搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

晶体硅太阳电池表面纳米线阵列减反射特性研究

梁磊 徐琴芳 忽满利 孙浩 向光华 周利斌

引用本文:
Citation:

晶体硅太阳电池表面纳米线阵列减反射特性研究

梁磊, 徐琴芳, 忽满利, 孙浩, 向光华, 周利斌

Investigation of anti-reflection properties of crystalline silicon solar cell surface silicon nanowire arrays

Liang Lei, Xu Qin-Fang, Hu Man-Li, Sun Hao, Xiang Guang-Hua, Zhou Li-Bin
PDF
导出引用
  • 为增强晶体硅太阳电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线阵列的光学散射性质. 运用严格耦合波理论对硅纳米线阵列在310—1127 nm波段的反射率进行了模拟计算, 用田口方法对硅纳米线阵列的表面传输效率进行了优化. 结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为50 nm, 占空比为0.6, 高度约1000 nm时减反射效果最佳; 该结构在上述波段的平均反射率约为2%, 且在较大入射角度范围保持不变. 采用金属催化化学腐蚀法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备周期为60 nm,占空比为0.53, 高度为500 nm的硅纳米线阵列结构, 其反射率的实验测试结果与计算模拟值相符, 在上述波段的平均反射率为4%—5%, 相对于单晶硅35%左右的反射率, 减反射效果明显. 这种减反射微结构能够在降低太阳电池成本的同时有效减小单晶硅表面的光反射损失, 提高光电转换效率.
    In order to trap more sunlight onto the crystalline silicon solar cell and improve the photo-electric conversion efficiency, it is very important to study the optical scattering properties of silicon nanowire arrays on silicon wafer. The rigorous coupled wave analysis method is used for optical simulation, and the Taguchi method is used for efficient optimization. The simulation results show that at the above-mentioned wavelengths the reflectance of the optimized structure is less than 2%, and also able to achieve the wide-angle antireflection. At room temperature and ambient pressure, the silicon nanowire arrays each with a period of 50 nm, duty ratio of 0.6 and height of 1000 nm are successfully prepared on mono-crystalline Si wafers using a novel metal-catalyzed chemical etching technique, the reflectance test results are consistent with simulation values. The average reflectance of the optimized structure over the above-mentioned wavelength range is 4%-5%, showing that the antireflection effect is obvious compared with the reflectivity of about 35% of the single crystal silicon. The minus reflection microstructures reduce the sun battery microstructure costs, at the same time, reduce the monocrystalline silicon surface light reflecting loss, improve the photoelectric conversion efficiency.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61077006)、西北大学教学改革项目(批准号: 07YKC22)和西北大学研究生自主创新项目(批准号: 09YSY11)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61077006), Teaching Reform Project Foundation of Northwest University, China (Grant No. 07YKC22), and Graduate Student Independent Innovation Project Foundation of Northwest University, China (Grant No. 09YSY11).
    [1]

    Di D W, Cao Z Y, Li X W, Xie H L 2010 Solar Cells Operating Principles, Technology and System Applications (1st Edn.) (Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press) p 26 (in Chinese) [狄大卫,曹昭阳, 李秀文, 谢鸿礼 2010 太阳能电池工作原理、技术和系统应用 (第一版) (上海: 上海交通大学出版社) 第26页]

    [2]

    Liang J W 2011 Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation (1st Edn.) (Beijing: China Machine Press) p301 (in Chinese) [梁骏吾 2011 太阳电池: 材料、制备工艺及检测 (第一版) (北京: 机械工业出版社) 第301页]

    [3]

    Yu Z N, Gao H, Wu W, Ge H X, Chou S Y 2003 J. Vac. Sci. Technol. B 21 2874

    [4]

    Wang N, Zhu Y, Wei W, Chen J J, Li P, Wen Y M 2012 Acta Phys. Sin. 61 038801 (in Chinese) [王宁, 朱永, 韦玮, 陈建君, 李平, 文玉梅 2012 物理学报 61 038801]

    [5]

    Bernhard C G 1967 Endeavour 26 79

    [6]

    Clapham P B, Hutley M C 1973 Nature 244 281

    [7]

    Yun J L, Douglas S R, David W P, Bonnie B M, Julia W P H 2008 Nano. Lett. 8 1501

    [8]

    Sun C H, Jiang P, Jiang B 2008 Appl. Phys. Lett. 92 061112

    [9]

    Yang G G 2008 Micro-optics And System (1st Edn.) (Hangzhou: Zhejiang University Press) p30 (in Chinese) [杨国光 2008 微光学与系统 (第一版) (杭州: 浙江大学出版社) 第30页]

    [10]

    Liu S Y, Gu H Y, Zhang C W, Shen H W 2008 Acta Phys. Sin. 57 5996 (in Chinese) [刘世元, 顾华勇, 张传维, 沈宏伟 2008 物理学报 57 5996]

    [11]

