非晶硅太阳电池宽光谱陷光结构的优化设计

陷光是改善薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以非晶硅（α-Si）薄膜太阳电池为例,设计了一种新的复合陷光结构：在Ag背电极与硅薄膜之间制备一维Ag纳米光栅,并通过保形生长在电池前表面沉积织构的减反膜. 采用有限元数值模拟方法,研究了该复合陷光结构对电池光吸收的影响,并对Ag纳米光栅的结构参数进行了优化. 模拟结果表明：该复合陷光结构可在宽光谱范围内较大地提高太阳电池的光吸收;当Ag纳米光栅的周期P为600 nm,高度H为90 nm,宽度W为180 nm时,在AM1.5光谱垂直入射条件下α-Si薄膜电池在300–800 nm波长范围内总的光吸收较无陷光结构的参考电池提高达103%,其中在650–750 nm长波范围内的光子吸收率提高达300%以上. 结合电场强度分布,对电池在各个波段光吸收提高的物理机制进行了分析. 另外,该复合陷光结构的引入,还较大地改善了非晶硅电池对太阳光入射角度的敏感性. 关键词： 非晶硅太阳电池 陷光 银纳米光栅 数值模拟     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

二维微纳米结构表面反射特性的时域有限差分法模拟研究

亚波长微纳米结构表面具有优良的抗反射特性,本文以硅基太阳能电池响应光谱的300~1 200 nm为应用基础,利用时域有限差分法计算了表面面形、结构参量的占空比、高度和周期以及光波入射角等对二维微纳米结构表面反射特性的影响,并结合等效介质理论进行了进一步理论分析,结果表明:等截面光栅结构的反射率较大,结构参量影响也较小;锥形渐变截面光栅结构的抗反射性能较好,且反射率随着占空比、结构高度的增大而显著下降;同时,光波在光栅法线的±40°范围内入射时,反射率均较小.通过对亚波长微纳米光栅结构的反射特性的模拟和分析,为抗反射表面的设计和制作提供了基础.     

前后光栅周期对于双光栅结构薄膜太阳能电池光俘获效应的影响

本文用时域有限差分法对硅层等效厚度为100 nm的具有不同前后光栅周期的介质/金属双光栅结构薄膜太阳能电池进行了模拟分析,比较了三角形最佳相同与不同周期光栅结构的吸收光谱特性,分析了光栅高度、填充比、硅吸收层厚度对最佳相同和不同周期光栅结构光吸收特性的影响,以及相应结构中导致光吸收增强的共振模式.结果表明前后光栅周期为1:1的共形双光栅结构中存在光泄漏现象,偏离1:1后的光栅结构可有效地抑制低级次衍射光的泄漏,前光栅周期小于后光栅周期的结构光吸收性能的提高来自于平面波导模式在吸收层中的有效激发和传播,而前光栅周期大于后光栅周期的结构光吸收性能的提高则来自于后光栅界面上所激发的等离子体极化模式.在较厚的硅吸收层厚度,前后光栅周期比为1:2和1:3的电池结构也会出现光泄漏现象,从而使具有最大光吸收效率的结构偏离这些周期比结构的位置.     

一种基于介质光栅金属薄膜复合结构的折射率传感器

设计了一种基于介质光栅金属薄膜复合结构的折射率传感器。利用He-Ne激光器输出的632.8nm横磁偏振光激发复合结构中的表面等离子体,得到了高灵敏度的折射率传感器。运用有限元方法,数值模拟了具有不同光栅厚度、周期以及折射率的分析物的反射光谱。对占空比为0.5、金属薄膜厚度为45nm的复合结构进行了参数优化,得到最优参数为:光栅厚度100nm、光栅周期500nm。在最优参数条件下,计算了金属薄膜与具有不同折射率的分析物之间的界面共振角的变化,得到了高达500(°)/RIU的角灵敏度。该折射率传感器操作简单、成本低、角灵敏度高,具有很好的应用前景。     

异向混合光栅薄膜太阳能电池光吸收分析

为了分析混合光栅对硅薄膜太阳能电池光吸收的影响,在硅层厚度等效一致的条件下,设计了单一形状、同向和异向混合形状光栅单晶硅太阳能电池结构.利用时域有限差分法分别优化计算了各种混合光栅的最佳尺寸、光生电流密度和光吸收效率,发现异向混合结构的Ag光栅比其他结构具有更好的光吸收能力.通过电磁场强度分布图分析了混合光栅结构的吸收增强机理,并针对异向混合光栅,计算了不同光栅数量组成结构的光生电流密度.同时,利用光吸收增强因子定量分析得出一个三角凸型和一个抛物线凹槽是异向混合光栅最佳数量组合.有规律地改变这种混合光栅的宽度比和高度比,计算光生电流密度.结果发现当宽度比为1∶1,高度比在一个小范围内(0.67～1.86)波动时,这种异向混合结构比平板太阳能电池的光生电流密度提高了62.9%.研究结果可为薄膜太阳能电池的结构和参数设计提供参考.     

