表面等离子体-微腔激元对顶入射有机薄膜太阳能电池光吸收效率的增强

为了提高顶入射有机薄膜太阳能电池(TOSCs)的光吸收效率,我们将周期性矩形光栅结构引入到TOSCs中,分析了具有光栅结构的空气/Ag_1/有源层/Ag_2/空气(IMIMI)结构理想模型中复合表面等离子激元(SPPs)与微腔模式的耦合机制。通过调节光栅周期和有源层厚度,实现了复合SPPs、微腔模式以及有机材料本征吸收3个区域的重合。由于复合SPPs与微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等离子体-微腔激元,其局域场增强作用有效地提高了有源层的光吸收效率,提高了近19%。     

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%.     

利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构,吸收层厚1μm,总厚度为1.45μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性,利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明:当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时,防反射层的透射率较高,在300~600 nm波长范围内,该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%;当四棱锥光栅结构周期L=1.2μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时,背反射层的反射效果较好,在600~850 nm波长范围内,电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300~750 nm、入射角为0°~75°范围内的吸收效率均在80%以上,平均吸收效率达92%,满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。     

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.     

硅薄膜太阳能电池背部反射结构设计

设计了一种新型叠层光栅结构的晶体硅薄膜太阳能电池底部反射器,它由分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflectors,DBR)和衍射光栅两部分组成.利用严格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)方法和模式传输线理论(Modal Transmission Line,MTL),对DBR和光栅进行优化设计,使该叠层光栅结构在800～1 100 nm波长范围内能高效反射入射光并得到大倾斜角的反射光,有效延长光子在电池体区的传播路径,使其被充分吸收.结果表明,四层Si/SiO_2 DBR的反射率可达99.95%,零级衍射序被有效抑制,并得到具有较大倾斜角的±1级衍射序,太阳能电池的捕光能力大大提高.     

亚波长金属光栅的光耦合增强效应及透射局域化的模拟研究

介质层上的亚波长金属光栅产生的表面等离子体（surface plasmons,SPs）可以极大地增强光栅下介质层内的透射光强.增强作用从500 nm延续到近红外区域.在波长610 nm附近有接近110%的增强,在波长700 nm及740 nm处也有180%左右的增强.而这个波长范围与薄膜太阳能电池的吸收谱很相近,因此这种结构有望大幅度提高薄膜太阳能电池及不同波长光探测器等光电转换器件的光耦合效率. 关键词： 表面等离子体 亚波长光栅 薄膜太阳能电池 透射增强     

一个非晶硅薄膜太阳能电池制备用激光刻线系统

 非晶硅薄膜太阳能电池制备过程中的激光刻线工艺要求刻线宽度在30 μm～50 μm之间,死区范围小于300 μm,刻线深度符合工艺要求。这不仅要求激光器具有较高的光束质量,而且要求光学系统具有较高的成像质量和较宽的焦深。设计了单激光器四分光路的激光刻线系统。采用设计的激光刻线装置,在1 400 mm×1 100 mm×3.2 mm玻璃基板上进行刻线试验,分别得到刻线P1,P2,P3的线宽为35 μm,50 μm和45 μm,死区范围（P1至P3的距离）为287 μm,最终深度分别为0.98 μm,0.24 μm和0.58 μm,刻线宽度和深度均符合薄膜太阳能电池制备工艺要求。     

硅薄膜太阳能电池研究的进展

从制备方法、材料和结构的观点出发,概述非晶硅（a-Si)和多晶硅（poly-Si)薄膜太阳能电池研究的进展。对非晶硅特别是对多晶硅薄膜太阳能电池研究的重要结果进行了讨论。阐述非晶硅太阳能电池的各种应用,并对其光电系统进行介绍。对太阳能电池新产品如太阳能电池屋顶瓦及超轻灵活的太阳能电池的开发也作了简介。对由太阳能电池提供动力的空调设备作了叙述。讨论所得出的创新方案。     

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.     

二维亚波长金属小孔阵列的透射光增强效应

对金属薄膜上的二维亚波长小孔阵列的光透射增强现象进行了数值模拟，结果显示不仅实际金属薄膜上的小孔阵列结构具有透射增强效应，理想导体薄膜的相同结构也具有透射增强效应，但没有实际金属薄膜的增强明显-通过分析指出，这种小孔阵列的光透射增强效应是一种复杂的波导耦合效应-与金属薄膜上的表面电流一样，表面等离激元波具有将入射光能量从金属表面向小孔转移的作用，但不是透射增强的本质原因- 关键词： 表面电流 共振耦合 透射增强 表面等离激元     

Design of periodic metal-insulator-metal waveguide back structures for the enhancement of light absorption in thin-film solar cells

To increase the absorption in a thin layer of absorbing material (amorphous silicon, a-Si), a light trapping design is presented. The designed structure incorporates periodic metal-insulator-metal waveguides to enhance the optical path length of light within the solar cells. The new design can result in broadband optical absorption enhancement not only for transverse magnetic (TM)-polarized light, but also for transverse electric (TE)-polarized light. No plasmonic modes can be excited in TE-polarization, but because of the coupling into the a-Si planar waveguide guiding modes and the diffraction of light by the bottom periodic structures into higher diffraction orders, the total absorption in the active region is also increased. The results from rigorous coupled wave analysis show that the overall optical absorption in the active layer can be greatly enhanced by up to 40%. The designed structures presented in this paper can be integrated with back contact technology to potentially produce high-efficiency thin-film solar cell devices.     

