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.     

用于太阳电池的表面等离激元陷光技术的研究进展

表面等离激元(SPPs)作为一种新颖的陷光技术成为目前光伏领域的研究热点.本文介绍了近几年国内外SPPs陷光技术的研究进展,并分析了存在的问题.     

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%.     

硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件

总结并展望了硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件方面的理论和实验研究工作。首先介绍了几种硅基混合表面等离子体纳米光波导结构,其尺寸可小至100 nm以下,而传播长度达100μm量级;其次介绍了基于硅基混合表面等离子体纳米光波导的功分器、偏振分束器和谐振器等集成器件,其尺寸为亚微米量级;最后探讨了硅基混合表面等离子体纳米光波导与硅纳米线光波导的耦合及对其进行增益补偿。     

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.     

太阳能电池在微生物燃料电池中的光电催化性能研究

微生物燃料电池（microbialfuelcell,MFC）是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能并可同时降解废水的一种装置．本文针对目前MFC输出功率密度小、工作效率低等缺点,提出了利用半导体光催化和微生物催化协同作用构建新型MFC体系的设想,即将半导体太阳能电池串入MFC体系,组成“光电池．微生物电池”新型电池体系．实验结果表明,在光照的作用下,新型MFC体系的开路电压、短路电流和最大输出功率密度,与普通MFC体系相比,均有了明显的提高．光电催化作用的引入,有效地改善了MFC体系阴极的接受电子的能力,使阳极提供电子的能力得到最大限度的发挥,既给MFC体系的运转提供了一部分动力,也为MFC体系提高污染物的降解速率提供了基础．此项研究对解决能源危机和环境污染具有重要意义．     

光散射与导模共振模型在薄膜太阳能电池结构设计中的应用

利用光散射与导模共振的理论,设计了一种薄膜太阳能电池的陷光结构,对硫属化合物薄膜太阳能电池进行了优化设计,选择多孔氧化铝薄膜(PAA)作为散射层,模型结构层厚度为:窗口层(AZO)320nm,缓冲层(In2S3)65nm,吸收层(SnS)660nm。研究结果表明,光散射与导模共振相结合的薄膜太阳能电池结构能够提高自身的光吸收率,其中由光散射结构提高的全光谱吸收率约为3%。本设计可以优化薄膜太阳能电池的吸收光谱,提高其对近红外波段的光吸收能力,在波长950nm位置的吸收率达到85%,增强了薄膜太阳能电池的光利用率。     

太阳能电池陷光结构辐射特性研究

本文分析了不同微结构、电池厚度对太阳能电池光损失的影响,提出了一种新的电池陷光结构。运用时域有限差分法(FDTD)仿真了该类太阳能电池陷光结构中光传输过程,获得了不同波源入射下陷光结构电池的储能特性和光捕获特性,优化设计了最佳陷光结构并分析了其光捕获性能。     

光在等离子体中的共振吸收解析研究

本文通过求光从等离子体与真空界面的反射率,解析地求出了长标尺长度和短标尺长度的线性密度轮廓冷等离子体对光的定态共振吸收率。在长标尺长度下,本文的结果与以前的结果一致,但可以精确到更高阶数;在短标尺长度下,本文的解析结果与数值计算符合。 关键词：     

具有全方位光管理能力的光阱结构

本文提出了一种基于砷化镓(GaAs)材料且具有全方位光管理能力的纳米方形光阱结构.通过光学模拟可知,该结构在较大结构参数范围内具有优异的全向光管理能力.当该结构的有效厚度为407 nm时,在AM1.5G光照下,其光电流密度可达29.51 mA/cm~2,而在同样条件下,2000 nm厚的平面GaAs结构只能产生19.80 mA/cm~2的光电流密度.由光电模拟可知,为了获得合理的高光电转换效率,应使少数载流子寿命大于等于1.0×10~(-7 )s,表面复合速率小于等于100 s/cm.     

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.     

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的研究进展

有机—无机杂化钙钛矿电池因其禁带宽度可调、光吸收系数高、光电转化效率高、制备成本低等优点而被用于硅基叠层太阳能电池中,使得太阳能电池的转换效率提高,生产成本降低,应用范围也更为广泛。文章介绍了钙钛矿吸收材料和钙钛矿/晶硅叠层电池的工作原理,对钙钛矿/晶硅叠层电池的类别、影响其性能的主要因素进行了归纳综述,对钙钛矿/晶硅叠层电池未来发展进行了展望。     

