太阳能电池中微纳陷光光栅结构

吴奉炳, 张大伟

( 上海理工大学光电信息与计算机 工程学院, 上海

200093)

提要: 本文阐述了两种微纳结构光栅的陷光结构, 简单介绍了两种结构的材料以及组成。重点研 究了两种结构对 波长为 400nm 至 1100nm

的范围内的光波的吸收情况。通过比较未优化和优化过的太阳能电池所得的数据可知, 两种结 构都能有效地提 高太阳能电池的 转换效率, 吸
收率都高于 70% , 并且增加了太阳能电池的短路电流。

关键词: 太阳能电池; 光栅; 微纳结构; 陷光结构; 转换效率
中图分类号: TM615

文献标识码: A

文章编号: 0253- 2743( 2010) 05- 0015- 03

The light trapping in solar cells based on periodic nano- structures gratings

WU Feng- bing, ZHANG Da- wei

( School of Optical- Electrical and Comput er Engineering, the U niversity of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract: This paper described two kinds of light trapping grating structures and brief ly introduced t he mat erial and the composition. We focuses on t he two

kinds of structures on the wavelength range of 400- 1100nm absorption of light waves inside. By comparing the no optimization and optimized solar cel ls, t he dat a
showed that two kinds of structures can effect ively improve he conversion efficiency of solar cells, the absorption rate is higher than 70% , and increased short-

circuit current of solar cells.

Key words: solar cell ; gratings; nano- structures; light t rapping structure; conversion efficiency

收稿日期: 2010- 06- 29

基金项目: 上海市科 学技术 委员会 资助项 目( 08ZR1415400) 上海市
自然科学基金; ( 09QA1404200) 上海市科技启明星; 国家 自然基金资

助项目( 60908021) 。
作者简介: 吴奉炳( 1987- ) , 男, 硕 士研究生, 主要从事 微纳 光学方

面的研究。
导师简介: 张大伟( 1977- ) , 男, 博士, 副教授, 主要从事 微纳光学器
件方面的研究。

在太阳能电池结构 中引入 陷光 结构是 为了 提高 太阳能

电池对光的吸收, 提 高太阳 能电 池的转 换效 率

1, 2 

。 陷光结

构通过反射, 折射和散射, 将入射光线分散 到各个角度 , 从而
增加光在太阳能电池中的光程, 使光 吸收增加。 大量的研究
表明, 在太阳能电池中引入陷光结构有 利于提高 太阳能电池
的短路电流和转换效率

3, 4 

。

太阳能电池的效率可以分成两部分, 外部效 率和内部效

率。前者是入射光在电池中被吸收的百分 比, 后 者是指被吸
收的光子能量在最后转换成电能的百分 比。显然, 外部效率
是陷光结构所要讨论的东西。当太阳能电 池厚度减小 时, 电
池性能受到两方面的影响。第一: 透射 光引起的 损失随着厚
度的减小而增大, 对 于间接 禁带 材料, 这种 损失 比对 于直接
禁带材料来得大; 第二: 背电极的影响增大

5 

。根据 E. Pelan

chocf

6 

对 50 m 的薄膜太 阳能 电池 的理论 计算 表明: 材 料薄

至 50 m 时, 由于电池厚度的减少 , 长波光子的低 吸收率减少
了光电流密度。

多晶硅薄膜太阳电池的厚度相当大( 一般有 几十微米) ,

材料本身的 不平整就 可以 起陷光 结构 的作用 。而非 晶硅太
阳电池的厚度很小( 一般为 1 微米左右 ) , 对光线 的折射和反
射的影响很弱, 所以需要一个外加 的陷光结 构

7 

。从光程计

算出发来设计高收集效率的陷光结构, 可使这种 减少得以补
偿。

陷光结构一般由以下几个部分组成: ! 电池 表面的增透

膜

8 

; ∀ 入射光在射入电池内部后, 增加光 在吸收层的 路径,

使得吸收层的折射率大于其上下层结构材 料或加强背 反射,
使没有被吸收的光再次 返回 电池 吸收层, 进 行二 次吸收; #
进光面栅线电极尽量覆盖少的面积, 同 时将光生 电流最大限
度的输出。在这里 我们 将讨论 使用 微纳结 构光 栅制 作太阳
能电池的内部陷光结构。

现在国内外最常用 的陷光 结构 是使用 金字 塔或 者是倒

置金字塔结构

9, 10 

, 但是这 种结 构一 般只 适用 于单 晶硅, 而

不适 用于多晶硅。并且由于这种结构的形状, 使得 在低于几
个微 米的情况下很难再被降低厚度, 所 以不宜使用 在薄膜电
池上

11 

。

1

微纳陷光光栅结构

现在有很多研究人员 都致 力于 把光子 晶体 和光栅 结合

来 增加 太阳 能电 池的 陷光 能力

12- 15 

。James G. Mutitu

16 

的

设计是分别对太 阳能 电池的 前表 面和 后表面 进行 优化。在
他的 设计中, 同时在太阳能电池中运用 了平面增透 膜和纳米
光栅 结构对太阳能电池进行优化, 从而 提高了装置 的短路电
流。在运用微纳米 光栅结 构的 时候 分别使 用了 矩形光 栅和
三角 光栅对太阳能电池进行优化。
1. 1

矩形光栅的陷光结构

陷光结构包括一个三 层的 增透 膜和由 一维 光子晶 体耦

合而 成的矩形衍射光栅。三 层的增 透膜是 由两 个 SiO

2

层和

夹在 其中的 Si

3

N

4

组成。而制作光栅的 工艺基本上 分成以下

几个主要的步 骤: 等离 子体 增强 化学 气相 沉积 ( PECVD) ; 电
子束光刻( E- beam) ; 电感耦合等 离子体刻蚀 ( ICP) 。 一维光
子晶体层使用 PECVD 进 行气相沉积 , 一 共制作 六层替换 层,
分别 由 SiO

2

和 Si 交替组成。光栅的形 状是利 用电子 束光刻

和等 离子体刻蚀的方法在 制作 好的 一维光 子晶 体的上 三层
进行 刻蚀而成。

在这个设计中为了优化陷光结构的陷光 能力, 他们也优

化设 计了表面增透膜和交替光子晶体层的厚 度, 在 优化光栅
的时候则考虑到 了光 栅周期 和占 空比 的设计 参数。其 中表
面增透膜的厚 度分两层来设计: 顶部 SiO

2

层的厚 度是 98nm,

中间 Si

3

N

4

层的厚度 是 48nm, 第 三层的 SiO

2

层 为 8nm。十二

层的 交替 层分别 由六 对厚 度分别 为 128nm 和 218nm 的 SiO

2

和 Si 组成

17 

。光栅则是在其顶部三对 的交替层进 行刻蚀而

成的, 故光栅厚度为 1038nm, 优化 后的光 栅周期 是 970nm, 占
空比是 0. 5。图 1

16 

是该 设 计的 原理 图 以及 该设 计 在 SEM

下的形状。图 2 表 示对没 有经 过优化 的太 阳能 电池和 经过
优化 的太阳能电池短路电流进行比较, 从而可以看 出经过优
化的 太阳能电池比没有优 化的 太阳 能电池 在短 路电流 上有
很大 的提高。

从图 2 可以 看出 这个 陷光 结 构的 设计 对 波长 为 400nm

至 1100nm 范围内的入射光 , 能吸收 71% 的入 射能量, 从而短

15

吴奉炳等: 太阳能电池中微纳陷光光栅结构

∃ 激光杂志% 2010 年第 31 卷第 5 期

LASER JOURNAL( Vol. 31. No. 5. 2010)