（incident wave is TE polarizd）

2 结论

表面等离子激元是增强薄膜太阳能电池吸收的一种有效途径。表面等离子激元可以产生很强的近场增强效应，同时会增强散射截面值。吸收的大小正比于电场强度的大小，同时强的散射截面值保证了更多的光子被吸收区吸收，显著地增强了吸收长度，使光子在太阳能电池中的滞留时间与平均光子路径增强，以达到吸收效率的提升。但是表面等离子激元只可以在TM偏振光入射情形下才可以被激发，而太阳光为非偏振光，我们设计了一种可以提高总体吸收的太阳能电池结构。在吸收区和下表面电极之间添加光栅结构，当TM偏振光入射，由于微腔模式的存在，可以把更多的光局域在表面等离子激元结构中，导致吸收区可以吸收更多的光子，吸收增强因子最高超过40%。在TE偏振光入射时，虽然没有表面等离激元的近场增强效应的帮助，但是由于非晶硅平面波导模式的激发，仍然能够导致强的电磁场分布，吸收增强因子最高可达16%。

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