钙钛矿电池纳米陷光结构的研究进展

随着材料性能的不断提升,近年来纳米陷光结构在钙钛矿电池中的应用受到越来越多的关注.纳米陷光结构的引入可以改变光子在电池中的传输路径以及被电池吸收的光子能量.将纳米陷光结构用于钙钛矿电池中的不同界面可以不同程度地增加电池对光的吸收,最终提升电池效率.如何有效地应用陷光结构是进一步提升钙钛矿电池转换效率的关键问题之一.本文从阐述具有不同纳米陷光结构的钙钛矿电池性能出发,对不同结构进行了对比与总结,并分析了其中的优势与劣势.     

一维和双层二维光子晶体太阳能电池背反射器

利用a-Si∶H和SiO2等介质,设计了一种由一维光子晶体和双层二维光子晶体组成的非晶硅薄膜太阳能电池背反射器.利用时域有限差分法对该背反射器在入射光波长范围为300~1 100nm波段的反射率和透射率进行仿真,计算不同结构参量下非晶硅太阳能电池短路电流密度并进行比较分析,最终得到了最佳背反射器结构.结果表明:设计的太阳能电池背反射器能够有效地延长入射光在太阳能电池吸收层的传播路径,有助于缓解太阳能电池吸收层厚度对电池吸收效率的影响,提高了电池吸收层对入射光的吸收效率.一维光子晶体和双层二维光子晶体结构的背反射器可以大幅度提高电池的光捕获能力,将非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度提高到31.96mA/cm2,较常用的Ag/ZnO背反射器结构非晶硅薄膜太阳能电池提高了51.0%.     

光管理在晶体硅电池中的应用

光管理是提高晶体硅太阳能电池光吸收和短路电流（Jsc）进而提高转换效率的重要因素之一。本文回顾了最常见的光管理方式,包括表面抗反射、散射以及陷光等。为了降低晶体硅电池的表面反射损失,开发了多种表面抗反射结构。例如,仿生蛾眼结构利用渐变折射率实现了宽光谱低反射率,其表面反射率可达1％以下。随着晶体硅电池衬底减薄,光管理要求更加严格,除了在更宽波长范围内达到超低反射率外,还需要在更高的入射角范围内实现低反射率。此外,利用前表面散射以及背表面陷光结构提高红外光的吸收光程对于晶体硅电池特别是薄衬底晶体硅电池的有效光吸收具有重要意义。     

基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构设计与仿真

本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构,利用FDTD软件仿真研究了AAO纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响,并对AAO结构参数进行了优化.仿真结果表明,表面AAO最佳结构参数是周期440 nm,厚度75 nm,占空比0.5,底部AAO最佳结构参数是周期380 nm,厚度90 nm,占空比为0.75.双重AAO组合陷光结构可有效增加薄膜硅太阳能电池在280—1100 nm范围内的光吸收,吸收相对增强可以达到74.44%.     

新型硅薄膜太阳能电池混合陷光结构

针对应用于薄膜太阳能电池的一种混合陷光结构进行了分析研究,该结构由位于电池正面的电介质颗粒和位于电池背面的金属颗粒构成.运用有限时域差分法模拟分析了正面电介质颗粒与背面金属颗粒对光吸收增强的不同作用范围.运用电场图分析了其对光吸收增强的机制,包括两种颗粒的散射作用和金属纳米颗粒的表面等离子体近场增强作用.分别优化了正面电介质颗粒和背面金属颗粒的材料、大小等参量,获得了一种优化后的混合陷光结构.实验表明带有这种混合陷光结构的电池短路电流密度相对于参考电池提高了30.3%,该方法为提高薄膜太阳能电池效率提供了新思路.     

PIN型和NIP型硅薄膜太阳电池中绒面陷光结构和陷光性能研究

对于硅薄膜太阳电池来说, 无论是PIN型还是NIP型太阳电池, 采用绒面陷光结构来提高入射光的有效利用率是提高太阳电池效率的重要方法之一.本文采用标度相干理论对PIN和NIP型电池的绒面结构的陷光性能进行了数值模拟. 结果表明: PIN电池中前电极和NIP电池中背电极衬底粗糙度分别为160和40 nm时可获得理想的陷光效果; 在不同粗糙度背电极衬底上制备a-SiGe:H电池发现, 使用40和61.5 nm 背电极可获得相当的短路电流密度, 理论分析和实验得到了一致的结果. 关键词： 陷光结构 光散射能力 标量相干理论 硅基薄膜太阳电池     

GaAs纳米线阵列太阳能电池的设计与优化

为了得到纳米线阵列太阳能电池的最优转换效率,通过仿真计算对GaAs轴向pin结纳米线阵列进行了结构优化.首先利用三维有限时域差分法分析了GaAs纳米线阵列的光吸收特性,并对其直径、密度等结构参量进行优化,优化后的GaAs纳米线阵列的光吸收率可达87.4%.在此基础上,利用Sentaurus软件包中的电学仿真模块分析了电池的电学性能,并根据光生载流子在纳米线中的分布,对轴向pin结结构进行优化,最终优化过的太阳能电池功率转换效率可达到17.6%.分析结果表明,通过钝化处理以降低GaAs纳米线的表面复合速率,可显著提升电池的功率转换效率,而通过减小纳米线顶端高掺杂区域的体积,可减少载流子复合损耗,从而提高电池效率.该研究可为制作高性能的纳米线太阳能电池提供参考.     

