一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池

opt.express 21,a382
–
a391(2013).)。abass等人设计了一种吸收层厚度为200nm的双界面三角形光栅结构，发现非对称光栅结构的光吸收效率要优于对称光栅结构的光吸收效率(a.abass,k.q.le,a.al
ù
,m.burgelman,and b.maes,“dualinterface gratings for broadband absorption enhancement in thin
‑
film solar cells,”phys.rev.b 85,115449(2012).)。
6.光栅结构在硅基薄膜太阳能电池中作为一种有效的宽带陷光结构，对其设计时要考虑光栅的数量、形状、周期、占空比、尺寸、空间分布结构等参数。事实上，研究人员对于光栅结构尤其是双层光栅结构的关注比较少，仍然需要对此做大量的研究工作。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中硅基薄膜太阳能电池在近红外波段光吸收效率很低的问题，本发明提出了一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池，其特点在于：所述硅基薄膜太阳能电池包括ag基底层，在所述ag基底层上逐层设置有azo钝化层、下光栅层、硅吸收层、上光栅层和azo抗反射层；所述下光栅层和所述上光栅层分别包括至少一个光栅周期；所述光栅周期是由si条和azo条沿着硅基薄膜太阳能电池宽度方向依次交替排列构成。
10.优选的，所述ag基底层厚度为200nm，所述azo钝化层厚度为50nm、所述下光栅层的厚度为100nm、所述硅吸收层的厚度为400nm、所述上光栅层的厚度为100nm，所述azo抗反射层的厚度为60nm。
11.本发明所述的硅基薄膜太阳能电池，还具有如下特点：
12.所述上光栅层中，一个光栅周期内si条和azo条的总条数为2n+1；从左到右的n条中，各条宽度为w
‑
n
＝q
×
(1
‑
a)(a+b
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；从右到左的n条中，各条宽度为w
+n
＝q
×
(1
‑
b)(a+b
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；最中间一条的宽度为d
u
＝q
×
(a+b
‑
1)
n
；
13.所述下光栅层中，一个光栅周期内si条和azo条的总条数为2n+1；从左到右的n条中，各条宽度为t
‑
n
＝q
×
(1
‑
c)(c+d
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；从右到左的n条中，各条宽度为t
+n
＝q
×
(1
‑
d)(c+d
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；最中间一条的宽度为d
d
＝q
×
(c+d
‑
1)
n
；
14.其中：n代表上、下光栅层的分裂级数，n取正整数；q为一个光栅周期的宽度；a、b、c、d为分裂因子，取值在0.5～1范围内。
15.优选的，q取500nm，n＝3。
16.与现有的技术相比，本发明优点在于：
17.1、本发明所用的双层分裂式光栅，当a≠c和/或b≠d时，是一种相位不匹配的光栅，相比于规则排列的光栅，上下光栅的相位不匹配很好地增加了衍射级次和光在吸收层内的传播路径，吸收层内电磁场强度均得到了区域性增强，从而有效地提高了光吸收效率、实现了较好的吸收增强，尤其在近红外波段的吸收增强效果明显。
18.2、本发明的上、下光栅层是由si条和azo条依次交替排列构成，既可以减少硅的使用量，节约材料成本，又易于加工制造，降低加工成本。
附图说明
19.图1～图3为本发明提出的一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的平面结构示意图，其中图1～图3分别对应分裂级数n＝1、2、3。
20.图4、图5为本发明提出的一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池(分裂级数n＝3)中上、下光栅层的一个光栅周期的平面结构示意图，其中图4、图5分别对应上、下光栅层。
21.图6为本发明作为对比的平板结构(没有上下光栅层)的硅基薄膜太阳能电池的平面结构示意图，其硅层厚度为(400+h)nm。
