使用双面金字塔光栅进行薄膜硅太阳能电池的有效光吸收

背景

随着微加工技术的进步，纳米表面形貌和结构设计变得越来越普遍和重要[1, 2]。参数的优化设计变得更加紧迫和必要，特别是对于晶体硅（CS）薄膜太阳能电池[3,4,5,6]。有一些关于应用于CS薄膜太阳能电池的双面光栅设计的报道，他们都表达了相似的观点，即这种结构可以实现宽带光吸收增强，能够达到Yablonovitch极限[7,8 ,9,10]。毫无疑问，双面光栅设计可以提高CS太阳能电池的整体光捕获能力。毕竟电子-空穴对的产生和分离发生在CS内部，考虑到每个吸收的能量大于带隙的光子产生一个而且只有一个电子-空穴对，那么光子吸收在各个部分之间是如何分布的CS太阳能电池是本文的重点。此外，我们的目标是通过调整参数来最大限度地提高CS本身对光子的吸收。

本文研究了前棱锥光栅（FPG）、后棱锥光栅（RPG）和双面棱锥光栅（DSPG）的光子吸收分布。总光子吸收A 进一步分为三个不同的部分，如图 1 所示，前表面光栅、CS 部分和后表面光栅的光子吸收，并标记为 A F , A 硅 , 和 A R ， 分别。光反射R , 传输 T , 和总吸收 A 满足 R + T + A =1.A 硅 不同结构模型的计算方法不同。

不同结构的晶体硅（CS）薄膜太阳能电池，带或不带金字塔光栅。 一 裸晶硅 (BCS)。 b 前棱锥光栅（FPG）。 c 后棱锥光栅（RPG）。 d 双面棱锥光栅（DSPG）。 (A F , A 硅 , 和 A R 分别代表前表面光栅、CS 部分和后表面光栅的光吸收。 H 是 CS 层的厚度； P 1 , D 1 , H 1 和 P 2 , D 2 , H 2 分别表示正反面硅棱锥的周期、底径和高度）

方法

在我们的理论计算中，由于模拟和实验结果之间的良好匹配，净辐射法和有效介质近似法一起使用 [4, 11]。如图 2 所示，N 的多层介质系统 层，N 我 是 i 的复折射率 th 媒体和接口标记为 i =1, …, N − 1、其中 i 是接口总数。下标 a , d 和 b , c 分别代表传入和传出的电磁辐射。输出和输入能量通量之间的关系 (Q ) 可以用界面处的反射和通过介质的透射来表示。对于每个接口 i ，有四个方程，

硅金字塔光栅的多层介质结构示意图，具有界面编号约定 (1, …, i , ..., N − 1)、复折射率(N 1, ..., N 我 , ..., N N ) 和电磁辐射通量 (Q 我 ,a , 问 我 ,b , 问 我 + 1,c , 问 我 + 1,d , ...)

r 我 ,i + 1 和 t 我 ,i + 1 (r 我 ,i + 1 + t 我 ,i + 1 =1) 分别是反射率和透射率，它们是使用每个界面的菲涅耳定律确定的。下标表示从 i 层转移的能量通量 到 i 层 + 1，反之亦然。 τ 我 是 i 层的吸收衰减率 , 定义为

其中 α 我 =4πk 我 /λ 是 i 层的吸收系数 和 d 我 /cos(φ 我 ) 是穿过厚度 d 层的距离 我 传播角度φ 我 . k 我 是复折射率N的虚部 我 =n 我 − ik 我 .实际折射率 n 我 和消光系数 k 我 是 λ 的函数 .假设垂直入射能量通量 Q 1,a =1 和 Q N ,d =0，那么，对于每一层 i ，能量吸收系数A 我 =Q 我 ,a − Q 我 ,c + Q 我 ,d − Q i,b 可以解决。

硅金字塔的有效多层结构也如图2所示，不同层的复折射率可以通过有效介质近似公式求解，

其中 f 1 和 f 2分别为硅金字塔光栅的体积填充与空气的比值，f 1 + f 2 =1.N 硅 , N 空气 , 和 N 效果 分别为CS、空气和硅金字塔光栅夹层的复折射率。

结合以上公式，各层吸收的光子通量可由下式计算，

A 我 是每一层的能量吸收系数； F (λ )是AM1.5光谱下地球表面太阳辐射光谱强度的分布。 λ 是入射光的波长，h 0 和 c 0 分别是普朗克常数和真空中的光速。吸收的光子总数可以表示为Φ =∑ Φ 我 .

结果与讨论

对于不同的金字塔光栅结构，为了比较，相关参数选择如下。首先，CS层的厚度H =10μm；设置硅金字塔的高度和底部直径H 1 =H 2 =200 纳米和 D 1 =D 2 =100 nm，分别。对于FPG，周期与底部直径之比设置为P 1 /D 1 =1，对于RPG，两个比率P 2 /D 2 =1 和 P 2 /D 2 =10 被考虑。最后，对于DSPG，比较了上述参数的不同组合。

不同棱锥光栅结构在给定参数下的光学性能如图3所示。从图3(a)和(b)可以看出，前表面光栅可以大大减少整个波段的光反射和改善总光吸收，特别是在区域 I 和 II。同时，在区域II，在适当的比率参数(P 2 /D 2 =10)。因此，将它们一起使用，对于DSPG，调整合适的参数不仅可以将光吸收最大化到Yablonovitch极限[7]，而且可以实现整个波段的零光反射，从而可以制作出真正的黑硅。此外，后表面金字塔光栅可以增加可见光和近红外光的透射率，如图3（c）所示，有利于应用于近红外光电探测器等领域[9, 10]。 <图片>

