李洪敬

（南京曉莊學院 教師教育學院，江蘇 南京211171）

引言

近年來太陽能的利用成為能源產業(yè)中最受矚目的一項，如今越來越多的研究團隊專注于太陽能電池的開發(fā)研究，其中最主要的技術包含硅晶太陽能電池、薄膜太陽能電池、III-V太陽能電池與染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell，DSSC）等。目前太陽能電池光電轉換效率大約在20%左右，如何充分利用太陽能，提高電池效率是急需解決的一個重大課題。而其中提高非晶硅對太陽光的吸收效率與縮減光電池設備的成本成為了人們研究的熱點。提高非晶硅光電轉換效率的主要機理是通過延長光子在非晶硅中的傳播路徑，以此增加光吸收效率。研究發(fā)現(xiàn)，介電光柵、光子晶體［1－6］等微米或納米尺寸的介電結構可以用于提高非晶硅的光電轉換效率。此外，適當?shù)卦黾臃蔷Ч璧碾姶艌?，可以有效地提高非晶硅的光吸收效率?－11］。電介質結構由于其共振寬度非常狹窄，不能有效地增加非晶硅的電磁場，因此對非晶硅的光吸收效率作用不明顯。而金屬納米結構由于其特殊的光學性能，能夠產生明顯增強非晶硅的光吸收效率。因此，我們可以利用表面等離子激元微結構增強非晶硅薄膜太陽能電池材料和器件的光吸收。

太陽能電池的光電效率轉換是一個整體效應，影響太陽能電池效率的內部機制是十分復雜的，概括可分為光、電2種主要特性，光學性質與電學性質之間相互耦合且彼此關聯(lián)。本論文主要選擇以光學性質作為切入點［12－13］，希望透過增加光捕捉效應，來增加光子的吸收，提高光電轉換效率。為了避免在薄膜太陽能電池使用貴金屬納米顆?；虮∧ざ档涂傮w入射光子數(shù)，我們設計了一種新的太陽能電池結構，在吸收層下面引入金屬光柵。此結構不僅可以避免貴金屬納米顆?；虮∧さ奈斩档涂傮w入射光子數(shù)，還可以提高大角度、寬波長范圍的光吸收效率。使用嚴格耦合波理論數(shù)值計算結果顯示，相對于傳統(tǒng)的平板非晶硅薄膜太陽能電池，新結構對于400nm～1 000nm波長之間的太陽光的理論最大吸收增強因子可達40%。

1 薄膜太陽能電池的結構設計與數(shù)值計算

嚴格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis）［14］方法是利用Maxwell方程組和邊界條件對具有周期性結構的光柵進行精確求解的一種方法。由于計算簡單快捷，被廣泛應用于各種周期性結構衍射體的電磁場衍射分析中，已成功準確地分析了亞波長量級全息光柵和浮雕光柵的衍射特性，同時它對于平面全息光柵、任意表面形狀的電介質或金屬表面浮雕光柵、多元全息光柵和二維光柵都適用。本文基于嚴格耦合波分析矢量衍射理論，設計了一種具有較大吸收增強因子的薄膜太陽能電池結構。假定入射到太陽電池表面的光為平面波，通過計算太陽光在電池上表面的反射率和下表面的透射率可以得到硅太陽電池對光子的吸收率。

所設計的二維薄膜太陽能電池的結構模型如圖1所示。該結構由上到下可分為上表面電極（ITO導電膜）、吸收區(qū)（非晶硅，a-Si）、下表面電極，下表面電極和吸收區(qū)之間是一個周期為Λ、寬度為w的金光柵，光柵內可以填充合適的電介質材料來調節(jié)復合結構的光學響應，進而調節(jié)整個結構對太陽光的吸收。本文中，在光柵區(qū)域內填充ITO介質膜。

圖1 用于增強吸收的太陽能電池基本結構Fig.1 Designed solar cell structure for enhancement of optical absorption

在數(shù)值計算和理論分析中，對于金屬，它們的介電常數(shù)的色散和吸收是不能忽略的。金是最典型的Drude金屬，它的介電常數(shù)可用Drude模型來很好地近似：

對于金，等離子體頻率?ωp＝8.99eV，電子的弛豫時間ωpτ－1＝0.002 678［15］。ITO和非晶硅也被視為色散材料，介電函數(shù)參考文獻［15］。入射光的波長變化范圍為400nm～1 000nm。薄膜電池對光的總吸收表達式如下：

為了達到最大光吸收效率，要對結構的參數(shù)進行優(yōu)化。主要討論非晶硅厚度以及入射角度的變化對吸收的影響，以期設計出大角度、寬光譜吸收、無偏振依賴的太陽能電池結構。

