《等離激元矽薄膜太陽電池寬光譜陷光特性研究》是依託鄭州大學，由楊仕娥擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：等離激元矽薄膜太陽電池寬光譜陷光特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊仕娥
- 依託單位：鄭州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
利用金屬納米結構表面等離激元(SP)改善薄膜太陽電池的陷光進而提高其光電轉換效率，是光伏領域一個很有意義又極具挑戰性的前沿研究課題。本項目擬採用有限元（FEM）數值模擬方法，系統地研究微晶矽(μc-Si:H)薄膜太陽電池的前、後表面上金屬納米顆粒的成分、尺寸、表面覆蓋度及中間介電層等參數對電池光吸收的影響，詳細分析各參數條件下電池在不同波段的光子吸收率、光吸收層中的電磁場分布以及電磁場各分量的相位關係等，揭示電池前、後表面上金屬納米顆粒的陷光機制；並通過模擬不同成分、不同尺寸的金屬納米顆粒交替分布對電池吸收光譜的調控作用，預言可用於μc-Si:H薄膜太陽電池的寬光譜陷光結構。本課題的研究結果將有望為薄膜太陽電池的光管理設計提供新的思路和理論依據。
結題摘要
與晶矽電池相比，矽基薄膜太陽電池具有低成本優勢，但光電轉換效率較低。改善矽基薄膜電池的光吸收是提高其轉換效率的關鍵。近年來，金屬納米結構表面等離激元在太陽電池陷光中的套用倍受關注。本課題採用基於有限元（FEM）的數值模擬方法，研究了矽基薄膜電池前、背表面上金屬納米結構對電池光吸收的影響。首先研究了微晶矽(μc-Si:H)襯底上單個金屬納米顆粒的光散射特性。結果表明：隨著球狀金屬納米顆粒半徑R的增大，表面等離激元共振波長紅移，歸一化吸收截面快速下降；在中長波段，顆粒的散射效率隨 R的增大而增大，但耦合效率則呈現單調下降趨勢。在相同大小的Au、Ag、Cu和Al納米顆粒中，Ag納米顆粒的散射截面最大，Au和Cu在短波區的吸收截面較大。另外，散射截面和耦合效率對顆粒形狀較敏感。與球狀顆粒相比，半球和圓柱狀顆粒的散射截面譜較寬（包括兩個等離激元共振峰），長波區的耦合效率較高；但散射峰強度較弱，短波耦合效率很低。然後，分別在矽基薄膜太陽電池的前、背表面設計了各種周期性分布的金屬納米結構，計算了電池在不同波段的光吸收率及AM1.5光譜入射下的積分光吸收相對於參考電池的提高百分比Eabs。結果發現：對於矽基薄膜太陽電池前表面，一維金屬納米光柵雖然可以提高橫磁波（TM波）的光吸收，但橫電波（TE波）及混合波（(TM+TE)/2）的光吸收反而下降，因此，一維金屬納米光柵不宜用於太陽電池前表面陷光；對電池前表面Al和Ag納米球二維陣列，影響電池光吸收的關鍵參數是顆粒覆蓋度，其中Ag顆粒陣列的陷光效果優於Al，前者Eabs最高可達26.1%，後者約為20%；將不同大小或不同成分的金屬納米顆粒交替排列，的確可以展寬電池的吸收光譜，其中長波光吸收的提高主要來自大顆粒的貢獻，而大、小顆粒間的相互耦合可改善電池對短波或中波光的吸收；將μc-Si:H薄膜電池前表面的Ag納米球部分嵌入在ITO層中，可進一步提高電池在短波和近紅外波段的光吸收，Eabs可提高至50.1%。在電池背表面，圓柱狀和半球狀顆粒陣列可獲得較好的長波陷光，與Au和Cu相比，Ag納米顆粒仍是最佳選擇；在電池前表面沉積70 nm厚的ITO減反膜，同時在電池背表面製備Ag納米柱陣列，也可實現寬光譜陷光，在非最佳化的情況下，Eabs可達58.1%。以上結果可為等離激元太陽電池的設計提供理論參考。