纳米银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. 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收. 本文基于时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法模拟得到了聚合物功能层内包含了直径为50 nm纳米银球并且球间距为50 nm的聚合物太阳能 电池器件在波长分别为400 nm和500 nm照射时的二维光电场分布以及入射角分别为15°, 45°, 60°时包覆纳米银聚合物功能层横截面内的光电场强度分布; 计算得到了银纳米颗粒尺寸分别为10 nm, 20 nm和50 nm时以及分布在空穴传输层PEDOT:PSS的纳米银器件的光吸收; 并计算了斜入射时包覆纳米银的聚合物功能层光吸收. 理论分析表明: 聚合物功能层加入纳米银球后, 因为纳米银球的表面等离子体效应使入射光在功能层内散射增强而使器件内的光电场重新分布; 直径较大的纳米银颗粒能产生大角度的光散射, 更有利于聚合物功能层对光的吸收. 这里, 基于有机银盐还原法制备了纳米银颗粒并制备了银等离子体增强的聚合物太阳能电池, 其结构为: glass/ITO (～100 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/P3HT:PCBM (～100 nm)(nano-Ag)/LiF (1 nm)/Al (120 nm). 该器件与平板器件的性能对比实验证实: 通过在聚合物功能层内上引入纳米银颗粒可以有 效增加器件光吸收并改善器件电学性能, 器件外量子效率在520 nm处最大增加了17.9%. 关键词： 纳米银 表面等离子体共振 时域有限差分 聚合物太阳能电池     

Amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cells with black silicon texture

Excellent passivation of black silicon surfaces by thin amorphous silicon layers deposited with plasma enhanced chemical vapor deposition is demonstrated. Minority charge carrier lifetimes of 1.3 milliseconds, enabling an implied open‐circuit voltage of 714 mV, were achieved. The influence of amorphous silicon parasitic epitaxial growth and thickness, as well as of the texture depth is investigated. Furthermore, quantum efficiency gains for wavelengths above 600 nm, as compared to random textured solar cells, are demonstrated in 17.2% efficient amorphous–crystalline silicon heterojunction solar cells with black silicon texture. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

Detailed balance limit efficiency of silicon intermediate band solar cells

The detailed balance method is used to study the potential of the intermediate band solar cell (IBSC), which can improve the efficiency of the Si-based solar cell with a bandgap between 1.1 eV to 1.7 eV. It shows that a crystalline silicon solar cell with an intermediate band located at 0.36 eV below the conduction band or above the valence band can reach a limiting efficiency of 54% at the maximum light concentration, improving greatly than 40.7% of the Shockley—Queisser limit for the single junction Si solar cell. The simulation also shows that the limiting efficiency of the silicon-based solar cell increases as the bandgap increases from 1.1 eV to 1.7 eV, and the amorphous Si solar cell with a bandgap of 1.7 eV exhibits a radiative limiting efficiency of 62.47%, having a better potential.     

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     

减反膜对单晶硅太阳能电池性能的影响分析

在太阳能电池效率的评价中,电池材料、掺杂浓度、扩散长度等都是比较重要的参数,合理地改变相关参数可以优化太阳能电池的性能,提高电池效率。此外,在太阳能电池表面镀一层具有减反作用的光学薄膜（简称减反膜）也是提高电池效率的重要手段。以提高电池效率为目标,对单晶硅太阳能电池的掺杂浓度和扩散长度等微观参数进行计算优化,分析了掺杂浓度和扩散长度变化对电池效率的影响。并在此基础上分析了不同类型的减反膜对于电池效率的影响,给出了最佳减反膜材料及其膜系厚度,并且结合镀膜后电池量子效率的变化验证了其准确性。结果表明,在优化电池掺杂浓度和扩散长度的基础上,选择合适的减反膜,电池效率最高可达20.35%,相比于优化前提高了8.25%。     

Application of crystalline silicon surface oxidation to silicon heterojunction solar cells

We study the effect of ultra-thin oxide (SiO_x) layers inserted at the interfaces of silicon heterojunction (SHJ) solar cells on their open-circuit voltage (V_OC). The SiO_x layers can be easily formed by dipping c-Si into oxidant such as hydrogen peroxide (H₂O₂) and nitric acid (HNO₃). We confirm the prevention of the undesirable epitaxial growth of Si layers during the deposition of a-Si films by the insertion of the ultra-thin SiO_x layers. The formation of the SiO_x layers by H₂O₂ leads to better effective minority carrier lifetime (τ_eff) and V_OC than the case of using HNO₃. c-Si with the ultra-thin SiO_x layers formed by H₂O₂ dipping, prior to deposition of a-Si passivation layers, can have high implied V_OC of up to ∼0.714 V.     

晶体硅太阳电池表面纳米线阵列减反射特性研究

为增强晶体硅太阳电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线阵列的光学散射性质. 运用严格耦合波理论对硅纳米线阵列在310—1127 nm波段的反射率进行了模拟计算, 用田口方法对硅纳米线阵列的表面传输效率进行了优化. 结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为50 nm, 占空比为0.6, 高度约1000 nm时减反射效果最佳; 该结构在上述波段的平均反射率约为2%, 且在较大入射角度范围保持不变. 采用金属催化化学腐蚀法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备周期为60 nm,占空比为0.53, 高度为500 nm的硅纳米线阵列结构, 其反射率的实验测试结果与计算模拟值相符, 在上述波段的平均反射率为4%—5%, 相对于单晶硅35%左右的反射率, 减反射效果明显. 这种减反射微结构能够在降低太阳电池成本的同时有效减小单晶硅表面的光反射损失, 提高光电转换效率.