一種高性能的銀背表面反射器的設計與優化

張安駿

摘 要：該文針對高性能的Ag背表面納米光柵反射器進行了設計與優化。經過對填充率，周期，納米結構的高度進行優化后，電池的短路電流密度為22.81mA/cm2，此時，硅的厚度僅為1000 nm。對于相同厚度的平板硅而言，其短路電流密度上升了83.34%。我們還探究了ZnO覆蓋層對電池轉換效率的影響，結果表明，采用ZnO覆蓋層雖然能減小寄生吸收，但降低了光柵結構的光捕捉能力，從而不能起到提高電池轉換效率的作用。造成這種現象的原因是：長波波段表面等離子體共振激發時，銀納米光柵對入射光主要起散射作用。該文的結論對降低金屬納米結構的寄生吸收率并提高電池的轉換效率提供了指導意見。

關鍵詞：太陽能電池 背表面光柵 表面等離子體共振 光捕捉

中圖分類號：TM914 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0103-04

1 概述

由于能源危機以及化石燃料所帶來的污染，人們對太陽能的利用十分關注。太陽能電池作為收集太陽能的主要器件，在近年來受到很大的重視與較多的研究?；诩{米結構的太陽能電池可以實現降低材料使用量的同時提高光電轉換效率。因此，這種太陽能電池受到了廣泛的關注和研究。這些納米結構主要包括隨機表面結構[1-2]，周期性光柵結構[3]，光子晶體結構[4]，以及金屬納米結構[5-6]。這些納米結構主要可以起到抗反射和陷光效應的作用，因此采用納米結構后，薄膜太陽能電池的效率大為提高。

金屬背表面光柵結構是一種在太陽能電池中廣泛采用的納米結構。采用這種結構后，表面等離子激元（surface plasmonicspolaritons）能夠被激發，在背反射與吸收層表面形成波導模式[7]。同時局域表面等離子體（localized surface plasmonics）也可以被激發，將入射光局域在金屬納米結構表面[8]，從而起到陷光效應，使得電池的吸收率大大增長。Schiff等人所進行的研究表明，在有機太陽能電池中，吸收率的增長超越朗伯極限[9]。然而，SPPs和LSPs的激發會增大銀材料的寄生吸收，從而降低電池的轉換效率。為了抑制寄生吸收，常在金屬納米結構表面覆蓋一層電介質[10]。其原理是將SPPs和LSPs發生的波段轉移到光吸收充分的短波波段[11]。然而，這樣會使得長波波段的光捕捉受到影響，從而影響光吸收。文獻[11]中，作者只給出了ZnO覆蓋層厚度的最優值，卻沒能論證采用覆蓋層后光吸收是否增長。因此采用覆蓋層后是否能起到增強光吸收的作用需要被研究。

該文中針對高性能的銀背表面納米光柵反射器進行了優化與設計。通過改變納米結構的填充率（fill factor，FR），周期（P），高度（H）度對金屬納米光柵進行優化，所得的最佳結構的短路電流密度為22.81%mA/cm2，相對于平板硅，其效率提升了83.34%。相應的結構參數為：FR=0.7，P=800 nm，H=200 nm。ZnO覆蓋層對光電轉換效率的影響同樣。結果表明，對于所設計的金屬背表面光柵結構來說，ZnO覆蓋層雖然可以起到減小寄生吸收的作用，但不能起到增強吸收的作用。這表明，在金屬表面覆蓋電介質的方法雖然能減小金屬的寄生吸收，但不一定能提高電池的轉換效率。

2 結構與模擬

模擬采用的結構是二維結構，圖1為其示意圖。圖中標注了結構的幾何參數。其中，L為電池的厚度，固定為1000 nm.H為納米結構的高度，P為納米結構的周期，d為納米結構的底面直徑。t為電介質覆蓋層的厚度。由于金屬納米結構的形狀，尺寸，對LSPs和SPPs共振的頻率，峰值有著重要的影響[6]，因此，需要對P、d、H逐一進行優化。對于優化完成的Ag納米結構，本文將討論電介質覆蓋層對電池的光電轉換能力的影響，通過對t進行優化，尋求覆蓋層的最佳厚度。

該文采用FDTD的方法對結構進行模擬，所選取的計算單元如圖1中右子圖所示。計算單元的邊界采用完美電導體（perfect electric conductors， PECs）邊界條件，PECs邊界條件的使用可將計算單元的大小減小為原來的1/2[12]，有利于計算量的減小，縮短計算時間。在計算單元的上下兩端的兩個矩形區域均添加完美匹配層（perfect matched layer，PML），用以模擬向兩邊無限延展的空氣[12]。利用散射邊界（scattering boundary）覆蓋PML，散射邊界的激勵設為0，起到吸收邊界的作用。入射光利用表面電流源進行設定，電流源的方向為x軸方向，其幅度為1（A/m），入射光的波長范圍為300～1200 nm。所用的材料的屬性用折射率的實部和虛部進行表征，相關數據來源于文獻[13]。

Si和Ag對入射光的吸收用式1進行計算：

（式1）

這里為電磁能量耗散密度，為入射光的總能量。的表達式如下[14]：

（式2）

為了衡量電池的光電轉換能力，利用短路電流密度進行表征，如式3所示：

（式3）

這里，為AM1.5 G條件下的光譜照度，e為電子電荷，h為普朗克常數，c為光速。為1127 nm，對應的能量為Si的帶隙能量（1.1 eV）。當光子的能量小于1.1 eV時，入射光子不能被吸收并激發光生載流子。為了表征反射損失與寄生吸收損失，我們定義了平均反射率（averaged reflectance，AR）與平均寄生吸收率（averaged parasitic loss， AL），表達式如下：