22.图7为本发明提出的一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池与平板结构的硅基薄膜太阳能电池的吸收光谱图。
23.图8为本发明提出的一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的吸收增强谱图，由图7中的双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的吸收谱除以平板结构的硅基薄膜太阳能电池的吸收谱得到。
24.图9为本发明提出的一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池在图8的两个吸收增强峰值处te偏振光和tm偏振光下的电场强度分布图；
25.图10为本发明提出的一种双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池在图8的两个吸收增强峰值处te偏振光和tm偏振光下的磁场强度分布图；
26.图中标号：1
‑
azo抗反射层、2
‑
上光栅层、3
‑
硅吸收层、4
‑
下光栅层、5
‑
azo钝化层、6
‑
ag基底层。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.本发明的双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池，包括ag基底层，在ag基底层上逐层设置有azo钝化层、下光栅层、硅吸收层、上光栅层和azo抗反射层。其中，下光栅层和上光栅层分别包括至少一个光栅周期；所述光栅周期是由si条和azo条沿着硅基薄膜太阳能电池宽度方向依次交替排列构成。图1～图3示意了一个光栅周期的双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的平面结构。
30.其中：ag基底层厚度为200nm，azo钝化层厚度为50nm、硅吸收层的厚度为400nm、上光栅层和下光栅层的厚度为h(取值在80～120nm范围内)，azo抗反射层的厚度为60nm。
31.上光栅层中，一个光栅周期内si条和azo条的总条数为2n+1；从左到右的n条中，各条宽度为w
‑
n
＝q
×
(1
‑
a)(a+b
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；从右到左的n条中，各条宽度为w
+n
＝q
×
(1
‑
b)(a+b
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；最中间一条的宽度为d
u
＝q
×
(a+b
‑
1)
n
。
32.下光栅层中，一个光栅周期内si条和azo条的总条数为2n+1；从左到右的n条中，各
条宽度为t
‑
n
＝q
×
(1
‑
c)(c+d
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；从右到左的n条中，各条宽度为t
+n
＝q
×
(1
‑
d)(c+d
‑
1)
n
‑1，n依次取从1到n的正整数；最中间一条的宽度为d
d
＝q
×
(c+d
‑
1)
n
。
33.其中：n代表上、下光栅层的分裂级数，n取正整数；q为一个光栅周期的宽度，取值500nm；a、b、c、d为分裂因子，取值在0.5～1范围内。
34.图1～图3分别为分裂级数n取1、2、3时的双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的平面结构示意图。
35.参照图4、图5，上、下光栅层中一个光栅周期内各si条和azo条的具体位置和宽度通过分裂级数n和分裂因子a、b、c、d进行确定。
36.这种双层分裂式结构的硅基薄膜太阳能电池提升光吸收效率的主要工作原理为光的衍射与光波导模式。采用azo材料作为电池的入射层，是因为一方面azo材料本身是透明导电氧化物，具有良好的导电性；另一方面，azo材料也具有较好的抗反射作用，可以很好地减少光的反射损失，使得更多的光可以进入到电池内部，提高薄膜太阳能电池的陷光效果和光吸收。上下光栅的相位不匹配可以形成更多的高的衍射级次，大大增加了光在薄膜太阳能电池内部的传播路径，有效地提高了si吸收层的光吸收效率。ag基底具有很好的不透光性，很好地减少了光的泄露损失。各层的设计都是为了减少薄膜太阳能电池的反射和透射，最大程度上提高电池整体的陷光效果。
