用于太阳电池的光子晶体陷光结构的陷光机理、结构设计与实验研究

光子晶体是一种折射率周期性变化的人工材料，在操控光的传输方面有巨大优势。采用周期性光子晶体作为太阳电池的陷光结构，可以更有目的和更有效地控制光在电池中的传输，提高光的吸收效率。本项目以光子晶体陷光结构及其在硅太阳电池中的应用为研究对象，根据现存问题的分析，主要内容包括：一维光子晶体和光栅构成的新型绒面背反射的优化设计和实验研究；适合硅薄膜叠层电池中间层的一维光子晶体研究；提出光子晶体吸收层的硅太阳电池结构，并进行实验研究。从器件可实现性角度出发，本项目兼顾光子晶体与硅太阳电池制备工艺的兼容性，兼顾光子晶体不仅在光学角度上能提高电池性能，而且在载流子输运方面也要能够实现。通过本项目研究，从理论上阐明一类基于光子晶体的新型陷光结构的陷光机理，设计出具有可实现性的光子晶体陷光结构。理论分析与实验研究相结合，为进一步提高电池的光吸收和转换效率奠定基础。

陷光结构是提高太阳电池效率的有效途径之一。本项目重点研究基于光子晶体的新型陷光结构，为进一步提高电池的光吸收和效率奠定基础。主要研究内容和结果如下：.1、将不同周期厚度的1D PC叠加组成级联式1D PC，其在400-1100 nm范围内平均反射率达97.4%。用1D PC取代金属膜作为反射层，与绒面AZO组合成背反射电极，用于a-Si:H电池，获得9.66%的效率。.2、模拟研究了锥形2D PC的光散射和陷光性能，结果表明：为提高短波吸收，可采用任意周期，只需纵横比为0.5即可；为提高长波吸收，则周期应为0.75 µm、纵横比为1/2。采用周期为几个微米的2D PC与特征尺寸为几十纳米的绒面Ag组成新型混合背反射衬底，在长波和短波都实现了良好陷光。基于该衬底实验制备的a-SiGe:H电池效率达10.2%，与绒面Ag/AZO的电池相比，电流密度Jsc相对提升17.1%，效率相对提升14.6%。.3、提出一种由1D PC和锥形2D PC（2D PC由SiO2材料加工获得）组合成的新型绒面复合背反射，该结构既可以保持1D PC的周期性，同时又能够方便采用各种透明导电膜作为电流引出电极，且能消除绒面银的寄生吸收。当周期0.75µm、纵横比1时，模拟的a-SiGe:H电池Jsc可达22.16mA/cm2，与不锈钢/绒面Ag/AZO的电池相比，Jsc提升4.7 mA/cm2，相对提升27%。.4、模拟研究了一种适合非晶硅/微晶硅叠层电池中间层新结构：包含顶电池n型层、底电池p型层以及由n-μc-Si/n-μc-SiOx组成的1D PC。该中间层在短波可提供高反射，在长波具有高透过，可方便调控顶、底电池电流匹配。.5、提出一种以锥形2D PC为吸收层的微晶硅电池器件结构，并模拟研究了周期、纵横比和占空比对陷光性能的影响，获得了具有最佳陷光性能的锥形2D PC吸收层结构参数：周期0.5μm、纵横比1、占空比0.9。采用上述结构，模拟的微晶硅电池Jsc达27.8mA/cm2；与平面结构相比，Jsc提升5.8mA/cm2，相对提升27%。在本征层体积相当的情况下，锥形2D PC吸收层电池的陷光效果优于锥形2D PC衬底电池。.