光子学报  2018, Vol. 47 Issue (7): 0705001  DOI: 10.3788/gzxb20174607.0705001
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引用本文  

陈科, 方旭, 郑红梅, 吴睿, 汪园园. 固定体积比例下Ag纳米线对不同光栅结构吸收的影响[J]. 光子学报, 2018, 47(7): 0705001. DOI: 10.3788/gzxb20174607.0705001.
CHEN Ke, FANG Xu, ZHENG Hong-mei, WU Rui, WANG Yuan-yuan. Influence of Ag Nanowires on Optical Absorption of Different Grating Structures under Fixed Volume Ratio[J]. Acta Photonica Sinica, 2018, 47(7): 0705001. DOI: 10.3788/gzxb20174607.0705001.

基金项目

国家自然科学基金重点项目(No.51435003)资助

第一作者

陈科(1965-), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为机电产品的现代化设计理论和方法.Email:K.Chen@163.com

通讯作者

郑红梅(1966-), 女, 教授, 博士, 主要研究方向为传感器及测控技术、机械系统动力学.Email:ColorfuLemonFX@163.com

文章历史

收稿日期:2017-11-02
录用日期:2017-12-08
固定体积比例下Ag纳米线对不同光栅结构吸收的影响
陈科 , 方旭 , 郑红梅 , 吴睿 , 汪园园     
(合肥工业大学 机械工程学院; 安徽省数字化设计与制造重点实验室, 合肥 230009)
摘要:为了研究Ag纳米线对单晶硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响,设计了固定体积比例下具有三角形光栅和矩形光栅的单晶硅薄膜太阳能电池结构.在两种结构的Ag-Si交界处分别添加横向截面为圆形和矩形的Ag纳米线阵列,利用有限时域差分法分别模拟计算了这两种结构的太阳能电池和对照组的吸收光谱.通过扫描优化得到两种光栅结构的最佳高度、纳米线横截面积以及分布密度,并计算出最优条件下300~1 100 nm波段的光吸收效率.通过分析光吸收增强谱和电磁场强度分布图得出了含有纳米线模型在长波段的吸收增强机理.结果表明,添加了Ag纳米线后的两种太阳能电池模型均比两种对照组模型具有更好的光捕获和吸收作用,在矩形光栅模型中添加Ag纳米线后吸收效率的提升要比三角形光栅模型中更为明显.研究结果可为新型太阳能电池的结构参数设计提供参考.
关键词光电子学    光吸收    有限时域差分法    Ag纳米线    硅薄膜太阳能电池    短路电流密度    
中图分类号:TK514      文献标识码:A      文章编号:1004-4213(2017)07-0705001-10
Influence of Ag Nanowires on Optical Absorption of Different Grating Structures under Fixed Volume Ratio
CHEN Ke , FANG Xu , ZHENG Hong-mei , WU Rui , WANG Yuan-yuan     
(Digital Design and Manufacture Key Laboratory of Anhui Province, College of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
Foundation item: The National Natural Science Foundation of China (No.51435003)
Abstract: In order to study the influence of Ag nanowires on the light absorption efficiency of crystalline silicon thin film solar cells, a kind of crystalline silicon thin film solar cell structure with triangular grating and rectangular grating at fixed volume ratio was designed. At the Ag-Si junction of the two structures, a circular and rectangular Ag nanowire array were added respectively. The absorption spectra of these two structures and the control group were simulated by finite difference time-domain method. The optimal height, nanowire cross-sectional area, and distribution density of the two grating structures were obtained by sweeps function of finite difference time-domain method software, and the light absorption efficiency of wavelength region of 300~1 100 nm was calculated under the optimal conditions. The absorption enhancement mechanism of the nanowire model in the long wavelength band was obtained by analyzing the light absorption enhancement spectra and the electromagnetic field intensity distribution. The results showed that the two structures with Ag nanowires had better light capture and absorption than the two control groups. Moreover, the absorption efficiency of Ag nanowires in the rectangular grating model is improved more significantly than the triangular grating model, which can provide reference for the design of structural parameters of new solar cells.
Key words: Optoelectronics    Light absorption    Finite difference time-domain method    Ag nanowire    Silicon thin film solar cell    Short circuit current density    
OCIS Codes: 050.2230;050.2770;310.6845;250.5403;220.2740
0 引言

