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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

陈培专 侯国付 索松 倪牮 张建军 张晓丹 赵颖

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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

陈培专, 侯国付, 索松, 倪牮, 张建军, 张晓丹, 赵颖

Simulation, design and fabrication of one-dimensional photonic crystal back reflector for silicon thin film solar cell

Chen Pei-Zhuan, Hou Guo-Fu, Suo Song, Ni Jian, Zhang Jian-Jun, Zhang Xiao-Dan, Zhao Ying
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  • 从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器. 首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响. 基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器. 通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500–750 nm 波长范围红移至650–1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%. 将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%. 同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响. 研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.
    A new type of high-performance back reflector based on one-dimensional photonic crystal (1D PC) is introduced in this paper. The 1D PC is designed by alternately depositing a-Si and a-SiOx layers. Firstly the influences of refractive index, layer-thickness and corresponding periodicity on the band-gap of 1D PC are simulated using the finite difference time domain method. Based on the simulation results 1D PCs with different bandgaps are experimentally deposited. Just by adjusting the a-Si layer thickness, the high-reflection bandgaps in ranges of 500-750 nm and 650-1100 nm are easily achieved. The reflectivity values of 96.4% and 99% in the above-mentioned bandgaps are obtained. Comparing with the cells without a back reflector, a relative enhancement of 18.3% and 15.2% can be achieved for the short circuit current densities of a-Si:H single-junction and a-Si:H/μc-Si:H tandem solar cells, respectively, by integrating the above optimized 1D PC in the back. Also the influences of incident angles of white light, TE waves and TM waves on the reflectivity of 1D PC are studied using a software to generate spectrophotometric and ellipsometric spectra of a thin film stack. It is found that the reflectivity of 1D PC in solar cell is less affected by the changes of incident angles from air.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61176060,61377031)、天津市自然科学基金重点项目(批准号:12JCZDJC28300)、国家高技术研究发展规划(批准号:2011AA050503)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00705,2011CBA00706,2011CBA00707)和天津市重大科技支撑计划(批准号:11TXSYGX22100)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61176060, 61377031), the Natural Science Foundation of Tianjin, China (Grant No. 12JCZDJC28300), the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2011AA050503), the National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2011CBA00705, 2011CBA00706, 2011CBA00707), and the Key Project in the National Science and Technology Pillar Program of Tianjin, China (Grant No. 11TXSYGX22100).
    [1]

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

    [2]

    Sai H, Jia H, Kondo M 2010 J. Appl. Phys. 108 044505

    [3]

    Ni J, Zhang J J, Cao Y, Wang X B, Li C, Chen X L, Geng X H, Zhao Y 2011 Chin. Phys. B 20 087309

    [4]

    Li G J, Hou G F, Han X Y, Yuan Y J, Wei C C, Sun J, Zhao Y, Geng X H 2009 Chin. Phys. B 18 1674

    [5]

    Yue G, Sivec L, Owens J M, Yan B, Yang J, Guha S 2009 Appl. Phys. Lett. 95 263501

    [6]

    Zhou D Y, Biswas R 2008 J. Appl. Phys. 103 093102

    [7]

    Akimov Y A, Koh W S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 063102

    [8]

    Baba T 2008 Nature Photon. 2 465

    [9]

    Krauss T F, De la Rue R M 1999 Prog. Quantum Electron. 23 51

    [10]

    Bermel P, Luo C, Zeng L, Kimerling L C, Joannopoulos J D 2007 Opt. Express 15 16986

    [11]

    Biswas R, Bhattacharya J, Lewis B, Chakravarty N, Dalal V 2010 Solar Energy Materials and Solar Cells 94 2337

    [12]

    Zhang Y H, Qiu X J, Li H Q, Chen H 2001 Physics 30 616 (in Chinese) [张拥华, 仇新杰, 李宏强, 陈宏 2001 物理 30 616]

    [13]

    Dong J W, Chen Y H, Jiang H Z 2007 Acta Phys. Sin. 56 268 (in Chinese) [董建文, 陈溢杭, 江河洲 2007 物理学报 56 268]

    [14]

    Ma X Y 2010 Principle and Aplication of Photonic Crystal (Beijing: Science Press) p38 (in Chinese) [马锡英 2010 光子晶体原理及其应用 (北京: 科学出版社) 第38页]

    [15]

    Matsumoto Y, Melendez F, Asomoza R 2001 Solar Energy Materials and Solar Cells 66 163

    [16]

    Bosch S, Ferre-Borrull J, Sancho-Parramon J 2001 Solid-State Electron. 45 703

  • [1]

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

    [2]

    Sai H, Jia H, Kondo M 2010 J. Appl. Phys. 108 044505

    [3]

    Ni J, Zhang J J, Cao Y, Wang X B, Li C, Chen X L, Geng X H, Zhao Y 2011 Chin. Phys. B 20 087309

    [4]

    Li G J, Hou G F, Han X Y, Yuan Y J, Wei C C, Sun J, Zhao Y, Geng X H 2009 Chin. Phys. B 18 1674

    [5]

    Yue G, Sivec L, Owens J M, Yan B, Yang J, Guha S 2009 Appl. Phys. Lett. 95 263501

    [6]

    Zhou D Y, Biswas R 2008 J. Appl. Phys. 103 093102

    [7]

    Akimov Y A, Koh W S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 063102

    [8]

