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編者按：利用光的導(dǎo)播模式原理，在散射光的同時(shí)將入射光耦合成導(dǎo)波模式，增加光在吸收層的光學(xué)路徑，增強(qiáng)光的吸收，稱作陷光結(jié)構(gòu)，電池正面用電介質(zhì)顆粒做陷光結(jié)構(gòu)，背面用金屬顆粒做陷光結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別優(yōu)化正面電介質(zhì)顆粒和背面銀顆粒的占空比來(lái)得到最優(yōu)的混合陷光結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境污染極大地促進(jìn)了光伏行業(yè)的發(fā)展。硅太陽(yáng)能電池來(lái)源廣泛，一直占據(jù)著太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。降低成本和提高光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)。

   
薄膜太陽(yáng)能電池是第二代太陽(yáng)能電池，消耗原材料極少，通常厚度為1-2μm，但是硅對(duì)太陽(yáng)光充分吸收的光學(xué)厚度為180μm，所以薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)光的全部吸收，造成電池的光電轉(zhuǎn)換率較低。薄膜太陽(yáng)能電池因?yàn)槠渥陨砗穸鹊膯?wèn)題，并不適合表面織構(gòu)化，所以考慮在其表面應(yīng)用混合陷光結(jié)構(gòu)。

　　
混合陷光結(jié)構(gòu)就是應(yīng)用正面陷光結(jié)構(gòu)和背面陷光結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的光吸收。電池正面的金屬顆粒會(huì)對(duì)光部分吸收，但電介質(zhì)顆粒因?yàn)槲障禂?shù)很小，所以對(duì)光的吸收很弱，幾乎可以忽略；背面的金屬顆粒比電介質(zhì)顆粒的散射效果要好，所以在電池正面用電介質(zhì)顆粒做陷光結(jié)構(gòu)，背面用金屬顆粒做陷光結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別優(yōu)化正面電介質(zhì)顆粒和背面銀顆粒的占空比來(lái)得到最優(yōu)的混合陷光結(jié)構(gòu)。

　　
1、分析

　　
圖1所示的是薄膜硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。電池正面是半徑半球形TiO2顆粒，前電極是ITO導(dǎo)電層，吸收層是單晶硅，電池背面是鑲嵌著半球形銀顆粒的ZnO：Al背電極和一層銀反射鏡。太陽(yáng)光從正面入射，波長(zhǎng)范圍是400-1100nm。

圖2所示的是混合陷光結(jié)構(gòu)電池的全光譜吸收曲線圖。

其中，StructureⅠ是無(wú)陷光結(jié)構(gòu)的電池，StructureⅡ是僅正面含有TiO2顆粒的電池，StructureⅢ是僅背面含有Ag顆粒的電池，StructureⅣ是正面含有TiO2顆粒而且背面含有Ag顆粒的電池。

　　
圖3所示的是各種不同陷光結(jié)構(gòu)的電池相對(duì)無(wú)陷光結(jié)構(gòu)的電池的吸收增強(qiáng)比率，可以明顯看出各種不同陷光結(jié)構(gòu)的電池針對(duì)參考電池的吸收增強(qiáng)的波長(zhǎng)范圍。圖4為各種不同陷光結(jié)構(gòu)電池的短路電流密度（Jsc）圖。StructureⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ電池的Jsc值分別為13.0mA/cm2，14.5mA/cm2，15.2mA/cm2，15.5mA/cm2。相對(duì)于參考電池（StructureⅠ），其他電池的電路電流密度的增加量分別是1.5mA/cm2，2.2mA/cm2，2.5mA/cm2。

 

圖7所示的是TiO2顆粒半徑不同時(shí)的反射曲線圖。其中，顆粒半徑取50nm，

  

當(dāng)顆粒半徑增加時(shí)短波段的反射會(huì)進(jìn)一步降低，長(zhǎng)波段的反射反而會(huì)增加。所以顆粒半徑存在一個(gè)最優(yōu)值可以使電池的光吸收在太陽(yáng)能光譜上積分取得最大值，即短路電流密度取得最大值。

圖8所示的不同金屬不同半徑下短路電流密度示意圖。從圖中可以看出，在很大范圍內(nèi)，短路電流會(huì)隨著金屬顆粒半徑的增大而增大，而金屬銀顆粒半徑在320nm時(shí)，短路電流會(huì)取得最大值。因?yàn)榻饘兕w粒半徑越大，其表面等離子體特性越不明顯，所以這是金屬顆粒的主要作用是對(duì)透射光的散射。　　

 

3、結(jié)論

陷光結(jié)構(gòu)對(duì)于薄膜硅太陽(yáng)能電池的光吸收作用有很明顯的增強(qiáng)。光在介質(zhì)中主要是以輻射模式和導(dǎo)波模式傳播。輻射模式中光波壽命很短，在介質(zhì)中傳播的距離有限；而導(dǎo)波模式中光波壽命很長(zhǎng)，可以在介質(zhì)中傳播很長(zhǎng)的距離，可以使介質(zhì)充分吸收光。

光入射到平板波導(dǎo)時(shí)不會(huì)形成導(dǎo)波模式。入射光只有在被散射后才能使其傳播角度大于介質(zhì)與空氣的全反射角，才可能耦合成導(dǎo)波模式。陷光結(jié)構(gòu)就是在散射光的同時(shí)將入射光耦合成導(dǎo)波模式，增加光在吸收層的光學(xué)路徑，增強(qiáng)光的吸收。

導(dǎo)波模式可以和平面波耦合，形成導(dǎo)波共振，對(duì)應(yīng)電池光譜響應(yīng)曲線上的一個(gè)吸收峰。改變陷光結(jié)構(gòu)的周期和占空比可以增加導(dǎo)波模式的數(shù)量，增加電池光譜響應(yīng)曲線上的吸收峰，增強(qiáng)寬光譜的光吸收。