随着新能源的开发和利用,太阳能电池成为利用太阳能的重要产物[1-3].由于传统太阳能电池的吸收效率非常低,因此,光吸收效率一直是太阳能电池研究的重点.在当今薄膜太阳能电池研究领域中,利用硅半导体来制造薄膜太阳能电池是非常简单又直接的方法[4].然而,由于长波段的光被充分吸收所需要传输的距离远大于薄膜太阳能电池的厚度,所以薄膜太阳能电池存在转换效率低下的问题[5].

为了提高吸收效率,研究者们通过改变光栅结构来使金属光栅表面与半导体结合从而产生等离子激元共振(Surface Plasmon Resonances, SPRs)模式[6-8].2010年,德克萨斯大学奥斯汀分校的WANG W等提出一种ITO-Si-Ag的太阳能电池模型,下方分布了Ag矩形光栅,通过改变矩形光栅的宽度对该模型进行优化,最终发现该模型比平板太阳能电池对照组的光吸收效率提升了30%[9].2013年,郑州大学孙晓红教授等将太阳能电池的非晶硅吸收层雕刻成一维矩形光栅结构,该结构在300~700 nm波长段的光吸收效率相对平板吸收结构的光吸收效率最大提升达到58.3%[10].2015年,孟加拉工程技术大学AWAL M A等设计了一种吸收层厚度为300 nm的顶部有一维周期硅光栅光伏结构,将顶部的硅与下方银接触,这种双层混合陷光结构使得光吸收效率在宽波段上提高了46%[11].2016年,华中科技大学程强教授等提出了一种二维硅光栅和锗纳米棒的组装光伏吸收结构,在300~1 100 nm波长段的光吸收效率比只有硅光栅的结构的光吸收效率有明显的提高[12].

研究者们对太阳能电池中等离子激元结构的设计有着比较深入的研究,等离子激元光子学的研究内容是金属纳米结构独特的光学性质及其应用[13-15].2014年,武汉理工大学许文英提出在太阳能电池Si吸收层中添加Ag&Al2O3金属颗粒,并且通过改变颗粒半径,得到不同位置的等离子激元共振吸收峰[16].2015年,南京大学固体与微结构物理国家重点实验室通过纳米粒子束流气相沉积方法控制Ag纳米颗粒在衬底层的分布,研究发现表面等离子激元共振波长的变化与随纳米粒子沉积量增加而增加的紧密相邻的纳米粒子对的百分数相关[17].

除了通过将普通形状的光栅(矩形、三角形等)进行简单的叠加、阵列等来改变光栅结构外,还有学者通过改变硅表面形状的方法来研究太阳能电池吸收效率.2012年,上海交通大学冯仕猛教授等提出将多晶硅表面制绒的陷光模型,并比较了表面布满凹陷的U字型陷阱坑和V字型陷阱坑的反射率[18].2013年,哈尔滨工业大学李美成教授等为了研究硅纳米线阵列的减反性能分别测试了平板硅金字塔、多孔硅与硅纳米线阵列的反射光谱,发现硅纳米线的减反效果最好[1].在之前的研究工作中,我们也设计了一种一维双层余弦光栅结构的单晶硅太阳能电池,通过计算发现余弦光栅结构比矩形光栅结构的吸收效率更高[20].

Ag纳米线具有一定的光捕获和吸收增强作用[13, 17],然而,有部分学者在设计太阳能电池结构时不仅添加了Ag纳米线,同时还改变了光栅的占空比,从而改变了Si吸收层的体积[20].随着Si吸收层体积的改变,太阳能电池的光吸收效率也会改变,导致在分析计算结果时不易判断Ag纳米线对太阳能电池结构光吸收的影响.因此,本文设计了一种在固定体积比例下在Ag-Si光栅交界处添加Ag纳米线的薄膜太阳能电池结构.通过设置对照组,分别计算了在三角形光栅和矩形光栅太阳能电池结构中添加Ag纳米线对光吸收的影响.并通过扫描优化,控制光栅高度、Ag纳米线横向宽度以及数目得出最佳光吸收效率.