    Baba T 2008 Nature Photon. 2 465

    [9]

    Krauss T F, De la Rue R M 1999 Prog. Quantum Electron. 23 51

    [10]

    Bermel P, Luo C, Zeng L, Kimerling L C, Joannopoulos J D 2007 Opt. Express 15 16986

    [11]

    Biswas R, Bhattacharya J, Lewis B, Chakravarty N, Dalal V 2010 Solar Energy Materials and Solar Cells 94 2337

    [12]

    Zhang Y H, Qiu X J, Li H Q, Chen H 2001 Physics 30 616 (in Chinese) [张拥华, 仇新杰, 李宏强, 陈宏 2001 物理 30 616]

    [13]

    Dong J W, Chen Y H, Jiang H Z 2007 Acta Phys. Sin. 56 268 (in Chinese) [董建文, 陈溢杭, 江河洲 2007 物理学报 56 268]

    [14]

    Ma X Y 2010 Principle and Aplication of Photonic Crystal (Beijing: Science Press) p38 (in Chinese) [马锡英 2010 光子晶体原理及其应用 (北京: 科学出版社) 第38页]

    [15]

    Matsumoto Y, Melendez F, Asomoza R 2001 Solar Energy Materials and Solar Cells 66 163

    [16]

    Bosch S, Ferre-Borrull J, Sancho-Parramon J 2001 Solid-State Electron. 45 703

  • [1] 赵生盛, 徐玉增, 陈俊帆, 张力, 侯国付, 张晓丹, 赵颖. 免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进展. 物理学报, 2019, 68(4): 048801. doi: 10.7498/aps.68.20181991
    [2] 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. 物理学报, 2018, 67(2): 028802. doi: 10.7498/aps.67.20171689
    [3] 陈敏, 万婷, 王征, 罗朝明, 刘靖. 宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构. 物理学报, 2017, 66(1): 014204. doi: 10.7498/aps.66.014204
    [4] 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
    [5] 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
    [6] 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
    [7] 梁磊, 徐琴芳, 忽满利, 孙浩, 向光华, 周利斌. 晶体硅太阳电池表面纳米线阵列减反射特性研究. 物理学报, 2013, 62(3): 037301. doi: 10.7498/aps.62.037301
    [8] 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
    [9] 李涛, 周春兰, 刘振刚, 赵雷, 李海玲, 刁宏伟, 王文静. 晶体硅太阳电池双层电极优化分析与实验研究. 物理学报, 2012, 61(3): 038802. doi: 10.7498/aps.61.038802
    [10] 石立超, 张巍, 金杰, 黄翊东, 彭江得. 中红外空心Bragg光纤的制备及在气体传感中的应用. 物理学报, 2012, 61(5): 054214. doi: 10.7498/aps.61.054214
    [11] 袁桂芳, 韩利红, 俞重远, 刘玉敏, 芦鹏飞. 二维光子晶体禁带特性研究. 物理学报, 2011, 60(10): 104214. doi: 10.7498/aps.60.104214
    [12] 郑新霞, 张晓丹, 杨素素, 王光红, 许盛之, 魏长春, 孙建, 耿新华, 熊绍珍, 赵颖. 单室沉积非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池的研究. 物理学报, 2011, 60(6): 068801. doi: 10.7498/aps.60.068801
    [13] 邢文鑫, 张巍, 石立超, 王雯, 赵红, 李志广, 黄翊东, 彭江得. 用于气体痕量检测的中红外空心布拉格光纤. 物理学报, 2010, 59(12): 8640-8645. doi: 10.7498/aps.59.8640
    [14] 刘永生, 杨文华, 朱艳燕, 陈静, 杨正龙, 杨金焕. 新型空间硅太阳电池纳米减反射膜系的优化设计. 物理学报, 2009, 58(7): 4992-4996. doi: 10.7498/aps.58.4992
    [15] 张戎, 黎华, 曹俊诚, 封松林. 太赫兹无线通信系统中的反射器研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4618-4623. doi: 10.7498/aps.58.4618
    [16] 童 凯, 崔卫卫, 汪梅婷, 李志全. 一维缺陷光子晶体温度的测量. 物理学报, 2008, 57(2): 762-766. doi: 10.7498/aps.57.762
    [17] 李国俊, 康学亮, 李永平, 吕 超, 范正修, 丁 磊, 隋 展. 反射型磁光多层膜隔离器的频率响应及宽容性研究. 物理学报, 2007, 56(5): 2945-2950. doi: 10.7498/aps.56.2945
    [18] 董建文, 陈溢杭, 汪河洲. 含奇异材料的掺杂一维光子晶体色散关系和空间局域度理论. 物理学报, 2007, 56(1): 268-273. doi: 10.7498/aps.56.268
    [19] 温晓文, 李国俊, 仇高新, 李永平, 丁 磊, 隋 展. 反射型磁光多层膜隔离器工作稳定性的研究. 物理学报, 2005, 54(4): 1847-1853. doi: 10.7498/aps.54.1847
    [20] 梁冠全, 韩 鹏, 汪河洲. 空间与频率双性能的薄膜光学滤波器. 物理学报, 2004, 53(7): 2197-2200. doi: 10.7498/aps.53.2197
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-11-11
  • 修回日期:  2014-03-05
  • 刊出日期:  2014-06-05

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