路电流的大小为 27. 4mA/ cm
2
。 边带 ( 867nm 至 1100nm) 增强
因数为 3. 9。而对波长范围在 1100nm 至 1800nm 的光的透过
率为 54% 。
图 1 运用矩形光栅制作陷光结构的太阳能电池的
结构图和在 SEM 下的表面形貌
图 2 经过优化的太阳能电池和未经
优化的太阳能电池的短路电流的比较
以上的设计有一个 缺点就 是在 使用矩 形光 栅的 时候入
射光的正负 低级衍射 被激 励出相 同的 光强度 。然而 根据互
易定理在经过全反射后反射回光栅面的- 1 级衍射光会耦合
进零级出射光一同出射, 从而使得光能损失, 如图 3。这个缺
点可以使用非对称结构和闪耀光栅来 避免, 如图 4
11
。但是
由于闪耀光栅的制作工艺很难实现, 所 以在设计 中使用三角
光栅进行优化设计
16
。
图 3 光射入到结构中的损失
1. 2
三角光栅的陷光结构
第二种设 计 的思 想和 上 面的 设计 思 想是 基 本 相同 的。
这个设计在表面增透膜的下面又增加了一个 SiO
2
矩形 光栅。
这个 设计使得入射光波产生衍射, 在到 达表面底部 的三角光
栅之 前产生多个方向角的光波, 使得低 衍射级的光 波不会耦
合进 零级光波从而反射出 太阳 能电 池致使 太阳 能电池 损失
掉这部分的能 量。此外 , 在表面底部用 一个三角光 栅替代了
上个 设计中 的 矩 形 光栅。 顶 部光 栅 常 数 是 260nm, 厚度 是
280nm。和上个设计相 同, 表面 底部 的光 栅是 由三 层的 SiO
2
和 Si 的交替 层组 成。第 一 层宽 度 W
1
= 104nm, 中间 层 宽度
W
2
= 312nm, 第三层宽度 W
3
= 416nm。与上个设计 相同, 每层
交替 层的厚度是 346nm。
这个设计很显然比前一个设计所得到的 效果要好 得多。
它对波长在 400nm 至 1100nm 范围 内的光 波吸 收率 为 77% ,
短路电流为 30. 23mA/ cm
2
。边带( 867nm 至 1100nm) 增强因数
为 4. 6 并且透射率为 41% 。
图 4 运用三角光栅制作陷光结构的太阳能
电池的结构图和在 SEM 下的表面形貌
图 5 经过优化的太阳能电池和未经
优化的太阳能电池的短路电流的比较
2
总结
太阳能电池的转换效 率一 直是 限制太 阳能 电池普 遍应
用的 一个问题, 而利用光栅来制做陷光 结构能够很 大程度上
增加 太阳能电池的转换效率。从上述设计来 看, 矩 形光栅和
三角 光栅都能在一定程度 上改 善太 阳能电 池的 光波吸 收率
以及短路电流 , 从而达到提升转换效 率的效果。并 且从数据
上分 析三角光栅所取得的效果比矩形光栅 的更好。但是, 入
射角对转换效率 也有 一定的 影响。 随着入 射角 的改变 也会
造成 衍射光的效率的不同, 一定程度上 影响太阳能 电池的转
换效率, 且入射角越小所产生的短路 电流越大。目 前光栅的
制作 工艺较一般的腐蚀成绒面的陷光结构复 杂, 所 以很难大
规模 的生产。这也是限制这一结构广泛应用的原因。
参 考 文 献
1 T. M arkvart . Solar Electricity 2
nd
Ed, ( John Wiley and Sons, 2000.
2
M . A. Green. Third Generat ion Phot ovoltaics: Advanced Solar Energy
Conversion ( Springer, 2003) .
3
陈治明. 非晶半导 体材料与 器件 M . 北京: 科学出版 社, 1991,
225.
4 K atsuya Tabuchi, Wilson Wenas, Masabiro Yoshino, et al. Optimization
of ZnO Films for Amorphouas Silicon Solar Cell Z . Annual Res. Re
16
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)