硅薄膜電池前電極TCO陷光結(jié)構(gòu)模擬分析*

趙雙樂，朱曉磊

(天津科技大學(xué)，天津 300222)

硅薄膜電池前電極TCO陷光結(jié)構(gòu)模擬分析*

趙雙樂，朱曉磊

(天津科技大學(xué)，天津 300222)

硅基薄膜電池以其優(yōu)異性能得到了廣泛研究和應(yīng)用，但還存在轉(zhuǎn)化效率低和光致衰退現(xiàn)象等缺點(diǎn)。為了解決這些問題，研究者在電池中引入了透明導(dǎo)電薄膜層(TCO)。前電極的TCO可以起到增透作用，背電極的TCO則起到了增加反射作用，此外，在TCO表面刻出織構(gòu)形貌還起到陷光的作用，增加光程，提高吸收效率。本文建立了含有TCO層的硅基薄膜電池模型，利用有限時(shí)域差分(FDTD)方法，模擬了不同陷光結(jié)構(gòu)下，光在各電池中的能量密度及其陷光性能。仿真結(jié)果顯示，三角形TCO層電場(chǎng)強(qiáng)度更高，說明該結(jié)構(gòu)增加了電池中的光程，提高了電池的轉(zhuǎn)化吸收次數(shù)和效率，為電池的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

硅基薄膜電池；陷光結(jié)構(gòu)；時(shí)域有限差分方法；透明導(dǎo)電薄膜

光伏電池中，非晶硅(a-Si)太陽能電池具有很多優(yōu)勢(shì)，地殼里含有大量的硅元素，原料豐富且容易獲取，更重要的是硅具有無毒性，成品無需任何防護(hù)即可直接使用，十分安全[1]，雖然其已經(jīng)有很多的研究成果，但還是一直受到研究者的關(guān)注。目前，非晶硅太陽能電池使用中遇到的主要問題是光致衰退現(xiàn)象，而陷光結(jié)構(gòu)可以有效解決該問題，確定電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化電池性能是提高非晶硅太陽能電池性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

利用OptiFDTD軟件建立pin結(jié)構(gòu)的a-Si電池模型，對(duì)硅基薄膜太陽能電池中透明導(dǎo)電氧化物薄膜進(jìn)行了光學(xué)模擬設(shè)計(jì)，在前電極刻蝕出不同形貌的陷光結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了模擬計(jì)算和對(duì)比，數(shù)據(jù)分析，完善了對(duì)入射光的管理，提高了入射光在電池內(nèi)部的散射和折射，從而提高了光程，增大了電池轉(zhuǎn)換效率和短路電流密度。同時(shí)，找出了模擬最優(yōu)化參數(shù)的方案，為提高硅基薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提供了依據(jù)。

1 模型建立

a-Si太陽能電池基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)為glass/TCO/pin/Ag，其中pin結(jié)構(gòu)為100 nm，Ag反射層為100 nm，其中TCO采用ZnO薄膜，寬度為3 um，TCO層折射率是n1=2，Ag背反射層n3=1.5，x軸采用PML邊界條件，z軸采用PBC邊界條件。當(dāng)增透膜的厚度為介質(zhì)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，增透(即減反效果)最好，這里選取20、40、60、80和100 nm 5個(gè)厚度來做比較。

圖1 具有陷光結(jié)構(gòu)的電池

本文Si層采用Lorentz-Drude模型，該模型為經(jīng)典自由電子氣體模型。該模型對(duì)解釋材料的色散等光學(xué)特性上取得了一定的成就。這里的Si介質(zhì)各向同性。

該模型可用下述方程表示：

(1)

式中，εr∞是介質(zhì)無窮大時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)Si取值為5.966 F/m；Gm是第m項(xiàng)的共振強(qiáng)度；Γm是第m個(gè)振子的阻尼系數(shù)；ωm是共振頻率；Ωm是電漿頻率。

改善硅基薄膜電池效率可以通過下述2種方法實(shí)現(xiàn)：1)提高外部量子效率，如在前電極增加透射膜，背電極增加反射膜，或者引入陷光結(jié)構(gòu)，提高光在電池中的光程，使光被硅吸收層二次吸收等；2)提高內(nèi)部量子效率，例如異質(zhì)結(jié)硅基薄膜電池就是為了增加長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的吸收，從而提高電池效率。

硅基薄膜電池吸收450 nm短波長(zhǎng)光只需2.1 um的硅層，而對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)光，例如1 000 nm，則需要190 um以上的硅層。電池厚度過高會(huì)增加材料消耗和成本，并且由于多晶硅本身缺陷增多，易引起光致衰退現(xiàn)象，而設(shè)計(jì)一種合理的陷光結(jié)構(gòu)可以減少薄膜厚度，增加光在電池內(nèi)部的光程，同時(shí)還起到增透減反射的作用，有利于提高太陽電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。

光源選用TE平面橫電波，單位面積受到的光強(qiáng)度為1 000 W/m，波長(zhǎng)為300～1 000 nm(299.8～999.3 THz)。為了比較不同形貌陷光結(jié)構(gòu)的作用，這里模擬了無陷光結(jié)構(gòu)電池以及陷光結(jié)構(gòu)是三角形和矩形的電池。本文把圖1a所示結(jié)構(gòu)的電池設(shè)為參考電池。

2 觀察線

為了便于統(tǒng)計(jì)模型的吸收效率，在有源層上、下頂層分別設(shè)置2條觀察線，這2條觀察線可以模擬計(jì)算得到有源層上、下兩側(cè)光的能流密度，計(jì)算能流差可以確定太陽能電池對(duì)光的吸收效果。模型的觀察線如圖2所示。