    Kong W J, Wang S H, Wei S J, Yun M J, Zhang W F, Wang X J, Zhang M M 2011 Acta Phys. Sin. 60 114214 (in Chinese) [孔伟金, 王书浩, 魏世杰, 云茂金, 张文飞, 王心洁, 张蒙蒙 2011 物理学报 60 114214]

    [12]

    Roy R 1999 A Primer on the Taguchi Method (1st Edn.) (Ann Arbor: Van Nostrand Reinhold) p187

    [13]

    Wu Y, Hu J J, Xu Y 2006 Acta Energiae Solaris Sinica 27 811 (in Chinese) [吴茵, 胡崛隽, 许颖 2006 太阳能学报 27 811]

    [14]

    Liu Y S, Yang W H, Zhu Y Y, Chen J, Yang Z L, Yang J H 2009 Acta Phys. Sin. 58 4992 (in Chinese) [刘永生, 杨文华, 朱艳燕, 陈 静, 杨正龙, 杨金焕 2009 物理学报 58 4992]

    [15]

    Zhou J, Sun Y T, Sun T T, Liu X, Song W J 2011 Acta Phys. Sin. 60 088802 (in Chinese) [周骏, 孙永堂, 孙铁囤, 刘晓, 宋伟杰 2011 物理学报 60 088802]

    [16]

    Baker K M 1999 Appl. Opt. 38 352

  • [1]

    Di D W, Cao Z Y, Li X W, Xie H L 2010 Solar Cells Operating Principles, Technology and System Applications (1st Edn.) (Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press) p 26 (in Chinese) [狄大卫,曹昭阳, 李秀文, 谢鸿礼 2010 太阳能电池工作原理、技术和系统应用 (第一版) (上海: 上海交通大学出版社) 第26页]

    [2]

    Liang J W 2011 Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation (1st Edn.) (Beijing: China Machine Press) p301 (in Chinese) [梁骏吾 2011 太阳电池: 材料、制备工艺及检测 (第一版) (北京: 机械工业出版社) 第301页]

    [3]

    Yu Z N, Gao H, Wu W, Ge H X, Chou S Y 2003 J. Vac. Sci. Technol. B 21 2874

    [4]

    Wang N, Zhu Y, Wei W, Chen J J, Li P, Wen Y M 2012 Acta Phys. Sin. 61 038801 (in Chinese) [王宁, 朱永, 韦玮, 陈建君, 李平, 文玉梅 2012 物理学报 61 038801]

    [5]

    Bernhard C G 1967 Endeavour 26 79

    [6]

    Clapham P B, Hutley M C 1973 Nature 244 281

    [7]

    Yun J L, Douglas S R, David W P, Bonnie B M, Julia W P H 2008 Nano. Lett. 8 1501

    [8]

    Sun C H, Jiang P, Jiang B 2008 Appl. Phys. Lett. 92 061112

    [9]

    Yang G G 2008 Micro-optics And System (1st Edn.) (Hangzhou: Zhejiang University Press) p30 (in Chinese) [杨国光 2008 微光学与系统 (第一版) (杭州: 浙江大学出版社) 第30页]

    [10]

    Liu S Y, Gu H Y, Zhang C W, Shen H W 2008 Acta Phys. Sin. 57 5996 (in Chinese) [刘世元, 顾华勇, 张传维, 沈宏伟 2008 物理学报 57 5996]

    [11]

    Kong W J, Wang S H, Wei S J, Yun M J, Zhang W F, Wang X J, Zhang M M 2011 Acta Phys. Sin. 60 114214 (in Chinese) [孔伟金, 王书浩, 魏世杰, 云茂金, 张文飞, 王心洁, 张蒙蒙 2011 物理学报 60 114214]

    [12]

    Roy R 1999 A Primer on the Taguchi Method (1st Edn.) (Ann Arbor: Van Nostrand Reinhold) p187

    [13]

    Wu Y, Hu J J, Xu Y 2006 Acta Energiae Solaris Sinica 27 811 (in Chinese) [吴茵, 胡崛隽, 许颖 2006 太阳能学报 27 811]

    [14]

    Liu Y S, Yang W H, Zhu Y Y, Chen J, Yang Z L, Yang J H 2009 Acta Phys. Sin. 58 4992 (in Chinese) [刘永生, 杨文华, 朱艳燕, 陈 静, 杨正龙, 杨金焕 2009 物理学报 58 4992]

    [15]

    Zhou J, Sun Y T, Sun T T, Liu X, Song W J 2011 Acta Phys. Sin. 60 088802 (in Chinese) [周骏, 孙永堂, 孙铁囤, 刘晓, 宋伟杰 2011 物理学报 60 088802]

    [16]

