1 引 言
随着能源危机环境恶化以及各国能源政策的调整，太阳能作为清洁廉价且可持续的新能源得到了世界上很多国家的重视。尽管受到了薄膜太阳能电池和有机高分子太阳能电池的挑战，由于硅材料在地球上蕴含丰富，没有毒性，对环境友好，硅系太阳能电池(包括晶体硅和薄膜硅)一直是业界发展的重点。在单晶硅上堆积非晶硅薄膜制成的混合硅太阳能电池可以兼顾到成本和效率。硅基p-i-n-i-n异质结太阳能电池可以取得23%的效率[1]。以晶体硅为代表的p-n结型太阳能电池的效率不可能无限地提高，在理论上存在一个转换效率的极限值，单晶硅太阳能电池的极限效率只有31%[2]。到目前为止，实验室最高纪录值是澳大利亚新南威尔士大学研究的电池，其转换效率达到25%[3]，实际规模化产品转换效率一般在17%~19%左右。
理想情况是，一个太阳能电池应该吸收所有有用的光子。然而由于硅的高折射率，对于波长在300~800 nm范围的太阳光谱,入射光垂直入射，一个抛光的硅表面将大约35%左右的入射光反射掉。有两种方法可以减少光在硅表面的反射，一种是利用单层或者多层梯度折射率薄膜[4-7]，另一种是在硅表面沉积纳米结构的防反射光栅薄膜[8-13]。目前广泛应用的提高太阳能电池转换效率的方法是用等离子体化学沉积的方法在硅表面沉积四分之一波长的单层氮化硅防反射涂层[9-10]，但是薄膜的厚度只能针对某一特定的波长和入射角来优化，当光的波长偏离目标波长，入射角偏离目标入射角时反射率会迅速增加。人们注意到利用亚波长光栅的衍射效应制作出的亚波长光栅可以作为宽带的、方向无关的减反膜[14-17]。
最近几年，一些研究者提出用二维光子晶体光栅作为减反膜[18-19]，这种方法是诱人的。但是，受到技术的挑战，短时间内很难在工业上得到应用。为了平衡吸收效率和技术挑战，一些作者提出了一维(1D)双重周期性光栅和背面金属反射周期性光栅构成的复合结构来减少光在太阳电池上的反射[17,20]。这种结构需要在电池板的背面制作出金属反射亚波长光栅。菲涅耳波带片可以用于聚焦和光调制[21-25]。本文基于菲涅耳波带片设计了一种减少太阳光反射的非周期性光栅结构，而且没有金属反射亚波长光栅背电极。时域有限差分(FDTD)模拟显示，所设计的结构可以达到文献[26-27]的结构(具有背面金属反射光栅)相同的减反效果。
2 模型和方法
图1显示出所设计的太阳电池结构的一个单元。金属银(Ag)薄膜作为电池的背电极，非晶硅(a-Si)在金属薄膜上。非晶硅上面的单晶硅薄膜被刻蚀成一个二元相位菲涅尔波带(FZP)光栅结构(称为光栅1)，波带片的区域边界为
式中x1为中心区域的边界，N是一个FZP单元中边界的数目。波带片的上方的氧化铟锡(ITO)电极材料也被设计成一个光栅结构(称为光栅2)。光栅2的设计方法如下：FZP的中心区域上的ITO被量化成2M-1个脊(其中中心脊的宽度为其它宽度的 2倍)。FZP的其它脊区上的 ITO被量化成 M个脊。整个太阳电池是将FZP单元在x方向的周期性排列。由于Si薄膜被设计成了FZP结构，因此，所设计的太阳电池结构减少了Si材料的使用量。采用双层光栅的减反膜设计是为了实现宽波段波长范围反射率的减小。假设p-偏振(TM)平面波垂直入射到所设计的太阳电池上。依照FZP的聚焦原理，入射光被聚焦在Si材料内，这样可以增强光的吸收，达到减小反射的目的。在下一节中用Comsol 4.3仿真软件对所设计的太阳电池结构的反射场和透射场进行模拟。
3 模拟结果
