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锥形二维光子晶体太阳电池数值模拟

陈培专 于莉媛 牛萍娟 付贤松 杨广华 张建军 侯国付

锥形二维光子晶体太阳电池数值模拟

陈培专, 于莉媛, 牛萍娟, 付贤松, 杨广华, 张建军, 侯国付
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  • 采用时域有限差分方法,模拟研究在本征吸收层引入锥形二维光子晶体(2D PC)后,其结构参数变化对单结微晶硅电池各膜层吸收的影响规律.研究表明,2D PC的纵横比(高度与周期之比)对电池本征吸收具有决定性影响.周期小于1 m时,本征吸收随着纵横比的增大先上升后下降,纵横比为1时达到最大值;周期大于1 m时,本征吸收达到最大值的纵横比小于1,且周期越大,实现本征吸收最大化的纵横比越小.当周期为0.5 m,纵横比为1时,锥形2D PC电池的本征吸收达到峰值,短路电流密度为27.8 mA/cm2;与平面结构相比,短路电流密度提升5.8 mA/cm2,相对增加27%.该研究突破了以往认为绒面陷光效果主要取决于绒面形貌横向特征尺寸的观点,对实验获取最佳的周期或随机绒面陷光结构具有指导意义.
      通信作者: 于莉媛, Yuliyuan@tjpu.edu.cn;Pjniu@outlook.com ; 牛萍娟, Yuliyuan@tjpu.edu.cn;Pjniu@outlook.com
    • 基金项目: 高等学校学科创新引智计划(批准号:B16027)、国家自然科学基金(批准号:61176060,61404074,61504069,61377031,61605145)、天津市自然科学基金(批准号:14JCQNJC02100)和光学信息技术科学教育部重点实验室(南开大学)开放基金(批准号:2017KFKT015)资助的课题.
    [1]

    Shah A V, Schade H, Vanecek M, Meier J, Vallat-Sauvain E, Wyrsch N, Kroll U, Droz C, Bailat J 2004 Prog. Photovoltaics 12 113

    [2]

    Moulin E, Bittkau K, Ghosh M, Bugnon G, Stuckelberger M, Meier M, Haug F J, Hupkes J, Ballif C 2016 Sol. Energ. Mat. Sol. C 145 185

    [3]

    Muller J, Rech B, Springer J, Vanecek M 2004 Sol. Energy 77 917

    [4]

    Andreani L C, Bozzola A, Kowalczewski P, Liscidini M 2015 Sol. Energ. Mat. Sol. C 135 78

    [5]

    Isabella O 2013 Ph. D. Dissertation (Delft: Delft University of Technology)

    [6]

    Hsu C M, Battaglia C, Pahud C, Ruan Z C, Haug F J, Fan S H, Ballif C, Cui Y 2012 Adv. Energy. Mater. 2 628

    [7]

    Tan H, Santbergen R, Smets A H M, Zeman M 2012 Nano Lett. 12 4070

    [8]

    Chen P Z, Hou G F, Fan Q H, Ni J, Zhang J J, Huang Q, Zhang X D, Zhao Y 2015 Sol. Energ. Mat. Sol. C 143 435

    [9]

    Yan B, Yue G, Sivec L, Owens-Mawson J, Yang J, Guha S 2012 Sol. Energ. Mat. Sol. C 104 13

    [10]

    Yan B, Yue G, Sivec L, Yang J, Guha S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 113512

    [11]

    Sai H, Matsui T, Matsubara K, Kondo M, Yoshida I 2014 IEEE J. Photovolt. 4 1349

    [12]

    Sai H, Matsui T, Saito K, Kondo M, Yoshida I 2015 Prog. Photovoltaics 23 1572

    [13]

    Lin Y Y, Xu Z, Yu D L, Lu L F, Yin M, Tavakoli M M, Chen X Y, Hao Y Y, Fan Z Y, Cui Y X 2016 ACS Appl. Mater. Interfaces 8 10929

    [14]

    Tanaka Y, Ishizaki K, Zoysa M D, Umeda T, Kawamoto Y, Fujita S, Noda S 2015 Prog. Photovoltaics 23 1475