给定参数下不同硅金字塔光栅结构的光学特性与相同厚度的 BCS (BCS (H =10 μm), FPG (P 1 /D 1 =1, H 1 =200 纳米), RPG (P 2 /D 2 =1 或 P 2 /D 2 =10, H 2 =200 纳米），DSPG（P 1 /D 1 =1, P 2 /D 2 =1 或 P 2 /D 2 =10, H 1 =H 2 =200 纳米))。 (a ), (b ), 和 (c )分别为总光反射率、吸收率和透射率

对于CS太阳能电池，极大地提高尤其是CS体的光吸收是最终目标。因此，有必要进一步研究吸收光子在各部分之间的分布情况。对于FPG结构和RPG结构，各部分光子吸收三维等值线图分别如图4和图5所示。

FPG 结构不同部分光子吸收分布的等值线图。 (a ) 总光子吸收 A . (b ) 前表面光栅A的光子吸收 F . (c ) CS部分A的光子吸收 硅 . （图中虚线代表BCS的吸收）

RPG 结构不同部分光子吸收分布的等值线图。 (a ) 总光子吸收 A . (b ) CS部分A的光子吸收 硅 . (c ) 背面光栅A的光子吸收 R . （图中虚线代表BCS的吸收）

对于FPG结构，改变金字塔阵列的几何参数，整体光子吸收分布与各部分光子吸收分布对比如图4所示。从图4(a)中可以看出，总吸收光子随着金字塔高度的增加而增加，而较大的周期与直径之比对光子吸收无效。因此，这意味着更高的高度和更小的间隙将收获更多的高频光子，对于图 4 (b) 中所示的 FPG 吸收似乎也是如此。但是，如果 FPG 的高度继续增加，则会减少位于下方的 CS 的光子吸收，如图 4 (c) 所示。显然，存在一个最优参数配置，其中 P 1 /D 1 =1.05, H 1 =53nm。此外，如果假设被硅金字塔吸收的光子不参与 CS 中电子 - 空穴对的转换，则基于这些计算，还获得了 FPG 几何参数的合适范围，并与裸露的进行了比较。图 4 (c) 所示的硅。总之，FPG的高度越高，反射率越低，但这并不意味着光吸收更有效。

同样，对于RPG结构，整体和各部分的光子吸收分布如图5所示。对于图5（a）所示的总吸收，与FPG结构相比，显示出显着的光子吸收的差异随着周期与底部直径之比的增大和金字塔高度的降低而增强。这意味着，一方面，P 的较大比例 2 /D 2 和更小的 H 2 减少低频光子传输，光子返回，从而增加反射。但是，另一方面，在此过程中会促进光子被吸收。显然，导致吸收最少的参数配置是P 2 /D 2 =1.01, H 2 =168 nm，与图 5 (a) 所示的裸硅相比，还获得了合适的 RPG 几何参数范围。然而，在图 5 (b) 所示的 CS 部分，由于大量光子被反射，有效光吸收没有明显改善。图 5 (c) 显示后表面光栅吸收的光子比 CS 吸收的光子低两个数量级，并且有类似的趋势，看起来与图 5 (a) 所示的总吸收类似。这里也是，参数配置是P 2 /D 2 =1.03 和 H 2 =170 nm，与上面几乎相同。

从 FPG 和 RPG 的吸收分布可以看出，前者显然在改善图 4（c）所示的光子吸收方面起着重要作用，而后者意味着 CS 部分的光子吸收由于图 5 (b) 所示的背面光栅的存在。结合上述发现，研究了代表DSPG的四组不同参数的光学特性，如图6所示。

四组不同参数的DSPG光学特性(P 1 /D 1 =10, H 1 =10 纳米和 P 2 /D 2 =1.03, H 2 =170 纳米或 P 2 /D 2 =10, H 2 =10 纳米； P 1 /D 1 =1.05, H 1 =53 nm 和 P 2 /D 2 =1.03, H 2 =170 纳米或 P 2 /D 2 =10, H 2 =10 nm) 与 BCS (H =10 μm) 和 FPG (P 1 /D 1 =1.05, H 1 =53 nm 和 P 1 /D 1 =10, H 1 =10 纳米）。 (a ), (b ), (c ), 和 (d )分别为CS部分的总光反射率、透射率、吸收率和吸收率

由于图 6 (b) 所示的高频光子传输能力较弱，如果周期与底部直径的比例不合适（P 1 /D 1 =10 和 H 1 =10 nm)，不仅不会降低反射率，而且会导致反射增加和吸收减少，如图 6 所示。只有合适的参数 (P 1 /D 1 =1.05 和 H 1 =53 nm) 可以实现光吸收的显着增强。对于CS，由于其自​​身无法吸收区域III所示的低频光子，前后表面光栅的调制仅影响反射和透射之间的光分布。很明显，后光栅在区域 II 和区域 III 中起主要作用，并且与前表面光栅参数 (P 1 /D 1 =1.05, H 1 =53 纳米，P 2 /D 2 =1.03, H 2 =170 nm)，可以实现全波段近零反射。与相同参数的 FPG 相比，对于图 6(c) 所示的总吸收，在区域 II 中，具有适当参数的背面光栅的存在实际上可以提高红外光吸收 (P我> 2 /D 2 =10, H 2 =10 nm)，这证实了之前的结论，即不匹配的双光栅设计可以显着提高器件性能 [10]。然而，对于图 6(d) 所示的 CS 部分的吸收，使用后表面光栅的设计对提高 CS 的光吸收几乎没有影响。因此，从这个意义上说，尽管 RPG 可以反射光并将其重新引导回太阳能电池的光敏区域 [12]，但它并没有为有效光吸收提供额外的好处。需要开发一些新的设计来调整吸收光谱以优化集成[1, 13]。