Al纳米颗粒增强微晶硅薄膜太阳电池光吸收的模拟研究

利用价格低廉、性能优良的金属纳米颗粒增强太阳电池的光吸收具有广阔的应用前景. 通过建立三维数值模型, 模拟了微晶硅薄膜电池前表面周期性分布的Al纳米颗粒阵列对电池光吸收的影响, 并对其结构参数进行了优化. 模拟结果表明: 对于球状Al纳米颗粒阵列, 影响电池光吸收的关键参数是周期P与半径R的比值, 或者说是颗粒的表面覆盖度; 当P/R=4–5时, 总的光吸收较参考电池提高可达20%. 与球状颗粒相比, 优化后的半球状Al纳米颗粒阵列可获得更好的陷光效果, 但后者对颗粒半径R的变化较敏感. 另外, 结合电场分布, 对电池光吸收增强的物理机理进行了分析.     

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     

Ag@SiO_2耦合结构设计及其对薄膜太阳电池的响应调控

Ag@SiO_2纳米耦合结构同时具有等离激发和衍射散射特性,可有效调控光波的行进路径和能量分布,在薄膜太阳电池陷光领域极具潜力.本文基于时域有限差分方法和严格耦合波分析,建立三维电磁仿真模型,研究Ag@SiO_2耦合结构对非晶硅电池光谱响应的调控机理,通过优化设计,得到高陷光电池器件.结果表明:当Ag和SiO_2特征尺寸分别为18和150 nm时,共振波和衍射波达到最优耦合,通过耦合结构进入电池响应层的透射光谱最大,相应量子效率显著增强.与同尺寸的平面电池相比,其光电转换效率从7.19%提高到7.80%,相对提高了8.48%.     

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%.     

非晶硅光伏电池表面高效光陷阱结构设计

提出一种应用于非晶硅光伏电池表面的光陷阱结构,该结构主要由衍射光栅、低折射率MgF₂膜层、高折射率ZnS膜层及金属Ag反射镜组成.在标准测试条件(AM1.5,100 mW/cm²和25 ℃)下,运用严格耦合波理论,通过计算400-1000 nm波段内的1 μm厚非晶硅光伏电池的吸收光子数加权平均ξ_AM1.5,优化光陷阱结构的设计参数.结果表明:对于电池前表面减反射结构,在衍射光栅周期为800 nm、高度为160 关键词： 光陷阱结构 衍射光栅 减反射膜 非晶硅光伏电池     

表面修饰的二氧化钛纳米材料的结构相变和光吸收性质

采用胶体化学法制备表面修饰的二氧化钛纳米材料，并使用XRD，TEM，UV-vis光谱等手段研究表面修饰的二氧化钛纳米微粒的结构相变和光吸收性质.结果表明，表面修饰可以改变二氧化钛的晶化行为、加快锐钛矿→金红石的相变进程、引起二氧化钛纳米粒子的光吸收带边大幅度红移.光吸收系数与光子能量之间关系的计算分析显示，在吸收带边附近，二氧化钛纳米微粒溶胶及二氧化钛纳米薄膜的(αhν)^1/2vs hν(间接)和(αhν)² vs hν(直接)均呈线性关系，其间接和直接光学带隙能可以分别通过外推这种线性关系来测量. 关键词： 二氧化钛纳米材料 结构相变 表面改性 光吸收     

多环类苝四甲酸二酐插入层对ZnO纳米棒和聚合物复合太阳电池性能的影响

以ZnO纳米棒和聚[2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV)的复合体系作为光敏层制备了太阳电池.为了增大电池的光吸收,在ZnO纳米棒与MEH-PPV之间插入了有机n型小分子多环类苝四甲酸二酐(PTCDA),制备了不同厚度的PTCDA、结构为ITO/ZnO纳米棒/PTCDA/MEH-PPV/Au的太阳电池.实验发现,插入PTCDA后,电池在可见光区的吸收增强,光生激子数量增大,光电流密度增大.当蒸镀的PTCDA厚度为40 nm时,薄膜的粗糙度适中,表面形貌较为平滑,器件性 关键词： 有机太阳电池 ZnO纳米棒 聚合物     

脉冲激光沉积Ag:BaTiO3纳米复合薄膜及其光学特性

在MgO(100)基片上利用脉冲激光沉积技术制备了掺有Ag纳米颗粒的BaTiO₃复合薄膜.通过X射线衍射对薄膜的结构进行了表征,利用透射电子显微镜对Ag纳米颗粒的尺寸、形态进行了观测,X射线光电子能谱结果表明Ag呈金属态.在410—500nm范围内观测到了Ag纳米颗粒引起的等离子振荡峰,随着后处理温度和Ag颗粒浓度的增加,吸收峰发生红移,并出现了双峰现象. 关键词： 金属纳米复合薄膜 激光沉积 光吸收     

