矽基薄膜太陽能電池的納米仿生陷光結構

《矽基薄膜太陽能電池的納米仿生陷光結構》是依託北京大學，由周航擔任負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：矽基薄膜太陽能電池的納米仿生陷光結構
• 項目負責人：周航
• 項目類別：青年科學基金項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

自然界中許多生物的皮質表層存在著優異的陷光結構，本項目獲益於這些生物陷光結構的啟發，從理論和實驗兩方面深入研究可用於矽基薄膜太陽能電池的納米仿生陷光結構。本項目擬採用基於時域有限差分法（FDTD）的納米光學仿真軟體，對仿生陷光結構進行建模分析，研究仿生結構的幾何形貌對光的反射率和透射率的影響，澄清仿生結構的陷光機理。實驗研究方面，本項目擬採用納米刻蝕和納米壓印等工藝，實現納米仿生結構的可控制備，並測量分析含有仿生結構的矽基薄膜太陽能電池的反射率和光生電流。結合仿真結果，調控最佳化薄膜太陽能電池的陷光結構，實現矽基薄膜電池對太陽光的寬光譜大角度吸收。

結題摘要

太陽能電池是利用光能轉換為電能的半導體器件，為了提升太陽能電池的轉換效率，首先須提高電池對入射光的利用率，減少光在界面處反射帶來的能量損失。本項目借鑑自然界中存在的納米陷光結構，利用微納工藝對用於薄膜電池的玻璃和金屬襯底進行處理，製備出仿生的納米結構以提升光伏器件對光的吸收和利用。本研究從模擬仿真和實驗兩方面的入手，分析和闡明納米微球和一維納米線陣列結構的光學性質。在結構仿真方面，採用等效折射率模型，通過時域有限差分法（FDTD）仿真軟體研究了不同界面及納米形貌的光反射率。仿真模擬仿真結果表明，300納米以下的單層二氧化矽納米球可以有效消除可見光區域的菲涅爾反射，100nm直徑的二氧化矽單層納米球可以將玻璃在可見光區的透射率提高至平均95%以上，在太陽能電池中為了獲得低的反射率，必須同時在空氣與玻璃和玻璃與吸光層兩個界面引入納米陷光結構。同時，仿真也指出帶有拱頂結構的納米線陣列的表面反射率要大大低於平頂的納米線陣列結構。在實驗方面，同步開展了納米微球薄膜和非晶矽矽納米線陣列的研究。實驗表面雙面沉積有單層納米小球的薄膜的玻璃在可見光區域透射率峰值可達99%，該結構在有機電池中已被證實可以有效提高電池轉換效率，研究還發現氧化鋅納米線減反結構也能得到類似的效果。在矽基電池方面，利用了納米線陣列做驗證，實驗表明若納米線整列間距小於1微米，非晶矽電池的表面反射率低於10%，短路電流和外量子效率都明顯提升。同時利用納米線結構提升了非晶矽光電探測器的回響速度。本項目共發布論文9篇，其中會議論文5篇，國際期刊論文4篇，已獲授權專利1份，培養碩士研究生兩名。