Effective absorption enhancement in small molecule organic solar cells using trapezoid gratings

We demonstrate that the optical absorption is enhanced in small molecule organic solar cells by using a trapezoid grating structure. The enhanced absorption is mainly attributed to both waveguide modes and surface plasmon modes, which is simulated by using finite-difference time-domain method. The simulated results show that the surface plasmon along the semitransparent metallic Ag anode is excited by introducing the periodical trapezoid gratings, which induce the increase of high intensity field in the donor layer. Meanwhile, the waveguide modes result in a high intensity field in acceptor layer. The increase of field improves the absorption of organic solar cells significantly, which is demonstrated by simulating the electrical properties. The simulated results also show that the short-circuit current is increased by 31% in an optimized device, which is supported by the experimental measurement. Experimental result shows that the power conversion efficiency of the grating sample is increased by 7.7%.     

利用蛾眼结构提高有机太阳能电池光吸收效率的理论研究

为提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率,将蛾眼微结构应用于OSCs上.通过理论模拟计算,得出在有机层厚度一定的情况下,带有蛾眼微结构的OSCs相比于普通平板结构的OSCs的光吸收效率有较大的提高.通过对微结构形貌、周期和高度的优化,使蛾眼结构OSCs的光吸收效率比普通平板OSCs提高了11.3％.器件光场分布的模拟计算表明,光吸收效率的提高是由蛾眼结构减反增透的效果和表面等离子体(SPP)增强吸收共同导致的结果.     

微纳光栅结构增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池,因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收.在聚合物功能层表面引入微纳光栅结构可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.本文基于时域有限差分方法仿真得到了光栅周期为1μm,占空比为0.5以及入射波长分别为500和700 nm时二维器件内光电场分布;并基于严格耦合波分析方法计算得到了不同光栅深度和光栅占空比的器件光吸收.理论分析表明:插入微纳光栅结构后,由于光栅衍射增强作用使器件内出现了光聚焦现象;当占空比为0.5时,光栅深度为10 nm的器件在入射波长为512 nm时,器件光学吸收增加了4.2%.基于聚二甲基硅氧烷的微压印技术,制备了微纳光栅结构聚合物太阳能,器件结构为ITO/PEDOT:PSS光栅层/P3HT:PCBM/LiF/Al.该器件与平板器件的性能对比实验证实,通过在PEDOT:PSS上引入微纳光栅结构,器件能量转化效率增加了31%.     

Enhanced optical transmission by V-shaped nanoslit in metal film

In this paper,we reveal that the enhanced transmission through a perforated metal film can be further boosted up by a V-shaped nanoslit,which consists of two connected oblique slits.The maximum transmission at resonance can be enhanced significantly by 71.5%in comparison with the corresponding vertical slit with the same exit width.The value and position of transmission resonance peak strongly depend on the apex angle of the V-shaped slit.The optimum apex angle,at which the transmission is maximal,is sensitive to the slit width.Such phenomena can be well explained by a concrete picture in which the incident wave drives free electrons on the slit walls.Moreover,we also simply analyze the splitting of the transmission peak in the symmetry broken V-shaped slit,originating from the resonances of different parts of the V-shaped slit.We expect that our findings will be used to design the nanoscale light sources based on the metal nanoslit structures.     

二元光栅抗反射特性的耦合波分析

基于严格耦合波分析理论和遗传算法,研究了亚波长矩形光栅(即二元光栅)的抗反射特性。针对光通信中的1.55μm波长设计了抗反射矩形光栅。探讨了光栅周期、占空比和光栅深度的变化对抗反射特性的影响。给出了光栅的抗反射特性所适用的入射角度及波长范围。当入射角度小于30°,在光纤传输系统中入射光波长为C波段和L波段时,反射效率小于0.4%,有效地减小了光纤传输系统的回波损耗。     

Enhanced optical absorption by Ag nanoparticles in a thin film Si solar cell

Thin film solar cells have the potential to significantly reduce the cost of photovoltaics. Light trapping is crucial to such a thin film silicon solar cell because of a low absorption coefficient due to its indirect band gap. In this paper, we investigate the suitability of surface plasmon resonance Ag nanoparticles for enhancing optical absorption in the thin film solar cell. For evaluating the transmittance capability of Ag nanoparticles and the conventional antireflection film, an enhanced transmittance factor is introduced. We find that under the solar spectrum AM1.5, the transmittance of Ag nanoparticles with radius over 160 nm is equivalent to that of conventional textured antireflection film, and its effect is better than that of the planar antireflection film. The influence of the surrounding medium is also discussed.