降低表面等离子激元寄生吸收损失的途径研究

从纳米Ag颗粒表面等离子激元光学及表面高能电场特性两方面入手,较为系统地研究了周围介质的导电特性对表面等离子激元的影响.通过对复合薄膜紫外-可见-近红外光谱及表面增强拉曼散射光谱的分析,指出绝缘性的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的表面电场定域效果,且不会引入附加的光吸收损失;而导电性的ITO薄膜则会引入表面价电子的溢出损失,加速了表面电场的衰逝,同时引起长波方向上显著的光吸收损失.研究还表明致密的Al₂O₃介质薄膜能够起到良好的屏蔽作用,且纳米Ag颗粒表面等离子激元特性仅受最近邻材料特性的影响.研究结果为在硅基薄膜太阳电池中实现对纳米Ag颗粒的阻挡、寄生光吸收损失的降低以及表面高能电场的利用,提供了一条有效的解决途径.     

基于BiFeO_3/ITO复合膜表面钝化的黑硅太阳电池性能研究

采用金属银辅助化学刻蚀法在制绒的硅片表面刻蚀纳米孔形成微纳米双层结构,以期获得高吸收率的太阳能电池用黑硅材料.鉴于微纳米结构会在晶硅表面引入大量的载流子复合中心,利用磁控溅射技术在黑硅太阳电池表面制备了BiFeO_3/ITO复合膜,并对其表面性能和优化效果进行了探索.实验制备的具有微纳米双层结构的黑硅纳米线长约180—320 nm,在300—1000 nm波长范围内入射光反射率均在5%以下.沉积BiFeO_3/ITO复合薄膜后的黑硅太阳能电池反射率略有提高,但仍然具有较强的光吸收性能;采用BiFeO_3/ITO复合膜的黑硅太阳能电池开路电压和短路电流密度分别由最初的0.61 V和28.42 mA/cm~2提升至0.68 V和34.57 mA/cm~2,相应电池的光电转化效率由13.3%上升至16.8%.电池综合性能的改善主要是因为沉积BiFeO_3/ITO复合膜提高了电池光生载流子的有效分离,从而增强了黑硅太阳电池短波区域的光谱响应,表明具有自发极化性能的BiFeO_3薄膜对黑硅太阳能电池的表面性能可起到较好的优化作用.     

PECVD分层结构对提高氢化非晶硅TFT迁移率的影响

为了进一步提高氢化非晶硅薄膜晶体管 (a-Si:H TFT) 的场效应电子迁移率, 研究了批量生产条件下对欧姆接触层和栅极绝缘层进行多层 制备, 不同的工艺参数对a-Si:H TFT场效应电子迁移率的影响. 研究表明随着对欧姆接触层 (n⁺层) 分层数的增加, 以及低速生长的栅极绝缘层 (GL层) 和高速生长的栅极绝缘层 (GH 层) 厚度比值提高, a-Si:H TFT的场效应迁移率得到提升. 当n⁺层分层数达到 3层, GL层和GH层厚度比值为4:11 时, 器件的场效应电子迁移率达到0.66 cm²/V·s, 比传统工艺提高了约一倍, 显著改善了a-Si:H TFT 的电学特性, 并在量产线上得到了验证. 关键词： 非晶硅薄膜晶体管 电子迁移率 欧姆接触层 栅极绝缘层     

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.     

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%.     

纳米表面二维周期半圆凹槽增强硅薄膜太阳能电池光吸收

利用时域有限差分方法, 研究硅薄膜上下表面周期半圆凹槽结构对于太阳光吸收的增强效应. 研究发现这种结构可以实现太阳光宽波段的光吸收增强, 通过调节SiO₂表面减反层厚度和凹槽半径长度来实现薄膜太阳能电池最大的光吸收, 并实现了波长在300-1000 nm范围的太阳光吸收总能量比没有这种 结构下硅薄膜光吸收提高了约117%. 关键词： 硅薄膜 半圆凹槽 吸收增强     

Absorption enhancement of ultrathin crystalline silicon solar cells with frequency upconversion nanosphere arrays

A design of ultrathin crystalline silicon solar cells patterned with α-NaEr_(0.2)Y_(0.8)F_4 upconversion nanosphere(NSs) arrays on the surface was proposed. The light trapping performance ofα-NaEr_(0.2)Y_(0.8)F_4 NSs with different ratios of sphere diameter to sphere pitch was systematically studied by COMSOL Multiphysics. The influence of different NS diameters and ratio to the average optical absorption of ultrathin crystalline silicon solar cell was calculated, as well as the short circuit current densities. The results show that the average optical absorption of solar cells with 2.33 μm silicon covered by α-NaEr_(0.2)Y_(0.8)F_4 NSs of 100 nm in diameter and 5.2 in ratio has improved by 8.5% compared to planar silicon solar cells with the same thickness of silicon. The light trapping performance of different thicknesses of silicon solar cells with the optimized configuration of NSs was also discussed. The results indicate that our structure enhances the light absorption. The presented model will be the basis for further simulations concerning frequency upconversion of α-NaEr_(0.2)Y_(0.8)F_4 materials.     

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.