    [15]

    Ishizaki K, de Zoysa M, Tanaka Y, Umeda T, Kawamoto Y, Noda S 2015 Opt. Express 23 1040

    [16]

    Wang Y, Zhang X, Bai L, Huang Q, Wei C, Zhao Y 2012 Appl. Phys. Lett. 100 263508

    [17]

    Tan H R, Psomadaki E, Isabella O, Fischer M, Babal P, Vasudevan R, Zeman M, Smets A H M 2013 Appl. Phys. Lett. 103 173905

    [18]

    Tan H, Moulin E, Si F T, Schuttauf J W, Stuckelberger M, Isabella O, Haug F J, Ballif C, Zeman M, Smets A H M 2015 Prog. Photovoltaics 23 949

    [19]

    Sai H, Saito K, Kondo M 2013 IEEE J. Photovolt. 3 5

    [20]

    Moulin E, Steltenpool M, Boccard M, Garcia L, Bugnon G, Stuckelberger M, Feuser E, Niesen B, van Erven R, Schuttauf J W 2014 IEEE J. Photovolt. 4 1177

    [21]

    Dewan R, Shrestha S, Jovanov V, Hupkes J, Bittkau K, Knipp D 2015 Sol. Energ. Mat. Sol. C 143 183

    [22]

    Soh H J, Yoo J, Kim D 2012 Sol. Energy 86 2095

    [23]

    Kawamoto Y, Tanaka Y, Ishizaki K, de Zoysa M, Asano T, Noda S 2015 Opt. Express 23 896

    [24]

    Kawamoto Y, Tanaka Y, Ishizaki K, de Zoysa M, Asano T, Noda S 2014 IEEE J. Photovolt. 6 4700110

    [25]

    Gomard G, Peretti R, Callard S, Meng X, Artinyan R, Deschamps T, Roca I, Cabarrocas P, Drouard E, Seassal C 2014 Appl. Phys. Lett. 104 051119

    [26]

    Tamang A, Sai H, Jovanov V, Hossain M I, Matsubara K, Knipp D 2016 Prog. Photovoltaics 24 379

    [27]

    Shi Y, Wang X, Liu W, Yang T, Ma J, Yang F 2014 Opt. Express 22 20473

    [28]

    Fisker C, Pedersen T G 2013 Opt. Express 21 208

    [29]

    Chen P Z, Hou G F, Zhang J J, Zhang X D, Zhao Y 2014 J. Appl. Phys. 116 064508

    [30]

    Curtin B, Biswas R, Dalal V 2009 Appl. Phys. Lett. 95 231102

  • [1]

    Shah A V, Schade H, Vanecek M, Meier J, Vallat-Sauvain E, Wyrsch N, Kroll U, Droz C, Bailat J 2004 Prog. Photovoltaics 12 113

    [2]

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    [3]

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    Andreani L C, Bozzola A, Kowalczewski P, Liscidini M 2015 Sol. Energ. Mat. Sol. C 135 78

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    Isabella O 2013 Ph. D. Dissertation (Delft: Delft University of Technology)

    [6]

    Hsu C M, Battaglia C, Pahud C, Ruan Z C, Haug F J, Fan S H, Ballif C, Cui Y 2012 Adv. Energy. Mater. 2 628

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    Chen P Z, Hou G F, Fan Q H, Ni J, Zhang J J, Huang Q, Zhang X D, Zhao Y 2015 Sol. Energ. Mat. Sol. C 143 435

    [9]

    Yan B, Yue G, Sivec L, Owens-Mawson J, Yang J, Guha S 2012 Sol. Energ. Mat. Sol. C 104 13

    [10]

    Yan B, Yue G, Sivec L, Yang J, Guha S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 113512

    [11]

    Sai H, Matsui T, Matsubara K, Kondo M, Yoshida I 2014 IEEE J. Photovolt. 4 1349

    [12]

    Sai H, Matsui T, Saito K, Kondo M, Yoshida I 2015 Prog. Photovoltaics 23 1572

    [13]