1 薄膜太阳能电池结构

图 1为薄膜太阳能电池的平面结构模型.材料由上到下分别为ITO(In2O3-SnO2)层、c-Si层和Ag层.图 1(a)为平板结构对照组(P-Thin Film Solar Cell, P-TFSC).图 1(b)(e)为含有三角形光栅(Tri-TFSC)和矩形光栅的太阳能电池(Rect-TFSC)对照组.图 1(c)(g)分别在图 1(b)(e)对照组模型上沿Ag-Si交界处添加了横截面为圆形的Ag纳米线,即为含有纳米线阵列的三角形光栅结构(Tri-TFSC-CAg)和矩形光栅结构(Rect-TFSC-CAg).在图 1(d)中,将矩形纳米线沿着边界线添加至模型中,添加的纳米线横截面为正方形,正方形中心坐标与图 1(c)中圆形纳米线圆心坐标相同(Tri-TFSC-RAg).在图 1(f)(g)中,将纳米线均匀添加至三个边,分别形成含有横截面为圆形和矩形Ag纳米线的矩形光栅(Rect-TFSC-CAg&Rect-TFSC-RAg).模型宽度为D=500 nm,光栅高度为H,除去ITO层的高度为L,ITO层厚度为20 nm.光栅结构周期P均为125 nm.图 1中7种模型在水平方向均具有周期性,因此,模拟计算区域取一个周期.取模型水平方向正中间的一个周期作为模拟计算区域.矩形光栅中Ag宽度与Si宽度相同.由于添加的纳米线横截面积很小,所以所有模型中,Ag层与Si层的体积比例近似等于1:1.

图 1 薄膜太阳能电池平面结构示意图 Fig.1 Thin film solar cell plane structure diagram
2 数值模拟与分析

使用有限时域差分法(Finite Difference Time-Domain, FDTD)对图 1中的模型进行模拟仿真分析.入射光为AM1.5光谱.通过FDTD Solution软件控制模型Si吸收层.由于Si层不同的厚度对太阳能电池光吸收影响较大,因此在优化过程中控制Si层总体积基本不变.主光栅控制光栅高度H,纳米线控制其分布密度和几何参数,其中,圆形截面控制半径,矩形截面控制边长(统一用r表示).通过扫描优化的短路电流结果可以得出:三角形光栅最佳高度为160 nm,矩形光栅最佳高度为110 nm.在图 1(c)(d)模型中,控制的变量有Ag纳米线的半径(图 1(d)模型中为正方形边长)和一条边上Ag纳米线数量M.在图 1(g)(h)模型中,变量同样为Ag纳米线的边长和数量.但由于矩形光栅模型有三个边,因此在扫描优化过程中令底边、侧边和顶边纳米线数量分别为J, K, M.通过FDTD仿真计算得到的优化结果见表 1.其中r为半径,r′为正方形纳米线模型中对应的边长.表中变量值为“/”表示在该模型中没有对应的变量,不需要优化.如图 1(c)中,由于三角形光栅两边对称,因此只考虑一条边上纳米线的数量M.)

表 1 7种太阳能电池模型优化结果 Tab.1 Optimized results of 7 kinds of solar cell
2.1 光吸收效率与归一化光吸收密度分析

图 2图 3为7种结构(图 1(a)~(g))的太阳能电池在AM1.5光照下Si层吸收光谱.可以看出,这6种结构(图 1(b)~(g))的光吸收效率相对于平板结构均有明显提高.其中,在300~700 nm波长段没有太多的吸收增强,但是在700~1 100 nm波长段光谱出现很多波峰,吸收效率明显提高.从图 3(d)(f)中可以看到,在矩形光栅Ag-Si边界处由于添加了Ag纳米线,使得TM偏振光下长波段光吸收有明显增强.图 3(e)中,光吸收效率谱的波峰在中长波段出现了红移现象.