37.本发明二维仿真使用的仿真软件是lumerical公司开发的fdtd solution软件，利用有限时域差分法来仿真本发明双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池模型。模型x方向(即硅基薄膜太阳能电池的宽度方向)上的边界条件设置为周期性边界条件，y方向(即硅基薄膜太阳能电池的厚度方向)上的边界条件设置为完美匹配层(perfectly matched layer，pml)边界条件。入射光源设置为带有am1.5的平面波，从azo抗反射层和空气的界面沿着y轴方向垂直向下入射。仿真中涉及的波长段为300～1100nm且步长设置为2nm以保证仿真的准确性与精确度。仿真分别在横向电(te)偏振光和横向磁(tm)偏振光下进行，而仿真在非偏振光下的计算结果为仿真在te偏振光和tm偏振光下的计算结果的平均值。
38.为了量化硅基薄膜太阳能电池的光吸收性能，引入了光生电流密度j
ph
，计算公式为：
[0039][0040]
式中，е为电子电量，h为普朗克常数，c为光在真空中的传播速度，λ为波长值，i
am1.5
(λ)为am1.5入射光光谱，a(λ)为光吸收谱。
[0041]
在上式中，光生电流密度j
ph
主要取决于光吸收谱a(λ)，计算公式为：
[0042][0043]
式中，s为光照面积，ω为角频率(其值等于2π/λ)，ε0为真空介电常数，ε
r
为相对介电常数，e0为局部电场振幅，ω为半导体区域的总体积。
[0044]
光栅周期q取500nm、分裂因子a、b、c、d均以0.01为步长在0.5～1范围取值，进行仿真。通过仿真，优化得到了光栅结构中各个参数的最优值：h＝100nm，n＝3，a＝1，b＝0.69，c
＝0.85，d＝0.8，此时：上光栅层中，各材料条的宽度分别为w
‑1＝w
‑2＝w
‑3＝0，w
+1
＝155nm，w
+2
＝106.95nm，w
+3
＝73.7955nm，d
u
＝164.2545nm；下光栅层中，各材料条的宽度分别为t
‑1＝75nm，t
‑2＝48.75nm，t
‑3＝31.6875nm，t
+1
＝100nm，t
+2
＝65nm，t
+3
＝42.25nm，d
d
＝137.3125nm。
[0045]
此时，双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的光生电流密度达到了最大值，为20.175ma/cm2。而厚度为(400+h)＝500nm的si吸收层的平板结构的硅基薄膜太阳能电池(其平面结构如图6所示)的最大光生电流密度为13.467ma/cm2。相比于平板结构的硅基薄膜太阳能电池，双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的光生电流密度提升了49.81％。从图7可以发现，双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的光吸收效率(实线)在全波段均优于平板结构的硅基薄膜太阳能电池的光吸收效率(短点划线)，在近红外波段(700～1100nm)尤为明显。从图8可以看出，在全波段范围内，吸收增强比值(双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的光吸收效率与平板结构的硅基薄膜太阳能电池的光吸收效率的比值)基本上均大于1(短点划线表示吸收增强比值为1即两种结构的光吸收效率相等)，这种结构的硅基薄膜太阳能电池的光吸收效率在全波段内基本上均优于平板结构的薄膜太阳能电池的光吸收效率。在近红外波段范围内，出现了几段高而宽的吸收增强峰，在波长为964nm处，这种结构的硅基薄膜太阳能电池的吸收增强最大，是平板结构的硅基薄膜太阳能电池的19.707倍。在波长为820nm和964nm处取两点，分别计算了这两个波长点处在te偏振光和tm偏振光下的电场强度分布图(图9)和磁场强度分布图(图10)。由图9可以发现，无论是波长为820nm还是964nm，均有很多的驻波形成，因此，双层分裂式光栅结构的薄膜太阳能电池在te偏振光下的吸收增强主要是由光波导模式导致。从图10可以发现，波长为820nm时的吸收增强主要是由光波导模式导致，而波长为964nm时的吸收增强由法布里
‑
玻罗共振(fabry
‑
perot resonances，fprs)和光波导模式共同导致。综合电场强度分布图和磁场强度分布图可得，双层分裂式光栅结构的硅基薄膜太阳能电池的吸收增强机理主要是由光波导模式导致。
[0046]
本结构也适用于上下光栅共形的形式，即当a＝b且c＝d时，上下光栅一一对应。另外，本结构也可以把上下光栅层的azo块和si块互换或换成其他材料。
[0047]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。