圖2 模型的觀察線(圖中虛線)

3 模擬分析

FDTD方法的求解結(jié)果可以通過2種方法進(jìn)行分析，一種是使用觀察線，有源層兩側(cè)觀察線的能量密度相減可以得出電池的能流差，分析能流差確定電池的轉(zhuǎn)換效果；另一種是觀察電池內(nèi)部?jī)?chǔ)能情況，通過對(duì)儲(chǔ)能圖的分析，研究電池陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。

電池內(nèi)儲(chǔ)存的電磁場(chǎng)能量可以表示為電場(chǎng)能量密度和磁場(chǎng)密度之和：

式中，we是電場(chǎng)能量密度；wm是磁場(chǎng)能量密度。

w=εE2

(3)

能量密度公式在電池內(nèi)部空間進(jìn)行積分可得電池內(nèi)儲(chǔ)存的電磁能量：

(4)

電池內(nèi)部?jī)?chǔ)能情況可由電場(chǎng)強(qiáng)度E表示，通過分析電池內(nèi)部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)圖可以分析出陷光結(jié)構(gòu)的電池性能[2]。

為了便于分析，對(duì)該模型作了如下假設(shè)[3-5]：1)玻璃透光率非常高，不失正確性的假設(shè)光線在這層中無損失；2)把TCO層及反射層作為單層介質(zhì)薄膜模型。

TCO層的厚度和光源波長(zhǎng)有關(guān)，從圖3可以看出，隨著TCO層厚度增加，長(zhǎng)波光強(qiáng)增加，本文選取TCO層厚度為40 nm。

圖3 不同厚度TCO下O2觀察線統(tǒng)計(jì)的能流密度

矩形陷光結(jié)構(gòu)類似于光柵，包含3個(gè)參數(shù)，周期P、占空比d和高度H，模型的周期為100～200 nm，高度為50～120 nm。周期100 nm，占空比50%，不同高度下的電池內(nèi)部能流密度圖像如圖4 所示，光源波長(zhǎng)為300～900 nm[6-7]。

圖4 電池內(nèi)部能流密度圖像

從圖4可以看出，矩形陷光結(jié)構(gòu)類似于光柵，隨著高度H的增加，光能越來越集中于光柵淺層，淺層光強(qiáng)逐漸變大，這有利于表面對(duì)短波的吸收，但卻不利于長(zhǎng)波長(zhǎng)光的吸收。

周期分別為100和200 nm，高度為50 nm條件下，電池內(nèi)能量轉(zhuǎn)化效率隨占空比的變化情況如圖5 所示。

圖5 電池內(nèi)能量轉(zhuǎn)化效率隨占空比的變化情況

電池內(nèi)能量轉(zhuǎn)化效率為(O2-O1)/O2，其中，O1、O2是在該觀察線處得到的能流密度。分析可知，矩形陷光結(jié)構(gòu)可以采用周期為200 nm，占空比為70%，高度為50 nm的結(jié)構(gòu)。

三角形陷光結(jié)構(gòu)由高度H和寬度W等2個(gè)參數(shù)決定，高度H取值為50～100 nm，寬度W取值為100～200 nm。從圖6可以看出，高度為100 nm，寬度為100 nm的三角形陷光結(jié)構(gòu)在有源層有最大的能量。

圖6 不同寬度和不同高度下O1觀察線得出的能流密度

圖7所示為3種陷光結(jié)構(gòu)在切面x=0.49，z=0的Ey場(chǎng)強(qiáng)分步，其中，1為無陷光，2為矩形陷光，3為三角陷光結(jié)構(gòu)。

圖7 3種陷光結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比

圖7對(duì)比了3種結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)，其中矩形陷光結(jié)構(gòu)采用周期P為200 nm，占空比d為70%，高度H為50 nm，三角形采用寬度W為100 nm，高度H為100 nm的陷光結(jié)構(gòu)。從圖7可以看出，三角形陷光結(jié)構(gòu)有著更好的場(chǎng)強(qiáng)分布，說明這種結(jié)構(gòu)起到的陷光作用更好。

4 結(jié)語

通過FDTD方法可以直觀地設(shè)計(jì)并模擬出很多復(fù)雜形狀的陷光結(jié)構(gòu)，同時(shí)模擬計(jì)算得出的場(chǎng)強(qiáng)分布比較精確，經(jīng)過對(duì)結(jié)果的分析和比較有助于太陽能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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*天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(20120719)

責(zé)任編輯李思文

SimulationandAnalysisofLightTrappingStructurefortheFrontElectrodeTCOofSiliconbasedThin-filmCells

ZHAO Shuangle, ZHU Xiaolei

(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China)

Silicon thin-film batteries have been widely researched and used for its advantages, but they also have many faults like low conversion efficiency, staebler-wroski effect and so on. In order to solve these problems, the researchers import transparent conductive oxide (TCO) film in the electrode layer. The effect of TCO in the top electrode can reduce reflection effect, and the back electrode has increased transmission effect, the surface of TCO also can be carved by trapping structure which also plays a role in light. The paper establishes a silicon-based thin-film batteries containing TCO layer model by using limited finite difference time domain (FDTD) method. The simulation is under different TCO morphology, light energy density in each cell and its optical properties. The simulation results shows that the triangular TCO layer of electric field intensity is higher, and illustrates that this structure is better in increasing the optical path of the battery, improving the absorption frequency and efficiency of the battery, which provids a basis for the further optimization of the battery.

thin film silicon solar cell, light trapping structure, FDTD, TCO

TK 124

：A

趙雙樂(1985-)，男，碩士，助教，主要從事光電子器件等方面的研究。

2015-03-21