金属微纳结构α-Si:H/μc-Si:H双结薄膜太阳能电池研究

The application of surface plasmons in solar energy is the most popular topic in the fields of micro-nano optics and photovoltaics. Research results show that it is expected to realize the highly-efficient and low-cost utilization of solar energy in terms of the surface plasmon technology. However, most of current researches focus solely on the single-junction solar cells, with very rare reports on the novel multi-junction systems. Based on the above observation, the attractive α-Si:H/μc-Si:H double-junction thin-film photovoltaic systems will be studied with a detailed investigation on how to design metallic micro-nano structures to improve the light-conversion efficiency of this sort of device. Some optical simulation methods, such as Mie theory, rigorous coupled-mode approach, finite-difference time-domain method, and finite-element method, will be extensively used in this project to analyze the light scattering, localized optical confinement, waveguiding, light trapping and optical absorption of α-Si:H/μc-Si:H double-junction systems with various metallic micro-nano configurations. Moreover, the generation, transportation, recombination and collection processes of carriers (electrons and holes) will be modeled in a rigorous way in three spatial domains. In this way, the complete optical and electronic performance parameters can be obtained, showing the capability of predicting the device performance accurately. In experiments, various micro-nano techniques will be used for the fabrications of metallic micro-nano systems and solar devices as well as the later optical and electronic characterizations. The success of this project will provide novel designs for photovoltaic devices.

表面等离子太阳能应用是微纳光学和光伏领域的最新热点。研究表明，借助表面等离子技术有望实现太阳能的高效低成本利用。现有研究主要针对单结太阳能电池展开，对于新型多结系统还鲜有报道。本项目选取具备重要应用前景的非晶硅/微晶硅（α-Si:H/μc-Si:H）双结薄膜光伏系统作为研究对象，详细探讨如何设计金属微纳结构来提高此类器件光电转换效率。我们将广泛采用Mie理论、严格耦合波、时域有限差分和有限元等光学方法详细研究多种金属微纳结构下α-Si:H/μc-Si:H双结系统的散射、近场限制、导波、光学捕获与吸收等光学现象，并严格模拟三维空间下载流子（电子、空穴）的生成、输运、复合和收集等电学过程，得到器件完整的光学/电学性能指标，准确预测器件性能。实验上，将利用多种微纳工艺进行金属微纳系统和太阳能电池的制作以及相关结构/器件的光学电学表征。本课题的成功实施将为光伏领域提供新颖的器件设计方案。

引入多层结构提升太阳电池光电转换效率是光伏领域新趋势。一个重要课题是基于α-Si:H/μc-Si:H 的双结薄膜太阳能电池。这类电池的优势：1）μc-Si:H 层的引入可减小α-Si:H 层厚度，从而有效抑制因α-Si:H 材料引起的 Staebler-Wronski效应；2）μc-Si:H 可将器件吸收带宽拓展到 1200 nm 附近，有助于充分吸收太阳光能量；3）电池输出电压更高。提高该类电池性能的有效方法包括：1）引入金属微纳结构修饰以激发表面等离子体共振、2）纳米结构化光吸收层、3）在α-Si:H层与μc-Si:H层之间引入选择性反射/透射层。.本课题对α-Si:H/μc-Si:H双结太阳能电池展开了系统分析，建立出详实和准确的电磁波耦合、光电转换计算模型，其中涉及Mie 理论、严格耦合波和有限元等光学方法，对多尺度、多物理场中的载流子生成、输运、复合和收集等电学性能进行了原创性的模型建立和严格仿真。研究结果揭示金属微纳结构在α-Si:H和μc-Si:H材料中的光学散射和近场光学限制可有效抑制器件的光反射和增强α-Si:H薄膜（~200 nm）的单位体积光吸收率；金属微纳结构的寄生吸收可通过调制金属材质、形状和分布得以缓解；金属-半导体界面处对载流子的捕获/复合可通过引入超薄隔离层来降低。进一步发现，在匹配顶、底电池的光电流密度时，通常μc-Si:H底电池的光电流密度要大于α-Si:H顶电池。通过对α-Si:H层的纳米结构化处理，可进一步降低电池的光反射率，明显增加顶电池的光吸收和光电流密度。我们设计了新型分布式布拉格反射镜为中间选择性反射层，使其在550~750nm波段具有高反射率，以提高α-Si:H层吸收，同时要求在750~1200nm波段具有高透光率，以保障μc-Si:H层光电流不受明显影响。相对于传统的α-Si:H/μc-Si:H电池，引入纳米结构化处理和中间选择性反射层后，串联电池的输出电流密度可提高37.56%。.本项目还进行了一系列扩展性研究，包括：金属微纳结构光学理论和调制、热电子的光电转换与探测、α-Si:H/μc-Si:H单纳米线光电转换仿真、硅基微/纳米线或孔阵列的光电仿真和实验研究、金属纳米线网格透明电极的制备及应用。这些研究揭示了金属/半导体微纳结构的光、电性能，丰富了硅基太阳能电池种类，完善了微纳结构太阳能电池理论和实验基础。