仿生纳米硅结构减反射及陷光性能模拟研究EI北大核心CSCD

仿造蝉翼凸起状结构,建立了硅纳米锥模型,在此基础上研究其减反射及陷光性能与其底部直径、高度的关系,确定直径150nm、高度500nm为其最优结构参数,该参数的纳米锥结构在300~1200nm波段平均反射率为1%.将优化的纳米锥结构与平板结构以及相同参数的纳米柱结构进行了比较,从反射曲线、电场强度分布、能量吸收密度分布、电子生成速度分布多个角度证实了纳米锥结构优异的减反射及陷光性能,为硅基光伏器件减反射陷光微结构设计提供了参考.     

SOI基纳米光栅耦合器的结构改进与仿真验证

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低,对准难度大的问题,提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性,结合光纤准直器的准直原理,系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响,得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进,增加了后反射器、增透膜和底层介质膜,并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数,得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%,3dB带宽达到65nm。     

仿生纳米硅结构减反射及陷光性能模拟研究

仿造蝉翼凸起状结构,建立了硅纳米锥模型,在此基础上研究其减反射及陷光性能与其底部直径、高度的关系,确定直径150nm、高度500nm为其最优结构参数,该参数的纳米锥结构在300~1200nm波段平均反射率为1%.将优化的纳米锥结构与平板结构以及相同参数的纳米柱结构进行了比较,从反射曲线、电场强度分布、能量吸收密度分布、电子生成速度分布多个角度证实了纳米锥结构优异的减反射及陷光性能,为硅基光伏器件减反射陷光微结构设计提供了参考.     

超陷光黑硅结构研究

研究了超陷光黑硅表面圆锥阵列结构的设计.将圆锥结构分为五层,利用等效媒质理论进行了参数设计.考虑了硅材料折射率随波长的变化,用严格耦合波理论对不同入射角,圆锥阵列结构高度以及占空比时的反射率进行了计算分析.发现,圆锥阵列超陷光结构的周期为135 nm,高度为480 nm时,在0°～60°入射角范围内,对波长为300～1...     

Enhancement of optical absorption in amorphous silicon thin film solar cells with periodical nanorods to increase optical path length

In this paper, we demonstrate an amorphous silicon (a-Si) thin film solar cell (TFSC) with a homogeneous layer of a-Si to absorb short wavelength photons and periodical a-Si nanorod structures for light trapping enhancement for longer wavelength photons. In such a design, the total absorption can be greatly improved. The periodicity and duty ratio of the nanorods were optimized to enhance the total optical absorption within 500 nanometer (nm) to 1000 nm in the hybrid TFSC structure. The best overall absorption can be achieved when period of nanorods is about 500 nm. When the duty ratio of nanorods is 0.6, the average absorption can reach 80% which represents an improvement by 40% compared to the conventional thin film a-Si solar cell without nanorod structures.     

Plasmonic fractals: ultrabroadband light trapping in thin film solar cells by a Sierpinski nanocarpet

Plasmonic Sierpinski nanocarpet as back structure for a thin film Si solar cell is investigated. We demonstrate that ultra-broadband light trapping can be obtained by placing square metallic nanoridges with Sierpinski pattern on the back contact of the thin film solar cell. The multiple-scale plasmonic fractal structure allows excitation of localized surface plasmons and surface plasmon polaritons in multiple wavelengths leading to obvious absorption enhancements in a wide frequency range. Full wave simulations show that 109 % increase of the short-circuit current density for a 200 nm thick solar cell, is achievable by the proposed fractal back structure. The amount of light absorbed in the active region of this cell is more than that of a flat cell with semiconductor thickness of 1,000 nm.     

钛酸锶钡纳米管的制备及其红外吸收性能研究

首次采用溶胶凝胶法结合通孔阳极氧化铝模板, 成功制备出了钛酸锶钡纳米管. 该制备工艺简单、易实现而且成本低. 首先制备通孔阳极氧化铝模板和钛酸锶钡溶胶, 然后通过浸渍加上匀胶的方法将钛酸锶钡溶胶引入到通孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中, 最后在650℃下煅烧1 h形成钛酸锶钡纳米管. X射线衍射(XRD)证明, 制得的钛酸锶钡纳米管为立方钙钛矿相, 主要沿(110)晶向生长. 扫描电子显微镜(SEM)显示, 钛酸锶钡纳米管外径、内径和管长分别为75 nm, 50 nm, 16 μm. 傅里叶变换显微红外光谱仪(FTIR)测试结果表明在波数为1350-1650 cm^-1红外波段, 阳极氧化铝/钛酸锶钡纳米管复合结构较钛酸锶钡薄膜有两处明显的吸收峰, 吸收峰位于1470和1550 cm^-1处, 与通孔阳极氧化铝模板相比其吸收峰强度高出一倍, 最后分析了出现这一现象的可能原因.     