当表面无光栅时，太阳电池ITO、Si、a-Si和Ag四层薄膜的层叠结构，表1给出了每种材料的折射率随波长的变化。在模拟中，取ITO薄膜的厚度为m=80 nm，Si薄膜的厚度为n=100 nm，a-Si的厚度为t=500 nm，Ag薄膜的厚度为h=100 nm。在使用Comsol软件进行时域有限差分(FDTD)建模时，在ITO上面增加50 nm厚的空气层，在空气层上方添加的完美匹配层(PML)材料也设置为空气。同样的方法，在模型底部也添加一个50 nm空气层，在空气层下的PML层也设置为空气，这样做的目的是提高仿真的精确度。在有限元网格剖分时每个波长至少要划分5个网格，即每个网格的尺寸不得超过l/5。
由于在材料中入射波的波长随材料折射率n的变化而变化，所以每个网格尺寸不超过l/5n。入射端口采用周期性端口，边界采用Floquet周期性边界条件。单光栅结构是在无光栅的基础上将ITO和Si两层刻成条状菲涅耳光栅。设定FZP的第一个区域边界为x1=400 nm，每个FZP周期单元中有5个环带。双光栅的结构如图1所示，它是在单光栅的基础上将ITO薄膜刻蚀成在上一节中所描述的结构。在模拟中，取M=2。对于无光栅、单光栅和双光栅三种情况，均假设TM偏振的平面波垂直入射到太阳电池上。
图2显示出所获得的反射率随波长的变化。从图中可以看出，在所模拟的太阳光谱范围内，双层光栅起到了很好的减反效果。最大反射率为0.14, 这个值比文献[26]所报道的最大反射率0.24小41.7%。
图3显示出对于500、600、700 nm三个特殊的波长反射场的分布。从图中可以看到，无光栅时[图3(a)]，反射场的强度很大，而且是均匀分布，这是在预料之中的。当 λ =500 nm时，单光栅结构的反射光具有聚焦光斑出现，这是由于所设计的单FZP光栅对于这个波长刚好满足聚焦条件。随着入射波长远离500 nm (即偏离聚焦条件)，聚焦效果愈来愈差，如图3 (b)所示。在光栅1的基础上再刻蚀光栅2，即双光栅结构，反射光的强度大大减弱，且基本上没有聚焦作用。这是由于光栅2不是一个FZP结构，而是一个纳米线阵列[8]，它对入射光起到漫散射的效果，所以反射光和透射光不再有聚焦作用。
图4显示了在450、550、650 nm三个不同波长入射的情况下，双光栅结构太阳电池体内的散射场分布。显然，波长为450 nm的透射光强比其他两个波长的透射光强小，这是由于对这个波长的反射强度大(见图2)所造成的。图4也说明了所设计的太阳电池对于不同波长的光的透射是不均匀的。
图5画出了在对于三种不同结构太阳电池的吸收率a随着波长的变化。整个太阳电池的吸收率A用(2)式计算[26]
式中 a(λ) 是用 FDTD计算所获得的太阳电池的吸收谱，S(λ) 是太阳光谱分布。依照(2)式，计算出了无光栅、单光栅和双光栅三种太阳电池的整个吸收率分别为67.8%，88.7%和94.4%。利用所设计的双光栅结构，可以将平板太阳电池的吸收率提高39.2%。知道了太阳电池的吸收谱，可以利用(3)式来估算太阳电池短路光电流密度(Jsc)[26]：
式中e是电子电量，h是普朗克常数，c为在真空中的光速。根据(3)式，计算出双光栅时的电流密度为22.6 mA/cm2，单光栅时电流密度为21.4 mA/cm2，而无光栅时的电流密度为18.9 mA/cm2。与无光栅时相比，双光栅结构太阳电池的短路电流提高了19.9%。
4 结 论
提出了减小太阳电池反射率的一种新方法，将Si薄膜刻蚀成阵列菲涅耳波带片结构，将ITO薄膜刻蚀成纳米线阵列，金属背电极是一个平面结构。使用FDTD方法模拟了电场的分布。结果显示，所设计的太阳电池结构比文献中所报道的金属背电极制作成光栅形状的太阳电池的反射率低[26]。与无光栅情况相比，所设计的太阳电池结构可以将光的吸收率提高39.2%，短路光电流密度提高19.9%。
参 考 文 献
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