图 2 三角形光栅结构的吸收光谱 Fig.2 Absorption spectra of triangular gratings
图 3 矩形光栅结构的吸收光谱 Fig.3 Absorption spectra of rectangular gratings

为了进一步分析这6种结构在300~1 100 nm波长段的光吸收效率,根据式(1)分别计算了300~700 nm和700~1 100 nm两个波长段的归一化光吸收密度.结果如图 4.

$ {\rho _{{\rm{abs}}}} = \frac{{\int_{{\lambda _{{\rm{min}}}}}^{{\lambda _{{\rm{max}}}}} {{P_{{\rm{abs}}}}\left( \lambda \right){\rm{d}}\lambda } }}{{{\lambda _{{\rm{max}}}} - {\lambda _{{\rm{min}}}}}} $ (1)
图 4 AM1.5光照下的归一化光吸收密度曲线 Fig.4 Normalized optical absorption density curves under AM1.5 illumination

式中,λminλmax为波长段的最小波长和最大波长值,Pabsλ为波长λ时光吸收效率.

图 4(a)中可以看到在300~700 nm波长段,矩形光栅在TE偏振光下的光吸收效率要比三角形光栅效果好;而在TM偏振光下三角形光栅的光吸收效率比矩形光栅效果好.并且在TM偏振光下,含有纳米线的Tri-TFSC和Rect-TFSC模型的光吸收均比没有纳米线的模型有一定的增强.从图 4(b)中可以看出在700~1 100 nm波长段,三角形光栅和矩形光栅在TE偏振光下的吸收没有明显差别,甚至在添加了CAg和RAg纳米线后也没有明显差别.在TM偏振光下可以看出:1)三角形光栅模型下的光吸收效率比矩形光栅模型下的光吸收效率要高出很多;2)两种模型分别添加了CAg和RAg纳米线后,光吸收效率都有明显增强;3)分别添加了CAg和RAg纳米线后,尽管三角形光栅模型下的光吸收效率还是高于矩形光栅模型,但是两种模型的吸收差距明显缩小了很多,换言之,尽管在添加了纳米线后矩形光栅模型的光吸收效率还是比三角形光栅略低一些,但是添加Ag纳米线使得矩形光栅的光吸收效率提升的更明显;4)含有CAg纳米线太阳能电池结构吸收效果比含有RAg纳米线的吸收效果要好.从图 4(c)中可以看到在非偏振光条件下,矩形光栅模型在短波段的光吸收效率比三角形光栅模型效果好,三角形光栅模型在长波段光吸收效果比矩形光栅模型好.

2.2 光吸收增强谱与电磁场强度分布图

图 3图 4已经得知,在矩形光栅太阳能电池模型中添加Ag纳米线后光吸收提升效果更为明显,这种增强主要是由于TM偏振光下长波段的光吸收增强.为了进一步分析Rect-TFSC-CAg和Rect-TFSC-RAg两种模型的光吸收增强机理,将Rect-TFSC-CAg和Rect-TFSC-RAg两种模型分别于TE和TM偏振光条件下与平板模型做对比,得到光吸收增强谱,如图 5.

图 5 Rect-TFSC-CAg和Rect-TFSC-RAg模型光吸收增强谱 Fig.5 Absorption enhancement spectra of Rect-TFSC-CAg and Rect-TFSC-RAg model

可以看出,在TM偏振光下Rect-TFSC-CAg和Rect-TFSC-RAg模型长波段光吸收增强远远高于Rect-TFSC模型.在图 5(a)中取721 nm波长点、图 5(b)中取715 nm波长点来分析电场强度的分布;在图 5(c)中选取996 nm波长点、图 5(d)中选取980 nm波长点来分析磁场强度的分布.电磁场分布图结果见图 6.

