基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构 - 物理学报.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 19 (2014) 198802 基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池 双重陷光结构设计与仿真 秦飞飞 张海明 王彩霞 郭聪 张晶晶 (天津工业大学理学院, 天津 300387) ( 2014 年3 月22 日收到; 2014 年5 月27 日收到修改稿) 本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO) 纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构, 利用 FDTD 软件仿真研究了AAO 纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响, 并对 AAO 结构参数进行了优化. 仿真结果表明, 表面AAO 最佳结构参数是周期440 nm, 厚度75 nm, 占空比0.5, 底部AAO 最佳结构参数是周期380 nm, 厚度90 nm, 占空比为0.75. 双重AAO 组合陷光结构可有效增加薄 膜硅太阳能电池在280—1100 nm 范围内的光吸收, 吸收相对增强可以达到74.44%. 关键词: 薄膜硅太阳能电池, 阳极氧化铝, 陷光结构, 时域有限差分法 PACS: 88.40.–j, 78.20.Bh, 72.40.+w, 42.70.–a DOI: 10.7498/aps.63.198802 艺复杂, 条件苛刻、成本高, 而叠层光栅等底部陷光 1 引 言 结构的制备一般要涉及到刻蚀或平版印刷等工艺, 这使得常见陷光结构不能得到广泛的应用. 薄膜硅太阳能电池以其用料少、成本低的特点 而备受人们青睐. 但是与晶体硅电池相比, 薄膜硅 太阳能电池面临着光电转化效率较低的难题. 一方 AAO ITO 面由于表面反射的存在, 如果没有减反结构, 30% 以上的光将损失掉1−4 . 另一方面随着Si 吸收层 c-Si 厚度的减少, Si 材料对光的吸收也会减少. 例如当 厚度从1 mm 减少到10 m 时, c-Si 对光吸收的极 Ag 限波长将从1108 nm 减少到800 nm 5 , 这使得大 图1 (网刊彩色) 表面和底部都带有AAO 纳米光栅的太 67 阳能电池结构示意图 量的光在没有被吸收之前就溢出了 . 为此, 人 们提出了各种不同的方法来提高薄膜硅太阳能电 阳极氧化铝(anodic aluminum oxide, AAO) 池的光电转换效率. 其中表面制绒、纳米线、刻录表 21 模板最早是由Masuda 首先报道制备的 . 由于 面光栅、利用表面等离子体效应、制造多层耦合结 具有独特的周期性多孔结构和相对简单的制备条 构8−13 等是常见的表面陷光方法. 而由布拉格反 件22 , AAO 被广泛用于纳米材料微结构制备的模 射器(distributed bragg reflector, DBR) 或金属背 板或基底2324 . 但最近, AAO 作为光子晶体, 在 反射层和光栅构成的叠层光栅结构14−19 , 周期性 光学方面的应用研究越来越得到了人们的广泛研 20 的金属、绝缘层波导背反