    Lin Y Y, Xu Z, Yu D L, Lu L F, Yin M, Tavakoli M M, Chen X Y, Hao Y Y, Fan Z Y, Cui Y X 2016 ACS Appl. Mater. Interfaces 8 10929

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    Wang Y, Zhang X, Bai L, Huang Q, Wei C, Zhao Y 2012 Appl. Phys. Lett. 100 263508

    [17]

    Tan H R, Psomadaki E, Isabella O, Fischer M, Babal P, Vasudevan R, Zeman M, Smets A H M 2013 Appl. Phys. Lett. 103 173905

    [18]

    Tan H, Moulin E, Si F T, Schuttauf J W, Stuckelberger M, Isabella O, Haug F J, Ballif C, Zeman M, Smets A H M 2015 Prog. Photovoltaics 23 949

    [19]

    Sai H, Saito K, Kondo M 2013 IEEE J. Photovolt. 3 5

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    Moulin E, Steltenpool M, Boccard M, Garcia L, Bugnon G, Stuckelberger M, Feuser E, Niesen B, van Erven R, Schuttauf J W 2014 IEEE J. Photovolt. 4 1177

    [21]

    Dewan R, Shrestha S, Jovanov V, Hupkes J, Bittkau K, Knipp D 2015 Sol. Energ. Mat. Sol. C 143 183

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    Soh H J, Yoo J, Kim D 2012 Sol. Energy 86 2095

    [23]

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    Gomard G, Peretti R, Callard S, Meng X, Artinyan R, Deschamps T, Roca I, Cabarrocas P, Drouard E, Seassal C 2014 Appl. Phys. Lett. 104 051119

    [26]

    Tamang A, Sai H, Jovanov V, Hossain M I, Matsubara K, Knipp D 2016 Prog. Photovoltaics 24 379

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    Shi Y, Wang X, Liu W, Yang T, Ma J, Yang F 2014 Opt. Express 22 20473

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    Fisker C, Pedersen T G 2013 Opt. Express 21 208