有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展

近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.     

钙钛矿太阳能电池中S形伏安特性研究

本文从理论模拟和实验角度研究了钙钛矿太阳能电池的伏安特性, 并着重探讨了由于界面电荷输运受限而产生的S形特征. 理论模拟表明, 当电池界面电荷输运速度逐渐降低时, 出现界面电荷积累, 影响电池输出性能. 实验研究表明, 当电池的背接触, 光阳极等界面电荷输运速度受限时, 即出现S形伏安特性, 降低电池效率. 然而, 由于电子和空穴在界面输运性质方面的差异, 以及电池中可能存在的独特的界面能带结构, 不同界面电荷输运受限而产生的S形伏安曲线又各具特征, 与电池内部实际的电荷分布以及输运方向有关. 本文的研究结果有助于阐明钙钛矿太阳能电池中存在的影响电荷输运的界面因素, 进而为界面设计和界面优化提供理论依据.     

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     

Near-field study of optical modes in randomly textured ZnO thin films

We report on near-field scanning optical microscopy measurements on randomly textured ZnO thin films. These films are commonly used as transparent conducting oxide in thin-film solar cells. Textured interfaces are used to increase the scattering of light, which leads to a better light trapping in the solar cell. Here, both the topography and the local transmission are measured with a tapered fiber tip with very high spatial resolution. By varying the distance of the tip and the wavelength of the incident light, the optical profile is visualized and reveals a strong confinement of light on a subwavelength scale which corresponds to ridges in the surface structure. The confinement of light results from guided optical modes in the ZnO which are accompanied by a modulated evanescent field in air. No corresponding structure to this modulation is found in the topography. These results give new insight for further improvement of light trapping in solar cells.     

Solar energy harvesting scheme using syringe-like ZnO nanorod arrays for InGaN/GaN multiple quantum well solar cells

Syringe-like ZnO nanorod arrays (NRAs) synthesized by a hydrothermal method were applied as the light-harvesting layer on InGaN-based multiple quantum well (MQW) solar cells. Theoretical calculations show that the NRAs with an abrupt shrinkage of tip diameter can further suppress surface reflectance in comparison with the flat NRAs. InGaN-based MQW solar cells with the syringe-like NRAs exhibit greatly improved conversion efficiencies by 36%. These results are attributed to the improved flatness of the refractive index profile at the air/device interface, which results in enhanced light trapping effect on the device surface.     

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.     

Laser machined macro and micro structures on glass for enhanced light trapping in solar cells

In order to increase the efficiency of solar cell modules it is necessary to make the optimum use of light incident upon them. Much research has been done on improving light absorption through front surface texturisation and light trapping schemes. Laser light is commonly used in industry for various applications including marking and texturisation. By controlling laser parameters, it is possible to tailor macro and micro structures in most materials. The CO₂ laser used in this investigation emits radiation at 10.6 μm with the ability to pulse in the micro-second range. The laser was used to ablate grooved textures in the fused quartz material, used in this study as the light trapping medium, following which an analysis of the effects of the laser parameters on the texture geometry and surface morphology was performed through a combination of cross sectioning and scanning electron microscopy. Transmission through the textured glass was improved for most samples after acid etching. The light trapping effects of the best performing textures were analysed by investigating the effects on a silicon solar cell’s performance at varying angles of incidence. Results indicated a significant increase in light trapping when light was incident at acute angles. For an angle of incidence of 10^° a relative increase in efficiency of up to 51 % was observed.     

Advanced solar materials for thin-film photovoltaic cells

As one of the most promising solutions for the green energy, thin-film photovoltaic cell technology is still immature and far from large-scale industrialization. The major issue is getting low cost and stable module efficiency. To solve these problems, a large amount of advanced solar materials have been developed to improve all parts of solar cell modules. Here, some new solar material developments applied in different critical parts of chalcogenide thin-film photovoltaic cells are reviewed. The main efforts are focused on improving light trapping and antireflection, internal quantum efficiency and collection of photo-generated carriers.     

基于杂质光伏效应的镍掺杂对砷化镓太阳电池性能的影响

利用杂质光伏效应能够使太阳电池充分利用那些能量小于禁带宽度的太阳光子,从而提高电池的转换效率.为了更好地利用杂质光伏效应提高砷化镓太阳电池的转换效率,本文利用数值方法研究在砷化镓太阳电池中掺入镍杂质以形成杂质光伏太阳电池,分析掺镍对电池的短路电流密度、开路电压以及转换效率的影响;同时,探讨电池的陷光结构对杂质光伏太阳电池器件性能的影响.结果表明:利用杂质光伏效应掺入镍杂质能够增加子带光子的吸收,使得电池转换效率提高3.32%;转换效率的提高在于杂质光伏效应使电池的红外光谱响应得到扩展;另外,拥有良好的陷光结构是取得好的杂质光伏效应的关键.由此得出:在砷化镓太阳电池中掺镍形成杂质光伏太阳电池是一种能够提高砷化镓太阳电池转换效率的新方法.