入射角分別為0°、30°，固定Λ ＝350nm，w＝t＝50nm，t1＝20nm，t4＝100nm時，設計的太陽能電池的吸收隨非晶硅厚度的變化關系顯示在圖2中。在滿足Fabry-Perot共振條件時，此結構會出現(xiàn)強吸收。另外發(fā)現(xiàn)，入射角增大（圖2（b））時，此結構的強吸收區(qū)域并沒有減小，說明該結構能夠實現(xiàn)大角度的光波吸收。入射角持續(xù)增大時，仍然可以得到相同的結果。

圖2 吸收率隨非晶硅厚度的變化關系Fig.2 Optical absorption spectrum calculated by RCWA with varied thickness of active region

下面我們考慮金屬光柵寬度對吸收的影響。圖3是2種結構對應的吸收率譜線隨入射角的變化關系。2種結構對應的光柵的寬度分別為50nm和250nm?？梢钥闯鲈黾庸鈻艑挾炔⒉荒茱@著增強吸收。但是可以發(fā)現(xiàn)2種結構在長波長區(qū)都有強烈的吸收，這意味著長波長光子能夠被電池吸收，在電池體內的吸收路徑得到延長，因此可以提高光電轉換效率。

對于圖3（a）對應的結構，同時計算了未放置金屬光柵時的吸收率譜線作為參考值。使用吸收率增強因子來衡量薄膜太陽能電池的性能。增強因子定義為：放置金屬光柵時的總吸收率值與未放置金屬光柵時的總吸收率值的比值減1。

圖3 吸收隨入射角的變化關系Fig.3 Optical absorption spectrum calculated by RCWA with varied incident angle

當入射角度變化時，計算得到的增強因子變化曲線如圖4所示?？梢钥闯鲈O計的結構即使在太陽光大角度入射時，仍然能夠達到吸收增強，最大的吸收增強因子達到了40.5%。吸收增強主要是由于以下原因：1）Fabry-Perot共振。吸收區(qū)非晶硅厚度的變化會引起腔模共振，在滿足Fabry－Perot條件時，出現(xiàn)強吸收，如圖2所示；2）表面等離子激元的存在。當TM偏振光入射時，表面等離子激元被激發(fā)，MIM微腔結構可以把光局域在表面等離子激元結構中，由于此微腔模式的存在，吸收區(qū)可以吸收更多的光子；3）非晶硅平面波導。導波模受到很多因素影響，比如非晶硅的厚度、波導周期、入射光偏振，但是波導的寬度對導波模的影響不大，從圖3可以得到驗證。增加金屬光柵可以改變微腔的有效厚度，不管入射光的偏振如何，通過調節(jié)周期性光柵結構都可以調節(jié)腔模共振，達到增強吸收太陽光譜的目的。為了驗證這一點，使用TE偏振光入射，按照同樣的方法計算吸收率增強因子，如圖5所示，此時結構對應的參數(shù)同圖3（b）一致。雖然TE偏振光在此結構中無法激發(fā)表面等離激元，但是由于加入周期性波導陣列后，非晶硅平面波導的導波模式被激發(fā)，仍然能夠提高此結構對光子吸收，最高吸收增強因子接近16%。

圖4 圖3（a）結構對應的吸收增強因子隨入射角度的變化關系，入射光波為TM偏振波Fig.4 Relationship between enhancement factor of optical absorption and incident angle with the same structure as in Fig.3（a）（incident wave is TM polarized）

圖5 TE波入射時，吸收增強因子隨入射角度的變化關系Fig.5 Relationship between enhancement factor of optical absorption and incident angle with the same structure as in Fig.3（b）（incident wave is TE polarizd）

2 結論

表面等離子激元是增強薄膜太陽能電池吸收的一種有效途徑。表面等離子激元可以產生很強的近場增強效應，同時會增強散射截面值。吸收的大小正比于電場強度的大小，同時強的散射截面值保證了更多的光子被吸收區(qū)吸收，顯著地增強了吸收長度，使光子在太陽能電池中的滯留時間與平均光子路徑增強，以達到吸收效率的提升。但是表面等離子激元只可以在TM偏振光入射情形下才可以被激發(fā)，而太陽光為非偏振光，我們設計了一種可以提高總體吸收的太陽能電池結構。在吸收區(qū)和下表面電極之間添加光柵結構，當TM偏振光入射，由于微腔模式的存在，可以把更多的光局域在表面等離子激元結構中，導致吸收區(qū)可以吸收更多的光子，吸收增強因子最高超過40%。在TE偏振光入射時，雖然沒有表面等離激元的近場增強效應的幫助，但是由于非晶硅平面波導模式的激發(fā)，仍然能夠導致強的電磁場分布，吸收增強因子最高可達16%。