Simple fabrication of hexagonally well-ordered AAO template on silicon substrate in two dimensions

In this study, thin anodic aluminum oxide (AAO) templates both on silicon substrates (AAO template/SiO₂/Si) and Ti-coated silicon substrates (AAO template/Ti/SiO₂/Si) were developed for design of magnetic, electronic and optoelectronic devices, chemical sensors and chip-scale lithium-ion rechargeable microbatteries. Two types of AAO template were prepared by using a two-step anodization procedure. The templates were characterized by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The obtained thin AAO templates were approximately 50 nm in diameter and 700 nm in length with 80-nm interpore distances in a relatively large area of 6 cm². A barrier layer of the AAO templates was removed by a cathodic polarization method in KCl solution for several seconds. The current–time transient during removing the alumina barrier layer of the thin AAO template and the mechanism of electrochemical dissolution of the barrier layer are given in detail.     

Ni、Co/AAO纳米有序阵列复合结构光吸收特性的比较研究

在多孔阳极氧化铝(AAO)模板中分别沉积金属镍(Ni)、钴(Co),制备了Ni／AAO和Co／AAO纳米有序阵列复合结构,对其光吸收特性进行了比较研究。实验结果表明．相同结构参量的模板中,Ni、Co纳米粒子的表观形状随沉积时间的变化规律基本一致．但Co/AAO及Ni／AAO复合结构的光吸收特性却有较大差异。Ni／AAO复合结构表现出间接带隙半导体的光学特征．而Co／AAO复合结构具有直接带隙半导体的光学特征。同时,随金属沉积量的增加,Ni／AAO吸收边的红移量仅约为13nm．而Co/AAO复合结构的吸收边红移量却超过了80nm。用Maxwell-Garnett(M-G)理论分析了导致二者光吸收特性存在较大差异的主要原因。     

Plasmon enhancement of optical absorption in ultra-thin film solar cells by rear located aluminum nanodisk arrays

In this work, in order to enhance the light absorption in one micron thick crystalline silicon solar cells, a back reflecting and rear located plasmonic nanodisk scheme is proposed. We investigate the scattering properties of aluminum nanostructures located at the back side and optimize them for enhancing absorption in the silicon layer by using finite difference time domain simulations. The results indicate that the period and diameters of nanodisks, thickness of spacer layer have a strong impact on short circuit current enhancements. The optimized Al nanoparticle arrays embedded in rear located SiO₂ layer enhance J _sc with an increase of 47% from the non-plasmonic case of 18.9 to 27.8 mA/cm² when comparing with a typical stack with a planar aluminum back reflector and a back reflector with plasmonic nanoparticles. This finding could lead to improved light trapping within a thin silicon solar cell device.     

余弦光栅硅薄膜太阳能电池光吸收分析

设计了一维双层余弦共形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池.利用时域有限差分法模拟计算了双层余弦共形光栅结构和对照组结构的吸收光谱;利用归一化光吸收密度的概念,定量分析了300~700nm和700~1 100nm两个波段的光吸收效率.结果表明双层共形光栅结构具有更好的全波段吸收效率,且在长波段余弦光栅比矩形光栅具有更好的光捕获和吸收作用.利用光吸收增强谱和电磁场强度分布图,分析了余弦光栅在长波段的吸收增强机理.通过计算短路电流密度,发现双层余弦共形光栅结构比平板结构太阳能电池的短路电流密度提高了79.5%,余弦光栅结构比矩形光栅结构的短路电流密度提高了8.5%.     

多孔阳极氧化铝薄膜光学常数的确定

根据多孔阳极氧化铝(AAO)薄膜的实验透射谱(200—2500nm)，采用极值包络线算法确定其光学常数，并由此较精确地计算出AAO薄膜样品在该波段的光学常数.结果表明，多孔氧化铝薄膜表现出直接带隙(能隙约4．5eV)半导体的光学特性，且其光学常数与制样中的重要工艺参数阳极氧化电压有显著的相关性，即随阳极氧化电压的增加，AAO薄膜的厚度、折射率和光学能隙变大，消光系数减小．同时，计算得到的薄膜厚度与实测值相吻合，则说明计算结果和实验值是自洽的. 关键词： 薄膜光学 光学常数 多孔阳极氧化铝 阳极氧化电压