    Baker K M 1999 Appl. Opt. 38 352

  • [1] 张逸飞, 刘媛, 梅家栋, 王军转, 王肖沐, 施毅. 基于纳米金属阵列天线的石墨烯/硅近红外探测器. 物理学报, 2024, 73(6): 064202. doi: 10.7498/aps.73.20231657
    [2] 刘晓轩, 孙飞扬, 吴颖, 杨盛谊, 邹炳锁. 硅纳米线阵列光电探测器研究进展. 物理学报, 2023, 72(6): 068501. doi: 10.7498/aps.72.20222303
    [3] 卢辉东, 韩红静, 刘杰. 有机铅碘钙钛矿太阳电池结构优化及光电性能计算. 物理学报, 2021, 70(16): 168802. doi: 10.7498/aps.70.20210134
    [4] 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
    [5] 闻铭武, 杨笑微, 王占山. 基于X射线塔尔博特效应的纳米光栅制作模拟研究. 物理学报, 2015, 64(11): 114102. doi: 10.7498/aps.64.114102
    [6] 朱兆平, 秦亦强. 纳米线减反层的解析设计法. 物理学报, 2013, 62(15): 157801. doi: 10.7498/aps.62.157801
    [7] 张铮, 徐智谋, 孙堂友, 何健, 徐海峰, 张学明, 刘世元. 硅表面抗反射纳米周期阵列结构的纳米压印制备与性能研究. 物理学报, 2013, 62(16): 168102. doi: 10.7498/aps.62.168102
    [8] 闫红丹, Peter Lemmens, Johannes Ahrens, Martin Bröring, Sven Burger, Winfried Daum, Gerhard Lilienkamp, Sandra Korte, Aidin Lak, Meinhard Schilling. 基于表面等离子体耦合的高密度金纳米线阵列. 物理学报, 2012, 61(23): 237105. doi: 10.7498/aps.61.237105
    [9] 王宁, 朱永, 韦玮, 陈建君, 李平, 文玉梅. 基于纳米孔阵列增透膜的光伏器件特性分析及实验研究. 物理学报, 2012, 61(3): 038801. doi: 10.7498/aps.61.038801
    [10] 韩涛, 孟凡英, 张松, 汪建强, 程雪梅. 银纳米颗粒减反射特性的理论研究. 物理学报, 2011, 60(2): 027303. doi: 10.7498/aps.60.027303
    [11] 孔伟金, 王书浩, 魏世杰, 云茂金, 张文飞, 王心洁, 张蒙蒙. 基于严格耦合波理论的宽光谱金属介质膜光栅衍射特性分析. 物理学报, 2011, 60(11): 114214. doi: 10.7498/aps.60.114214
    [12] 赵华君, 杨守良, 张东, 梁康有, 程正富, 石东平. 亚波长金属偏振分束光栅设计分析. 物理学报, 2009, 58(9): 6236-6242. doi: 10.7498/aps.58.6236
    [13] 孔伟金, 云茂金, 孙 欣, 刘均海, 范正修, 邵建达. 基于严格耦合波理论的多层介质膜光栅衍射特性分析. 物理学报, 2008, 57(8): 4904-4910. doi: 10.7498/aps.57.4904
    [14] 刘世元, 顾华勇, 张传维, 沈宏伟. 基于修正等效介质理论的微纳深沟槽结构反射率快速算法研究. 物理学报, 2008, 57(9): 5996-6001. doi: 10.7498/aps.57.5996
    [15] 李 卫, 徐 岭, 孙 萍, 赵伟明, 黄信凡, 徐 骏, 陈坤基. 基于直接胶体晶体刻蚀技术的高度有序纳米硅阵列的尺寸及形貌控制. 物理学报, 2007, 56(7): 4242-4246. doi: 10.7498/aps.56.4242
    [16] 胡海宁, 陈京兰, 吴光恒, 陈丽婕, 刘何燕, 李养贤, 曲静萍. 电化学沉积Fe与FePd纳米线阵列的磁性. 物理学报, 2005, 54(9): 4370-4373. doi: 10.7498/aps.54.4370
    [17] 曾湘波, 廖显伯, 王 博, 刁宏伟, 戴松涛, 向贤碧, 常秀兰, 徐艳月, 胡志华, 郝会颖, 孔光临. 等离子体增强化学气相沉积法实现硅纳米线掺硼. 物理学报, 2004, 53(12): 4410-4413. doi: 10.7498/aps.53.4410
    [18] 闫小琴, 刘祖琴, 唐东升, 慈立杰, 刘东方, 周振平, 梁迎新, 袁华军, 周维亚, 王 刚. 衬底对化学气相沉积法制备氧化硅纳米线的影响. 物理学报, 2003, 52(2): 454-458. doi: 10.7498/aps.52.454
    [19] 杨绍光, 徐 正, 锁志勇, 朱 浩, 都有为. 金属Ni纳米线阵列的制备及其磁性能. 物理学报, 1999, 48(13): 111-115. doi: 10.7498/aps.48.111
    [20] 傅克祥, 张大跃, 王植恒, 张奇志, 张 靖. 位相光栅的严格模式理论及其全反射特性. 物理学报, 1998, 47(8): 1278-1288. doi: 10.7498/aps.47.1278
计量
  • 文章访问数:  8763
  • PDF下载量:  994
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-03-29
  • 修回日期:  2012-08-30
  • 刊出日期:  2013-02-05

/

返回文章
返回