等离激元硅薄膜太阳电池宽光谱陷光特性研究

The improvement of light trapping and energy coversion efficiency of thin film solar cells using metallic nanostructures that support surface plasmons, is a promising and challeging technique in the field of photovoltaics. In this project we present a numerical study of plasmonic light trapping in microcrystalline silicon (μc-Si:H) thin film solar cells with metallic nanoparticles located on the front or on the rear surface by finite-element method (FEM). We systematically investigate the effects of nanoparticle parameters such as material, size, surface coverage and the local dielectic enviroment on the light absorption of solar cells. Spectral absorption rate, spatial distribution of electromagnetic field in the photoactive layers and the relative phase between unperturbed and scattered fields are analyzed, and physical mechanism of plasmonic light trapping in μc-Si:H thin film solar cells is discussed. In order to match to the AM1.5 spectrum, we locate different material or size nanoparticles together on the front and on the rear of solar cells to control and tune the spectral absorption of the photoactive layer. Based on our study, plasmonic nanostructure for broadband light trapping in μc-Si:H thin film solar cells is designed. The results can provide some new ideas and theoretical reference for advanced photon manegement in thin film solar cells.

利用金属纳米结构表面等离激元(SP)改善薄膜太阳电池的陷光进而提高其光电转换效率，是光伏领域一个很有意义又极具挑战性的前沿研究课题。本项目拟采用有限元（FEM）数值模拟方法，系统地研究微晶硅(μc-Si:H)薄膜太阳电池的前、后表面上金属纳米颗粒的成分、尺寸、表面覆盖度及中间介电层等参数对电池光吸收的影响，详细分析各参数条件下电池在不同波段的光子吸收率、光吸收层中的电磁场分布以及电磁场各分量的相位关系等，揭示电池前、后表面上金属纳米颗粒的陷光机制；并通过模拟不同成分、不同尺寸的金属纳米颗粒交替分布对电池吸收光谱的调控作用，预言可用于μc-Si:H薄膜太阳电池的宽光谱陷光结构。本课题的研究结果将有望为薄膜太阳电池的光管理设计提供新的思路和理论依据。

与晶硅电池相比，硅基薄膜太阳电池具有低成本优势，但光电转换效率较低。改善硅基薄膜电池的光吸收是提高其转换效率的关键。近年来，金属纳米结构表面等离激元在太阳电池陷光中的应用倍受关注。本课题采用基于有限元（FEM）的数值模拟方法，研究了硅基薄膜电池前、背表面上金属纳米结构对电池光吸收的影响。首先研究了微晶硅(μc-Si:H)衬底上单个金属纳米颗粒的光散射特性。结果表明：随着球状金属纳米颗粒半径R的增大，表面等离激元共振波长红移，归一化吸收截面快速下降；在中长波段，颗粒的散射效率随 R的增大而增大，但耦合效率则呈现单调下降趋势。在相同大小的Au、Ag、Cu和Al纳米颗粒中，Ag纳米颗粒的散射截面最大，Au和Cu在短波区的吸收截面较大。另外，散射截面和耦合效率对颗粒形状较敏感。与球状颗粒相比，半球和圆柱状颗粒的散射截面谱较宽（包括两个等离激元共振峰），长波区的耦合效率较高；但散射峰强度较弱，短波耦合效率很低。然后，分别在硅基薄膜太阳电池的前、背表面设计了各种周期性分布的金属纳米结构，计算了电池在不同波段的光吸收率及AM1.5光谱入射下的积分光吸收相对于参考电池的提高百分比Eabs。结果发现：对于硅基薄膜太阳电池前表面，一维金属纳米光栅虽然可以提高横磁波（TM波）的光吸收，但横电波（TE波）及混合波（(TM+TE)/2）的光吸收反而下降，因此，一维金属纳米光栅不宜用于太阳电池前表面陷光；对电池前表面Al和Ag纳米球二维阵列，影响电池光吸收的关键参数是颗粒覆盖度，其中Ag颗粒阵列的陷光效果优于Al，前者Eabs最高可达26.1%，后者约为20%；将不同大小或不同成分的金属纳米颗粒交替排列，的确可以展宽电池的吸收光谱，其中长波光吸收的提高主要来自大颗粒的贡献，而大、小颗粒间的相互耦合可改善电池对短波或中波光的吸收；将μc-Si:H薄膜电池前表面的Ag纳米球部分嵌入在ITO层中，可进一步提高电池在短波和近红外波段的光吸收，Eabs可提高至50.1%。在电池背表面，圆柱状和半球状颗粒阵列可获得较好的长波陷光，与Au和Cu相比，Ag纳米颗粒仍是最佳选择；在电池前表面沉积70 nm厚的ITO减反膜，同时在电池背表面制备Ag纳米柱阵列，也可实现宽光谱陷光，在非优化的情况下，Eabs可达58.1%。以上结果可为等离激元太阳电池的设计提供理论参考。