薄膜电池的表面结构是怎样影响光伏效率的？

　　近年来，能源危机和环境污染极大地促进了光伏行业的发展。硅太阳能电池来源广泛，一直占据着太阳能电池市场的主导地位。降低成本和提高光电转换效率是太阳能电池研究的重点。
    薄膜太阳能电池是第二代太阳能电池，消耗原材料极少，通常厚度为1-2μm，但是硅对太阳光充分吸收的光学厚度为180μm，所以薄膜太阳能电池的吸收层并不能实现对光的全部吸收，造成电池的光电转换率较低。薄膜太阳能电池因为其自身厚度的问题，并不适合表面织构化，所以考虑在其表面应用混合陷光结构。
　　混合陷光结构就是应用正面陷光结构和背面陷光结构相结合的方式增强太阳能电池的光吸收。电池正面的金属颗粒会对光部分吸收，但电介质颗粒因为吸收系数很小，所以对光的吸收很弱，几乎可以忽略；背面的金属颗粒比电介质颗粒的散射效果要好，所以在电池正面用电介质颗粒做陷光结构，背面用金属颗粒做陷光结构，通过分别优化正面电介质颗粒和背面银颗粒的占空比来得到最优的混合陷光结构。
　　1、分析
　　图1所示的是薄膜硅太阳能电池的结构示意图。电池正面是半径半球形TiO2颗粒，前电极是ITO导电层，吸收层是单晶硅，电池背面是镶嵌着半球形银颗粒的ZnO：Al背电极和一层银反射镜。太阳光从正面入射，波长范围是400-1100nm。

    图2所示的是混合陷光结构电池的全光谱吸收曲线图。其中，StructureⅠ是无陷光结构的电池，StructureⅡ是仅正面含有TiO2颗粒的电池，StructureⅢ是仅背面含有Ag颗粒的电池，StructureⅣ是正面含有TiO2颗粒而且背面含有Ag颗粒的电池。

　　图3所示的是各种不同陷光结构的电池相对无陷光结构的电池的吸收增强比率，可以明显看出各种不同陷光结构的电池针对参考电池的吸收增强的波长范围。图4为各种不同陷光结构电池的短路电流密度（Jsc）图。StructureⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ电池的Jsc值分别为13.0mA/cm2，14.5mA/cm2，15.2mA/cm2，15.5mA/cm2。相对于参考电池（StructureⅠ），其他电池的电路电流密度的增加量分别是1.5mA/cm2，2.2mA/cm2，2.5mA/cm2。


　　图5所示的是各种不同陷光结构的电池在446nm，1011nm波长处的电场图。（a）（b）（c）（d）为446nm处短波段光吸收的电场图。短波段的光一部分会被吸收层的表面吸收，另一部分会被表面反射回空气中，不能透射到吸收层的底部，所以吸收层底部的银颗粒不能对光吸收起到增强作用。

    但是，TiO2颗粒的强散射作用可以使入射光深入到吸收层表面以下300nm的地方，远远大于（a）（c）电池的吸收，从而增强了吸收层对短波段光的吸收。对于长波段的光，1μm的硅吸收层不足以去部吸收，部分会透射出电池。TiO2颗粒相对于长波段来说，相当于一层油折射率的薄膜，不影响光的传播。金属银颗粒能将透射过电池的光反射会吸收层，从而增强对长波段光的吸收。
    如图（g）（h）所示的就是金属银颗粒对透射光的反射作用，形成了一种周期性的布洛赫衍射振荡图像。图（e）（f）所示的是背面没有金属银颗粒的电池，其图像是典型的法布里帕罗振荡。
　　从电场图中可以看出：TiO2颗粒因为散射可以形成一种电介质光栅降低光的反射；而金属银颗粒因为散射不仅可以形成一种金属光栅，而且表面的等离子体的近场增强作用在银颗粒边缘仍然有效。
　　2、结果与讨论
　　图6所示的是TiO2、SiO2和Si3N4颗粒电池的短路电流密度随颗粒半径变化示意图。从图中可以看出，虽然电池正面电介质颗粒不同，但是短路电流密度的变化趋势类似。短路电流密度随着颗粒半径的增大而增大，而半径增大到一定程度时，短路电流密度会随着半径的增大而减小。


　图7所示的是TiO2颗粒半径不同时的反射曲线图。其中，颗粒半径取50nm，100nm，150nm和200nm，而正面没有TiO2颗粒的电池作为参考电池。从图中可以看出，带有TiO2颗粒的电池在短波段都会有小幅反射，在长波段有较大的反射。

    当颗粒半径增加时短波段的反射会进一步降低，长波段的反射反而会增加。所以颗粒半径存在一个最优值可以使电池的光吸收在太阳能光谱上积分取得最大值，即短路电流密度取得最大值。

　图8所示的不同金属不同半径下短路电流密度示意图。从图中可以看出，在很大范围内，短路电流会随着金属颗粒半径的增大而增大，而金属银颗粒半径在320nm时，短路电流会取得最大值。因为金属颗粒半径越大，其表面等离子体特性越不明显，所以这是金属颗粒的主要作用是对透射光的散射。
　　3、结论
　　陷光结构对于薄膜硅太阳能电池的光吸收作用有很明显的增强。光在介质中主要是以辐射模式和导波模式传播。辐射模式中光波寿命很短，在介质中传播的距离有限；而导波模式中光波寿命很长，可以在介质中传播很长的距离，可以使介质充分吸收光。
    光入射到平板波导时不会形成导波模式。入射光只有在被散射后才能使其传播角度大于介质与空气的全反射角，才可能耦合成导波模式。陷光结构就是在散射光的同时将入射光耦合成导波模式，增加光在吸收层的光学路径，增强光的吸收。
    导波模式可以和平面波耦合，形成导波共振，对应电池光谱响应曲线上的一个吸收峰。改变陷光结构的周期和占空比可以增加导波模式的数量，增加电池光谱响应曲线上的吸收峰。，增强宽光谱的光吸收。