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  • [1] 陈培专, 侯国付, 索松, 倪牮, 张建军, 张晓丹, 赵颖. 硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备. 物理学报, 2014, 63(12): 128801. doi: 10.7498/aps.63.128801
    [2] 曹宇, 薛磊, 周静, 王义军, 倪牮, 张建军. 微晶硅锗薄膜作为近红外光吸收层在硅基薄膜太阳电池中的应用. 物理学报, 2016, 65(14): 146801. doi: 10.7498/aps.65.146801
    [3] 于晓明, 赵静, 侯国付, 张建军, 张晓丹, 赵颖. PIN型和NIP型硅薄膜太阳电池中绒面陷光结构和陷光性能研究. 物理学报, 2013, 62(12): 120101. doi: 10.7498/aps.62.120101
    [4] 贾玉坤, 杨仕娥, 郭巧能, 陈永生, 郜小勇, 谷锦华, 卢景霄. 非晶硅太阳电池宽光谱陷光结构的优化设计. 物理学报, 2013, 62(24): 247801. doi: 10.7498/aps.62.247801
    [5] 丁东, 杨仕娥, 陈永生, 郜小勇, 谷锦华, 卢景霄. Al纳米颗粒增强微晶硅薄膜太阳电池光吸收的模拟研究. 物理学报, 2015, 64(24): 248801. doi: 10.7498/aps.64.248801
    [6] 金爱子, 田 洁, 韩守振, 程丙英, 李志远, 冯 帅, 张道中. 部分空气桥式硅膜二维光子晶体. 物理学报, 2005, 54(3): 1218-1221. doi: 10.7498/aps.54.1218
    [7] 宫步青, 陈小雨, 王伟鹏, 王治业, 周华, 沈向前. Ag@SiO2耦合结构设计及其对薄膜太阳电池的响应调控. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200334
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    [10] 程旭攀, 曹全喜. 二维圆柱形光子晶体的完全禁带研究. 物理学报, 2008, 57(5): 3249-3253. doi: 10.7498/aps.57.3249
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    [12] 龚春娟, 胡雄伟. 遗传算法优化设计三角晶格光子晶体. 物理学报, 2007, 56(2): 927-932. doi: 10.7498/aps.56.927
    [13] 陈园园, 杨盼杰, 张玮芝, 阎晓娜. 光子晶体理论研究的新方法混合变分法. 物理学报, 2016, 65(12): 124206. doi: 10.7498/aps.65.124206
    [14] 张建心, 王传奎, 屈道宽, 冯帅, 王义全. 微腔旋转对耦合腔光波导群速度的影响. 物理学报, 2009, 58(12): 8339-8344. doi: 10.7498/aps.58.8339
    [15] 李涛, 周春兰, 刘振刚, 王文静, 杨海峰, 宋洋, 郜志华, 段野, 李友忠. 晶体硅太阳电池金属电极光学损失的理论分析与实验研究. 物理学报, 2011, 60(9): 098801. doi: 10.7498/aps.60.098801
    [16] 耿超, 郑义, 张永哲, 严辉. 硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计. 物理学报, 2016, 65(7): 070201. doi: 10.7498/aps.65.070201
    [17] 郑雪, 余学功, 杨德仁. -Si:H/SiNx叠层薄膜对晶体硅太阳电池的钝化. 物理学报, 2013, 62(19): 198801. doi: 10.7498/aps.62.198801
    [18] 贾晓洁, 艾斌, 许欣翔, 杨江海, 邓幼俊, 沈辉. 选择性发射极晶体硅太阳电池的二维器件模拟及性能优化. 物理学报, 2014, 63(6): 068801. doi: 10.7498/aps.63.068801
    [19] 陈培专, 侯国付, 索松, 倪牮, 张建军, 张晓丹, 赵颖. 基于一维光子晶体的新型背反射器及其在非晶硅薄膜太阳电池中的应用. 物理学报, 2014, 63(7): 077301. doi: 10.7498/aps.63.077301
    [20] 刘震, 王玉晓, 宋瑛林, 张学如. 纳米表面二维周期半圆凹槽增强硅薄膜太阳能电池光吸收. 物理学报, 2013, 62(16): 167801. doi: 10.7498/aps.62.167801
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-24
  • 修回日期:  2017-10-03
  • 刊出日期:  2018-01-20

锥形二维光子晶体太阳电池数值模拟

  • 1. 天津工业大学电气工程与自动化学院, 大功率半导体照明应用系统教育部工程中心, 天津 300387;
  • 2. 南开大学, 光电子薄膜器件与技术研究所, 光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室, 光学信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300071
  • 通信作者: 于莉媛, Yuliyuan@tjpu.edu.cn;Pjniu@outlook.com ; 牛萍娟, Yuliyuan@tjpu.edu.cn;Pjniu@outlook.com
    基金项目: 

    高等学校学科创新引智计划(批准号:B16027)、国家自然科学基金(批准号:61176060,61404074,61504069,61377031,61605145)、天津市自然科学基金(批准号:14JCQNJC02100)和光学信息技术科学教育部重点实验室(南开大学)开放基金(批准号:2017KFKT015)资助的课题.

摘要: 采用时域有限差分方法,模拟研究在本征吸收层引入锥形二维光子晶体(2D PC)后,其结构参数变化对单结微晶硅电池各膜层吸收的影响规律.研究表明,2D PC的纵横比(高度与周期之比)对电池本征吸收具有决定性影响.周期小于1 m时,本征吸收随着纵横比的增大先上升后下降,纵横比为1时达到最大值;周期大于1 m时,本征吸收达到最大值的纵横比小于1,且周期越大,实现本征吸收最大化的纵横比越小.当周期为0.5 m,纵横比为1时,锥形2D PC电池的本征吸收达到峰值,短路电流密度为27.8 mA/cm2;与平面结构相比,短路电流密度提升5.8 mA/cm2,相对增加27%.该研究突破了以往认为绒面陷光效果主要取决于绒面形貌横向特征尺寸的观点,对实验获取最佳的周期或随机绒面陷光结构具有指导意义.

English Abstract

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