（式4）

（式5）

這里R、L分別為某個波長下的反射率與寄生吸收率。通過計算平均反射率與平均寄生吸收率，可以對能量的損失機制進行探究?？梢酝ㄟ^對能流密度進行面積分得到，即為Ag的吸收，可以通過式1與式2求得。

3 結果與討論

該文首先優化了金屬納米結構的底面直徑d，定義填充率FR=d/P。此時，固定P為300 nm，納米結構的高度H定為200 nm。變化FR從0.1到1，變化的步長為0.1。圖2（a）展示了短路電流密度和總損失率（反射損失率+寄生吸收率）與FR之間的關系。當FR取0.7～0.8時，短路電流密度達到最大，圖2（b）則展示了AR和AL與FR之間的關系。

由于FR取不同值時，上表面均是相同的，因此AR表征了背表面光柵結構的光捕捉能力。當FR=0.7-0.8時，AR與AL均較小。AR較小是由于入射光能夠充分與背表面的Ag納米結構進行相互作用，AL較小是由于Ag納米結構的散射截面較大且吸收截面較小所導致的。根據文獻[15]，當金屬納米結構的尺寸增大時，Ag納米結構的散射截面增大。因此，FR=0.7～0.8時，短路電流密度達到最大。

由于納米結構的周期P對納米結構的光捕捉能力有著重要的影響，因此需要對P進行了優化。此時固定FR=0.7，H=200 nm。P的變化范圍為200～900nm，變化的步長為100 nm。圖3（a）展現了短路電流密度與P之間的關系，由圖中可以看出，當P=800nm時，短路電流密度取得最優值，此時相應的短路電流22.81 mA/cm2。圖3（b）為P=300 nm，500 nm和800 nm時Si的吸收譜線。當P=800nm時，AR和AL均較小，這表明此時Ag納米結構的光捕捉能力較強且引來的寄生吸收較小。隨著P的增大，AL逐漸減小，這是由于Ag納米結構的散射截面大所導致的。由圖3（b）可以看出，當P=300 nm時，700～1000 nm波段具有較多的峰值，在400～700 nm波段峰值較少，吸收較差。當P=500 nm時，500～700 nm波段由較高的吸收峰值，而在短波波段峰值很少，吸收率較低。當P=800nm時，在整個波段范圍內均有較高的吸收峰值出現，使得其在整個波段內吸收較好。因此，當P=800nm時，整個結構在整個工作頻段內具有較強的光捕捉能力。所以，當P=800nm時，AR較小。

進一步優化Ag納米結構的高度H，此時固定FR=0.7，P=800 nm，改變H，其變化范圍為100～500 nm，變化的步長為100 nm。圖4展示了短路電流密度與H之間的關系，當H=200 nm時，短路電流密度達到最大，其值為22.8 mA/cm2。Ag納米結構需要有一定的高度以實現入射光的捕捉，若高度太低，則光捕捉效應較弱（H=100 nm時），當Ag納米結構過高時，一些本會被Si吸收的光會與Ag相互作用，因此會引入過多的寄生吸收（H=400 nm和500 nm時），從而降低電池的效率。所以，Ag納米結構的高度需要選取一個適當的值。當H=200 nm時，由于結構高度較低，與結構進行相互作用的光適量，因而此時其寄生吸收率較低。同時，此時H的值足夠大，使得Ag納米光柵具有較強的光捕捉能力。因此，當H=200 nm時，短路電流密度達到最大。

針對優化后的Ag背表面光柵結構，還需探究電介質覆蓋層的厚度對電池效率的影響。我們所采用的電介質為ZnO。ZnO為透明導電氧化物且ZnO的帶隙能量較高，因而采用ZnO覆蓋層后電池仍然能正常工作且覆蓋層不會引起額外的寄生吸收。文獻[11]中，ZnO的最佳厚度為100 nm。文獻[6]中，在實際制備時ZnO間隔層的厚度為30 nm。故而，令ZnO層的厚度t的變化范圍為30～110 nm，變化的步長為20 nm。圖5（a）為短路電流密度與t之間的關系，圖5（b）為AR，AL與t之間的關系。可以看出，ZnO覆蓋層不能起到增強吸收的作用。由圖5（b）可看出，ZnO覆蓋層的使用使得AL降低約2%。然而，相對于最優結構而言，AR的值則增加了超過4%。當結構參數選取最優值后，Ag納米光柵的散射截面較大而吸收截面較小，因此SPPs和LSPs的激發起到促進光吸收的作用。故而，采用ZnO覆蓋層后，納米光柵的光捕捉能力下降，并使得電池的光吸收能力下降。因此，采用ZnO覆蓋層未必能起到增強電池吸收的在作用，對于寄生吸收較小的金屬納米結構，采用電介質覆蓋層可能起到負面的作用。

4 結語

該文針對一種高性能的Ag背表面光柵進行了設計與優化。進過對填充率，周期，納米結構高度進行系統優化后，所得到的電池的短路電流密度為22.81 mA/cm2。相對于平面硅而言，短路電流密度提升了83.34%。該文還研究了ZnO覆蓋層對光電轉換效率的影響，結果表明，雖然采用覆蓋層能有效減小寄生吸收，但并不能提高光電轉換效率。這個結果可以通過所得的計算數據進行解釋，并為進一步減小寄生吸收和提高電池的轉換效率提供了參考意見。

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