硅基薄膜太阳能电池的纳米仿生陷光结构

Inspired by the light trapping structure in nature, a systematical study on the biomimetic light trapping nanostructures in thin film silicon solar cell is proposed. The study aims to enhance the broadband and omnidirectional light absorption in thin film silicon solar cell. To explain and illustrate the effects of the biomimetic structures on the incoming lights, nanostructured models established by optical simulation software (FDTD) are proposed. Details of how the surface nanostructured parameters affect the photovoltaic materials' interaction with lights will be studied. Based on the simulation, experiments are designed to incorporate such superior antireflection structures into thin film silicon solar cells. Study on precise control of the biomimetic nanostructure will be carried out. New low cost fabrication approaches such as Nano-lithography and Nano-imprinting approaches are proposed.

自然界中许多生物的皮质表层存在着优异的陷光结构，本项目获益于这些生物陷光结构的启发，从理论和实验两方面深入研究可用于硅基薄膜太阳能电池的纳米仿生陷光结构。本项目拟采用基于时域有限差分法（FDTD）的纳米光学仿真软件，对仿生陷光结构进行建模分析，研究仿生结构的几何形貌对光的反射率和透射率的影响，澄清仿生结构的陷光机理。实验研究方面，本项目拟采用纳米刻蚀和纳米压印等工艺，实现纳米仿生结构的可控制备，并测量分析含有仿生结构的硅基薄膜太阳能电池的反射率和光生电流。结合仿真结果，调控优化薄膜太阳能电池的陷光结构，实现硅基薄膜电池对太阳光的宽光谱大角度吸收。

太阳能电池是利用光能转换为电能的半导体器件，为了提升太阳能电池的转换效率，首先须提高电池对入射光的利用率，减少光在界面处反射带来的能量损失。本项目借鉴自然界中存在的纳米陷光结构，利用微纳工艺对用于薄膜电池的玻璃和金属衬底进行处理，制备出仿生的纳米结构以提升光伏器件对光的吸收和利用。本研究从模拟仿真和实验两方面的入手，分析和阐明纳米微球和一维纳米线阵列结构的光学性质。在结构仿真方面，采用等效折射率模型，通过时域有限差分法（FDTD）仿真软件研究了不同界面及纳米形貌的光反射率。仿真模拟仿真结果表明，300纳米以下的单层二氧化硅纳米球可以有效消除可见光区域的菲涅尔反射，100nm直径的二氧化硅单层纳米球可以将玻璃在可见光区的透射率提高至平均95%以上，在太阳能电池中为了获得低的反射率，必须同时在空气与玻璃和玻璃与吸光层两个界面引入纳米陷光结构。同时，仿真也指出带有拱顶结构的纳米线阵列的表面反射率要大大低于平顶的纳米线阵列结构。在实验方面，同步开展了纳米微球薄膜和非晶硅硅纳米线阵列的研究。实验表面双面沉积有单层纳米小球的薄膜的玻璃在可见光区域透射率峰值可达99%，该结构在有机电池中已被证实可以有效提高电池转换效率，研究还发现氧化锌纳米线减反结构也能得到类似的效果。在硅基电池方面，利用了纳米线阵列做验证，实验表明若纳米线整列间距小于1微米，非晶硅电池的表面反射率低于10%，短路电流和外量子效率都明显提升。同时利用纳米线结构提升了非晶硅光电探测器的响应速度。本项目共发布论文9篇，其中会议论文5篇，国际期刊论文4篇，已获授权专利1份，培养硕士研究生两名。