图 6 部分波长点下电磁场强度分布图 Fig.6 Electromagnetic field distributions at different wavelength

图 6(a)~(d)中可以看出,在721 nm波长处Rect-TFSC-CAg模型的电场分布图要明显强于Rect-TFSC模型,在715 nm波长处Rect-TFSC-RAg模型的电场分布图也明显强于Rect-TFSC模型.这两个波长点在含有Ag纳米线的模型中,Si层中出现了两处非常强的电场分布.这两道强电场层也对应了图 5中TE偏振光下两种模型的两个最高点.从图 6(e)~(h)中可以看出,在996 nm和980 nm这两个波长点上,尽管添加Ag纳米线后的模型底层Si的磁场强度有一定程度的减弱,但是Si层上部的磁场强度得到了大幅度的提升.这是由于在Si层上部出现法布里珀罗谐振增强的缘故[21-22].这也对应了图 5中TM偏振光下Rect-TFSC-CAg模型和Rect-TFSC-RAg模型的吸收增强倍数远远高于Rect-TFSC模型.

2.3 短路电流密度

图 1中7种单晶硅薄膜太阳能电池模型的短路电流密度的计算公式为

$ {J_{{\rm{sc}}}} = e \times \int_{{\lambda _{{\rm{min}}}}}^{{\lambda _{{\rm{max}}}}} {\frac{{{P_{{\rm{abs}}}}\left( \lambda \right) \times {\rm{SP}}\left( \lambda \right)}}{{{E_e}\left( \lambda \right)}}{\rm{d}}\lambda } $ (2)

式中,e为电子电量,Ee(λ)是波长为λ的单个光子的能量,SP(λ)是AM1.5光谱.计算结果见表 2.

表 2 短路电流密度 Tab.2 Short-circuit current density

表 2可以得出,光吸收效果最好的模型为Tri-TFSC-CAg,此模型比P-TFSC模型的短路电流密度提升了23.1%,比Tri-TFSC模型的短路电流密度提升了4.7%.通过添加Ag纳米线后吸收效果提升最大的模型为Rect-TFSC-CAg,此模型比P-TFSC模型的短路电流密度提升了20.7%,比Rect-TFSC模型的短路电流密度提升了13.5%.从图 7中可以明显看出三角形光栅模型短路电流密度比矩形光栅模型的要大,CAg纳米线效果比RAg纳米线效果要好.但是矩形光栅添加CAg和RAg纳米线后短路电流密度的提升幅度更大.

图 7 短路电流密度曲线 Fig.7 Short-circuit current density curves
3 结论

本文在优化了高度之后的三角形光栅和矩形光栅薄膜太阳能电池的基础上设计了一种在Ag-Si交界处添加Ag纳米线阵列的薄膜太阳能电池结构.为了排除Si层厚度对太阳能电池光吸收的影响,所有模型中Ag与Si的体积比均为1:1.通过优化Ag纳米线阵列的形状、横截面积和分布密度最终确定了三角形光栅和矩形光栅下的最优纳米线阵列,并模拟计算了薄膜太阳能电池的光吸收效率谱.运用归一化光吸收密度和光吸收增强谱分别对7种结构的太阳能电池在300~700 nm波长段和700~1 100 nm波长段的光吸收效率进行了对比分析.结果表明:

1) 在没有添加Ag纳米线阵列的情况下,最优高度下三角形光栅模型的光吸收效率明显高于最优高度下矩形光栅模型的光吸收效率.

2) 在添加了Ag纳米线阵列后,两种模型的光吸收效率都有明显的增加,其中Tri-TFSC-CAg模型的光吸收效率最高,该模型的短路电流密度比P-TFSC模型提升了23.1%.

3) 在添加了Ag纳米线阵列后,三角形光栅模型的光吸收效率仍比矩形光栅模型高,但是矩形光栅在添加Ag纳米线后的光吸收增强幅度明显更大.其中Rect-TFSC-CAg模型比P-TFSC模型短路电流密度提升了20.7%,比Rect-TFSC模型短路电流密度提升了13.5%.说明Ag纳米线阵列更适用于提升矩形光栅模型的光吸收效率,可以为该模型的太阳能电池改进提供参考.

4) 从全波段非偏振光的归一化光吸收密度曲线中可以看出CAg纳米线阵列的光吸收增强效果略好于RAg纳米线阵列.

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