雙光柵太陽能電池研究

江達飛

摘 要：針對現(xiàn)有太陽能電池板吸收層厚度較薄，吸收波長與帶隙接近的光子能力較弱的問題，本文提出了一種雙光柵太陽能電池結(jié)構(gòu)，并使用RSOFT軟件的CAD模塊建立了由MATLAB模擬優(yōu)化后得到的多晶硅薄膜太陽能電池模型，最后計算了轉(zhuǎn)換效率，驗證了利用雙光柵可以顯著提高單晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和短路電流的能力。

關(guān)鍵詞：太陽能電池;光柵;轉(zhuǎn)換效率

中圖分類號：TM914.42文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0109-03

Abstract： Aiming at the problem that thickness of the absorption layer of the existing solar cell panel was thin， and the ability to absorb photons with a wavelength close to the band gap was weak， a double-grating solar cell structure was proposed. The model of polycrystalline silicon thin film solar cell was established by using the CAD module of Rsoft software， and the conversion efficiency was calculated. It was verified that the conversion efficiency and short-circuit current of monocrystalline silicon thin film solar cell could be significantly improved by using double gratings.

Keywords： solar cell;grating;conversion efficiency

1 研究背景

目前大部分太陽能電池都是由硅材料制備。因為硅是地球上極為常見的一種元素，常常是以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在于巖石、砂土之中，是地殼中僅次于氧元素第二豐富的元素，所以用硅材料制備太陽能電池成本比較低，有利于將來商業(yè)化發(fā)展[1-2]。以硅材料為基礎(chǔ)制備的太陽能電池又分為多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。從目前的技術(shù)水平來看，單晶硅太陽能電池的制造技術(shù)是最為成熟的，電池轉(zhuǎn)換效率也最高，大規(guī)模生產(chǎn)時電池轉(zhuǎn)換效率能保持在20%左右[3];但是，單晶硅太陽能電池的制備成本較高、生產(chǎn)過程耗電量大、對所需材料要求高[4]。由此，人們?yōu)榱私档吞柲茈姵厣a(chǎn)成本開始轉(zhuǎn)向生產(chǎn)成本低、重量輕、所需硅材料更少的多晶硅薄膜太陽能電池。多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅太陽能電池一樣，不具有光致衰退效應(yīng)，因此其和非晶體硅太陽能電池一樣具有高性能和穩(wěn)定性[5];同時，多晶硅薄膜太陽能電池厚度只有幾百微米，有利于減少載流子的復(fù)合，從而提高電池的開路電壓和填充因子。

但是，多晶硅薄膜太陽能電池因為吸收層厚度僅有幾十微米，而且硅又是間接帶隙半導(dǎo)體材料，因此其對波長接近帶隙的光子吸收率非常低[6]。例如，對于750～1 100 nm的波長，要將其完全吸收，則要求吸收層的厚度在10～3 000 μm，但是多晶硅薄膜太陽能電池厚度也就幾百微米，所以無法將上述波長的光吸收，這必定會大幅降低太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率[7]。如果能將接近帶隙的光子全部吸收，這對多晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率將會有一個不小的提升，為此很多科研團隊都專注于此，希望提高多晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

本文提出了一種既能保證太陽能電池高轉(zhuǎn)換效率，又不增加薄膜電池厚度，還能不提高制備成本的多晶硅薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)。本項目提出的薄膜太陽能電池是在多晶硅薄膜電池表面利用ITO材料（透明導(dǎo)電）制作高透射光柵，增加進入薄膜電池的光子數(shù);同時，在薄膜太陽能電池背面利用金屬銀制備高反射光柵，作為陷光結(jié)構(gòu)，使透過薄膜的光子又能重新反射進入薄膜太陽能電池，增加光子在太陽能電池內(nèi)的光程。另外，背面電極采用鋁材料制備，因為根據(jù)相關(guān)論文[8]可知，利用金屬鋁制備電極對太陽能薄膜電池的效果和利用金屬銀是相同的。本項目分析了不同光柵形狀和光柵參數(shù)對光透射和反射的影響，優(yōu)化薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)薄膜多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最大化。

2 器件結(jié)構(gòu)

本文利用RSOFT軟件的CAD模塊建立由MATLAB模擬優(yōu)化后得到的多晶硅薄膜太陽能電池模型，并將由嚴(yán)格耦合波法分析得到的最佳透射光柵和最佳反射光柵與優(yōu)化后的多晶硅薄膜太陽能電池相集成，具體模型如圖1所示。在光柵多晶硅薄膜太陽能電池模型中，表面高折射率光柵材料是ITO，低折射率介質(zhì)材料是空氣;而在太陽能電池下，表面高折射率光柵材料仍是ITO，低折射率介質(zhì)材料是Ag。

本文決定將最佳透射和反射光柵與最優(yōu)多晶硅薄膜太陽能電池集成后再進行優(yōu)化，因為這樣可以將太陽能電池對光柵的影響也考慮進優(yōu)化的過程中。若要優(yōu)化上下表面光柵參數(shù)，使光柵多晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到最優(yōu)，可以使用RSOFT的參數(shù)掃描功能或者通過python語言編寫RSOFT的腳本，通過讓光柵參數(shù)連續(xù)變化，觀察光柵多晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的變化趨勢，找出上下表面光柵的最優(yōu)參數(shù)值。

3 短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率計算

圖2是由式（2）和式（3）計算得出的最優(yōu)光柵單晶硅太陽能電池的短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率，并將其與傳統(tǒng)單晶硅的太陽能電池進行對比。

從圖中可以看出，最優(yōu)光柵單晶硅太陽能電池[Jsc]和[η]分別可以達到35.15 mA/cm2和43.35%，相比傳統(tǒng)單晶硅有了明顯提高。在轉(zhuǎn)換效率上，最優(yōu)單晶硅太陽能電池相對于傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池提高了126.4%。

4 結(jié)論

通過計算分析發(fā)現(xiàn)，利用雙光柵可以顯著提高單晶硅薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和短路電流，這對于將來制備高性能太陽能電池具有重要意義。

參考文獻：

[1]Pala R A，White J，Barnard E，et al. Design of Plasmonic Thin—Film Solar Cells with Broadband Absorption Enhancements[J]. Advanced Materials，2009（34）：3504-3509.

[2]Lai W H，Chiu C P，Hsu W H，et al. Effective enhancement of conversion efficiency for a-Si thin-film solar cell using pattern-array dendritic silver nanostructure[C]// Photonics for Solar Energy Systems V. International Society for Optics and Photonics，2014.

[3]柳邦.全背式硅基薄膜太陽能電池的設(shè)計與制備[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[4]殷志剛.太陽能光伏發(fā)電材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].可再生能源，2008（5）：17-20.

[5]Green M A，Pillai S. Harnessing plasmonics for solar cells[J]. Nature Photonics，2012（3）：130-132.

[6]石鑫，孫誠，王曉秋.適用于薄膜硅太陽能電池背反射面的一維衍射光柵結(jié)構(gòu)[J].激光與光電子學(xué)進展，2018（1）：160-165.

[7]Shen Hongjun，LU Huidong，Cheng Xuezhen. Back Reflectors of Thin-film Silicon Solar Cells Consisting of One-dimensional Diffraction Gratings and One-dimensional Photonic Crystal[J]. Chinese Journal of Luminescence，2012（6）：633-639.

[8]張璇如.基于表面等離激元的微納光子器件設(shè)計[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[9]Müller J，Rech B，Springer J，et al. TCO and light trapping in silicon thin film solar cells[J]. Solar Energy，2004（6）：917-930.