［1］ 鐘迪生.硅薄膜太陽能電池研究的進展［J］.應用光學，2001，22（3）：34-40.ZHONG Di-sheng.Research progress in solar Si thin films［J］.Journal of Applied Optics，2001，22（3）：34-40.（in Chinese with an English abstract）

［2］ 楊少鵬，柴老大，李占峰等.采用高傳導率銀銅鎳網(wǎng)格電極的柔性聚合物太陽能電池［J］.應用光學，2010，31（2）：210-214.YANG Shao-peng，CHAI Lao-da，LI Zhan-feng，et al.Flexible polymer solar cells using high conductivity Ag：Cu：Nimetal grid anode［J］.Journal of Applied Optics，2010，31（2）：210-214.（in Chinese with an English abstract）

［3］ 孫晨，李傳皓，石瑞英等.金屬納米顆粒對有機太陽能電池光吸收效率影響的研究［J］.光子學報，2012，41（11）：1335-1341.SUN Chen，LI Chuan-hao，SHI Rui-ying，et al.A study of influences of metal nanoparticles on absorbing efficiency of organic solar cells［J］.Acta Photonica Sinica，2012，41（11）：1335-1341.（in Chinese with an English abstract）

［4］ 沐俊應，徐娟，粱氏秋水，等.有機薄膜太陽能電池的研究進展［J］.電子工藝技術，2007，28（2）：93-96.MU Jun-ying，XU Juan，LIANG Shi-qiu-shu，et al.Progress of organic thin film solar cells［J］.Electronics Process Technology，2007，28（2）：93-96.（in Chinese with an English abstract）

［5］ 李祥，文尚勝，姚日暉.硅基有機太陽能電池光學性能分析［J］.發(fā)光學報，2012，33（3）：286-293.LI Xiang，WEN Shang-sheng，YAO Ri-hui.Analysis of optical performance for organic solar cell on Si substrate［J］.Chinese Journal of Luminescence，2012，33（3）：286-293.（in Chinese with an English abstract）

［6］ 沈宏君，盧輝東，程學珍.一維衍射光柵和一維光子晶體組成的硅薄膜太陽能電池背反射器［J］.發(fā)光學報，2012，33（6）：633-639.SHEN Hong－jun，LU Hui-dong，CHENG Xuezhen.Back reflectors of thin-film Silicon solar cells consisting of one-dimensional diffraction gratings and one-dimensional photonic crystal［J］.Chinese Journal of Luminescence，2012，33（6）：633-639.（in Chinese with an English abstract）

［7］ PILLAI S，CATCHPOLE K R，TRUPKE T，et al.Surface plasmon enhanced silicon solar cells ［J］.Journal of Applied Physics，2007，101（9）：093105-1-8.

［8］ SHEN H，BIENSTMAN P，MAES B.Plasmonic absorption enhancement in organic solar cells with thin active layers［J］.Journal of Applied Physics，2009，106（7）：073109.

［9］ BAI W L，GAN Q，BARTOLI F，et al.Design of plasmonic back structures for efficiency enhancement of thin-film amorphous Si solar cells［J］.Opt.Lett.，2009，34（23）：3725-3727.

［10］ GHAEMI H F，THIO T，GRUPP D E，et al.Surface plasmons enhance optical transmission through subwavelength holes［J］.Phys.Rev.B，1998，58（11）：6779-6782.

［11］ NAKAYAMA K，TANABE K，ATWATER H A.Plasmonic nanoparticle enhanced light absorption in GaAs solar cells［J］.Appl.Phys.Lett.，2008，93（12）：1904-1906.

［12］ 周林，朱永元.金屬異質波導陣列中的表面等離激元傳 播 特 性 ［J］.光 學 學 報，2008，28（6）：1047-1050.ZHOU Lin，ZHU Yong－yuan.Propagation characteristics of surface plasmon polaritons in a metal heterowaveguide array［J］.Acta Optica Sinica，2008，28（6）：1047-1050.（in Chinese with an English abstract）

［13］ 楊晶晶，黃銘，吳中元等.亞波長銀粒子／孔的光諧振特性 ［J］.光學學報，2009，29（5）：1379-1383.YANG Jing－jing， HUANG Ming， WU Zhongyuan，et al.Optical resonance for subwavelength Ag particle／hole［J］.Acta Optica Sinica，2009，29（5）：1379-1383.（in Chinese with an English abstract）

［14］ MOHARAM M G，GAYLORD T K.Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction［J］.J.Opt.Soc.Am.，1981，71（7）：811-818.

［15］ PALIK E D.Handbook of optical constants of solids［M］.Orlando：Academic Press，1985.