基于光電子晶體的高效太陽能電池反射器的研究

樊育鋒

摘? 要：薄膜太陽能電池的出現大大降低了太陽能電池的生產成本，但其光電轉化效率明顯低于傳統太陽能電池。這是由于薄膜太陽能電池過薄的吸收層嚴重降低了電池對長波長入射光的捕獲效率。為了提高薄膜太陽能電池對長波長入射光的捕獲效率，可在電池吸收層背部增加一個反射器。該文從一維光子晶體的結構特點出發，在證明一維光子晶體中具有光子禁帶的基礎上，通過獲取的數值，模擬計算出了一維光子晶體禁帶的隨周期數、折射率比值等。同時，提出了一種新型的展寬全方向反射帶的方法，并且設計了一個由三個基本一維光子晶體合成的一維結構，得到了較大的全方向反射帶。

關鍵詞：一維光子晶體? 光子禁帶? 全方向反射器

中圖分類號：O482? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0034-02

隨著人們對半導體材料的物理特性，特別是硅的物理特性的進一步研究與了解，美國的貝爾實驗室于1954年首次發現在材料硅中參入少量雜質可以提高硅對光子的敏感程度，更容易形成PN結，并利用向半導體硅材料參雜的方法成功制造出了第一代實用的單晶硅太陽能電池，這標志著可以應用到實際生活中的太陽能電池制造技術的誕生。第二年，許多公司開始研發并且量產了太陽能電池，也稱光伏電池，最終在市場上廣泛銷售。

1? 一維光子晶體反射器的設計方案

1.1 一維光子晶體對材料的要求

禁帶的變化與折射率相關，即構成一維光電子晶體材料的折射率差距越大，禁帶就越明顯。

在討論中常用光學介質的有效導納η，對于這兩種偏振分量，η分別為：

ηp=N/cosθ? ? ?（P偏振）

ηs=N/cosθ? ? ?（S偏振）

其中，θ為夾角。

1.2 材料的選擇

由于光子的影響，使得介質介質材料在特定的光譜區內呈透明的狀態。而在短波吸收帶，介質材料的電子由價位置會產生變化，由原來的位置遷移到導帶，產生這種現象的原因是，光子能量大于禁帶的寬度。由于光子能量的限制，無法使價電子的能量釋放，因此，在透明區內，只有少量的雜質以及部分半導體中的自由載流子被吸收。在波長持續增加的狀態下，晶格不斷的發生抖動，產生光能的消耗。因此，在選擇材料時，應選擇透明區的透明度較高的材料，這樣才能最大程度的降低消光系數。

1.3 一維光子晶體計算方法

計算光子晶體結構和能帶結構的方法較多，例如傳輸矩陣法、多重散射法等。該文主要采用的是傳輸矩陣法，該方法能夠把所求磁場在實空間的位置展開后把麥克斯韋方程組變成傳輸矩陣的形式，之后對這個形式求解。因此，能夠快速地計算出反射率和透射率，此方法計算一維光子晶體的反射系數和透射系數比較方便。

2? 全方向反射器的設計與分析

2.1 理論依據——基于頻域疊加擴展禁帶的方法

要想實現一維光電子的全方位反射，必須要解決以下幾個問題：第一，在射角發生變化時，反射帶也要隨之改變運行狀態，例如，當反射角擴大時，反射帶要想高頻方向移動;第二，當角度發生改變時，TE和TM波反射帶分離;第三，保證TM波在Brewster角時，對所有頻率都形成透射率。

針對上述的3種問題，該文采用基于頻域疊加法來解決，這種方法的實質是，將所有的光子晶體禁帶連接起來，用不同中心頻率的全角度光子疊加，從而形成全角度光子禁帶，通過計算，得出光子禁帶的代數和。同時，通過篩選，選擇合適的介質的高、低折射率的比值，改變各禁帶的寬度，可以減少和消除展寬后的禁帶中出現的允許帶的尖峰。

2.2 一維光子晶體全反射器的數值模擬與分析

如圖1所示，是由折射率為n1、n2，介質厚度為d1和d2介質層周期排列組成的一維光子晶體，然后將結構不同的一維光電子晶體進行疊加。

2.2.1 正入射時兩個一維光子晶體的疊加

在正入射的情況下，如圖2所示，對于PC1來說，總的反射頻率范圍是0.156～0.296ωa/2πc。

圖解釋：為了深入研究影響一維光子晶體全方向反射帶的各種因素，此時要得到TE波模式下的入射角0°時PC1反射頻率范圍。

圖作用：先獲得入射角0°時PC1的反射頻率范圍為接下來獲得PC1、PC2疊加后的全反射頻率范圍做準備。

2.2.2 入射角為45°時兩個一維光子晶體的疊加

在入射角為45°的情況下，如圖3所示，對于PC1來說，總的反射頻率范圍是0.172～0.313ωa/2πc。

圖解釋：為了深入研究影響一維光子晶體全方向反射帶的各種因素，此時要得到TM波模式下的入射角45°時PC1反射頻率范圍。

圖作用：先獲得入射角45°時PC1的反射頻率范圍為接下來獲得PC1、PC2疊加后的全反射頻率范圍做準備。

3? 結語

當前，太陽能領域對于光子晶體的研究較多，且研究的時間將近10年，因此，光子晶體在太陽能領域的發展較為成熟。但是，其應用領域也是十分有限的?；诖?，該文在已有研究結論的基礎上，對光子晶體中的一維光子晶體進行了實踐研究，相對于其他高維晶體來說，一維晶體的主要優勢體現在其理論較為簡單，同時結構也沒有高緯晶體復雜，整體實踐操作沒有技術方面的難度。同時，其性質還具備二維和三維光子晶體性質的優點，即特定波能夠全方向反射，也正是由于這一特性，使得一維光子晶體得到科研工作者的青睞。

當前，關于光電子晶體在高校太陽能電池反射器中的應用，學者們提出了較多的使用方法，該文所提出的新的理論設計方法也正是基于這些理論的基礎之上的。即將多個一維光子晶體組合一起，在頻域上進行疊加形成一個合成的一維光子晶體結構，從而展寬了全方向反射帶。

參考文獻

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