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硅太阳电池的吸收增强与Ag纳米粒子的表面等离子体共振

www.bysj580.com / 2018-04-07
硅太阳电池的吸收增强与Ag纳米粒子的表面等离子体共振
通过时域有限差分的方法分别地研究了球体、圆柱状、立方体形的银纳米颗粒对硅太阳能电池硅层的吸收增强作用的影响。结果表明由于局部表面等离子体共振作用,晶体硅的光吸收作用显著提升。在这项研究中,吸收增强与纳米颗粒参数之间的关系被彻底地分析出来。通过调节相关的参数值可以实现最佳的吸收增强现象。在球体、圆柱状和立方形这三种类型的银纳米颗粒中,沉积立方形银纳米颗粒的晶体硅在理想条件下显示出最有效的吸收增强现象,它的最大吸收增强因子是1.35。沉积球体银纳米颗粒的晶体硅的吸收增强效率相对较低。这项研究结果对长远的理论研究和等离子体薄膜太阳电池的设计具有重大的作用。
现在,一些提高薄膜太阳电池吸收效率和增强薄膜太阳电池的转化效率的方法已经被提议出来[1-5]。例如,表面纹理被用于增强对光的俘获[6-7]。硅纳米线阵列被设置为一层增透膜用于减少表面反射[8]。其他最重要的方式是使用具有特定结构的背散射器用来增强对光的俘获[9-11],但是,具有背散射器的太阳电池可能遭受背表面的复合损失。另外,太阳电池正表面也应该安置一个纳米器件[12-16]。
在这篇论文中,球形、圆柱形和立方形这三种类型的银纳米颗粒都分别地被沉积在晶体硅薄膜电池的硅层。银纳米颗粒的参数和纳米粒子阵列的间距对硅吸收作用的影响在论文中都有被研究。

图1三种类型的银纳米颗粒太阳电池
 
图1所显示的是在这篇论文中所用到的球体、圆柱状和立方形这三种结构的银纳米颗粒,它们被分别地沉积在硅基片上,沉积厚度达到500 nm。银被作为金属材料使用是由于它明显的表面等离子体效应和低的光吸收率。自从单晶硅太阳电池的广泛应用以来,硅就被挑选出来作为吸收层。硅和银的光学参数从参考[17]中可以查出。在图1中,r表示球体和圆柱体粒子的半径,h代表圆柱体和立方体颗粒的高度,L表示立方体颗粒底部的侧面长度。P是纳米粒子阵列之间的距离,t是硅基片之间的厚度。
Lumerical FDTD Solutions 这一商业软件采用数字模拟,入射源是一个均匀的平面波,波长范围在400 nm与1100 nm之间,电场沿着x轴线被极化。吸收边界条件的完全匹配层被用在计算领域的上部和底部边界,并且计算领域可以吸收反射场和传播场。两个电力监控器被用于计算硅的功率吸收值,一个位于硅片的表面,另一个位于底部。因此吸收功率可以通过计算两个电力监控器之间的差值来计算出来。
这里的h指普朗克常量,c是真空下的光速,IAM1.5是AM1.5下的太阳光谱。在公式(2)中,分子等于太阳电池吸收的光子数量,同时分母意味着下降到太阳电池上的光子数量。太阳光谱IAM1.5的值来自于参考[18]。为了估计金属颗粒对太阳电池光吸收的改进,吸收增强光谱g(λ) 和吸收增强因子G被提出
公式中的Pnp(λ)和Pbare(λ)各自地代表掺有金属粒子和没有掺有金属粒子的薄膜太阳电池硅层的吸收功率值。IQEparticle和IQEbare分别表示掺有银纳米颗粒和无掺杂的硅层的整个吸收功率值。
图2(a)反应了沉积不同半径的球形银纳米粒子的太阳电池中硅层的吸收光谱。从图2(a)中可以吸收峰的波长位置和峰值都随着纳米粒子的半径而改变。在波长为465 nm和半径75 nm的情况下,最大峰值功率达到0.59。同时,当半径从50 nm增加到125 nm的过程中,吸收峰发生红移,同时半径从50 nm到70 nm的过程中,吸收峰值在第一次增长后逐渐降低。然而当半径达到200 nm时,掺杂银纳米颗粒的光吸收的值比无掺杂银纳米颗粒的光吸收值要低。这是由于当球形粒子的直径等于排列间距时,银颗粒彼此相互靠近,逐渐形成反射膜。大量的入射光被反射回来,并且其他大部分入射光被银本身所吸收。从图像中可以看出,在特定的波长范围内,半径从50 nm到125 nm,掺有球形纳米粒子的硅薄膜太阳电池的吸收率都高于纯硅的吸收率。图2(b)显示的是不同半径下的吸收增强光谱g(λ) 和固定的间距p和厚度t,由于局部表面等离子共振效应,通过增强向前散射作用在近红外范围内有一个更大的吸收增强。                                                               它可以指出当波长短于特定的波长(400~500 nm)时,吸收增强光谱g(λ)小于1。例如,当半径r=75 nm时,波长短于467 nm,并且掺有纳米粒子硅层的吸收率要远小于纯硅的吸收率。这可以从两个方面来进行说明:首先,银由于它本身d带的所具有的吸收本质,,所以在这些波长范围内,银始终具有较高的吸收率。其次,硅的吸收效率与电场强度成比例。硅的总领域场可以被表示成传播场和散射场的叠加。当波长低于等离子体共振波长时,在传播场和散射场之间相发生移动,因此吸收率低于纯硅基片的吸收率。

综上所述,三种银纳米颗粒对硅太阳电池硅层的吸收增强作用被分别地研究。结果表明银纳米粒子的参数可以在很大程度上影响硅的吸收增强效应。吸收增强因子G先随着间距的增加而增加,直至增加达到最大值后开始降低。吸收增强因子G随着半径、边长和高度的改变有相类似的趋势。通过调节合适的银纳米颗粒参数,吸收增强峰可以调整到所需的太阳光谱位置。立方体形银纳米颗粒比起球形银纳米颗粒和圆柱状银纳米颗粒具有较高的增强作用,并且在它们这三种类型中,沉积球形银纳米颗粒的硅层的吸收增强作用最低。吸收增强与间距、高度和边长之间的关系可以很方便地寻找出最佳的银纳米颗粒参数和优化电浆薄膜太阳电池的设计。可以按照这篇论文中所使用到的研究方法来完成其他结构相类似的研究。此外,应该注意的是由于在我们假设中的一些限制范围,所得的结果并不是完全最佳化的。然而,这篇论文对于深远的理论研究和优化电浆薄膜太阳电池是非常有用的。
 
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