太阳能电池陷光结构研究 曹良丹.doc

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中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号:113526 太阳能电池陷光结构研究 曹良丹 杨果 帅永 谈和平 (哈尔滨工业大学,能源科学与工程学456信箱,哈尔滨 150001) (Tel:0451Email:angelcld@126.com) 摘要:本文在分析不同微结构、电池厚度对太阳能电池光损失影响基础上,研究新的电池陷光结构,不仅关注电池前表面的反射特性,也分析了光在电池内的光程问题。采用常用的电磁学数值计算方法FDTD,通过加载不同的光源电磁波,对电磁波频域进行求解的同时得到计算域内时域场,进而计算得到太阳能电池陷光结构的辐射特性,并对多种光栅在不同波源下的储能曲线进行分析,更全面的揭示电池陷光结构的光捕获能力,提出太阳能电池的最佳陷光结构。 关键词:反射率;陷光结构;太阳能电池;量子效率 1.引言 太阳能电池是把光能转换为电能的光电子器件。它的光电转换效率定义为总输出功率与入射到太阳电池表面的太阳光总功率的比值,由于光电转换效应是在电池内部发生,因此太阳能电池对光的吸收特性直接影响其光电转换效率。太阳能电池的光损失主要受三方面影响:一、电池表面金属电极遮挡作用造成的光损失;二,电池前表面的反射损失,反射大小与电池光学参数有关,表面光滑的硅电池大约反射30%的太阳光;三,进入电池内部的光波由于无法被充分吸收而产生透射损失,透射损失大小与电池厚度及光波长有关。 当电池厚度减小时,因透射引起的光的损失将越来越大,特别是对长波光子的吸收将变得非常低,对于间接禁带的硅电池而言,透射损失将比直接禁带材料更大。从表1中可看出,随着太阳光谱波长增加,吸收系数逐渐降低,从而使完全吸收需要的硅层厚度越来越大,对波长为0.45μm的紫色光而言,硅层厚度只需2.1μm即可吸收99%的光波,而对波长1μm的红外光波,厚度需达到190μm以上。电池的厚度确定是一个非常重要的问题,电池厚度过高会增加半导体材料消耗,增加成本,厚度减小则要求材料必须具备良好的光学吸收特性,对于常规太阳能电池而言,要想对太阳光谱充分吸收,电池厚度必须大于光波穿透深度,如果以穿透深度作为电池的最小厚度,则大部分半导体材料制成的电池厚度都会很高。对于厚度仅在微米级别的薄膜电池,仅考虑其前表面反射特性,显然难以实现对太阳光谱的完全吸收,此时从光程设计出发,设计一种高效的陷光结构在降低前表面反射特性的同时能使光波在电池内部的光程尽量长将变得非常必要。 高效的陷光结构需要良好的减反射特性。图1中所示结构是一种典型的陷光结构,通过在硅表面加工锥形结构,可使入射光在电池表面发生多次反射,假设硅平面对光波的反射率为0.3,这种结构可实现二次反射,则硅的反射率可减小到0.09。另一方面,该种结构使垂直入射光以一定的角度进入电池,结合背面的反射,将大大增加光波在电池内部的光程长,而且经过背面反射的光波再次到达前表面时,会有很大的记录以全反射的角度透射到电池表层上。取硅的折射率3.5,则由全反射临界角公式: (1) 得到硅的全反射临界角为16.6°,只要经背面反射后的光波以大于临界角的角度碰撞电池前表面,就会因全反射而继续在电池内部传播,由于临界角较小,所以大部分的光子将被捕获。 表1 单晶硅中太阳光谱穿透深度[9] 光波 波长(μ m) 中心波长(μ m) 吸收系数(cm-1) 穿透深度(μ m) 紫外区 0.3725~0.4259 0.4 6.0e4 0.12 0.77 紫色光 0.425~0.4749 0.45 2.2e4 0.31 2.1 红外区 0.975~1.0249 1.0 2.4e2 29 190 图1 典型陷光结构示意图 在一些文献中,将以上结构增加太阳能电池陷光能力的原理称为娥眼效应(Moth eye effect)。在研究蛾眼结构的时候发现,类似于蛾眼睛的结构(图2)可以有效地起到降低表面反射的作用,将这种结构应用到电池减反射表面的研究中,通过一定的工艺对电池进行处理,即对电池表面微结构进行调整,不仅可以降低表面的反射率,而且还可以在电池的内部形成光陷阱以有效减少入射光损失,增加电池的短路电流和量子效率。这种表面微结构的减反射特性可以用微腔谐振效应来解释,电磁波在微腔中传播的过程中,被壁面反射的电磁波和入射电磁波相互叠加形成驻波,从而将电磁能量

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