江达飞

摘 要：针对现有太阳能电池板吸收层厚度较薄，吸收波长与带隙接近的光子能力较弱的问题，本文提出了一种双光栅太阳能电池结构，并使用RSOFT软件的CAD模块建立了由MATLAB模拟优化后得到的多晶硅薄膜太阳能电池模型，最后计算了转换效率，验证了利用双光栅可以显著提高单晶硅薄膜太阳能电池的转换效率和短路电流的能力。

关键词：太阳能电池;光栅;转换效率

中图分类号：TM914.42文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）16-0109-03

Abstract： Aiming at the problem that thickness of the absorption layer of the existing solar cell panel was thin， and the ability to absorb photons with a wavelength close to the band gap was weak， a double-grating solar cell structure was proposed. The model of polycrystalline silicon thin film solar cell was established by using the CAD module of Rsoft software， and the conversion efficiency was calculated. It was verified that the conversion efficiency and short-circuit current of monocrystalline silicon thin film solar cell could be significantly improved by using double gratings.

Keywords： solar cell;grating;conversion efficiency

1 研究背景

目前大部分太陽能电池都是由硅材料制备。因为硅是地球上极为常见的一种元素，常常是以硅酸盐和二氧化硅的形式存在于岩石、砂土之中，是地壳中仅次于氧元素第二丰富的元素，所以用硅材料制备太阳能电池成本比较低，有利于将来商业化发展[1-2]。以硅材料为基础制备的太阳能电池又分为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。从目前的技术水平来看，单晶硅太阳能电池的制造技术是最为成熟的，电池转换效率也最高，大规模生产时电池转换效率能保持在20%左右[3];但是，单晶硅太阳能电池的制备成本较高、生产过程耗电量大、对所需材料要求高[4]。由此，人们为了降低太阳能电池生产成本开始转向生产成本低、重量轻、所需硅材料更少的多晶硅薄膜太阳能电池。多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅太阳能电池一样，不具有光致衰退效应，因此其和非晶体硅太阳能电池一样具有高性能和稳定性[5];同时，多晶硅薄膜太阳能电池厚度只有几百微米，有利于减少载流子的复合，从而提高电池的开路电压和填充因子。

但是，多晶硅薄膜太阳能电池因为吸收层厚度仅有几十微米，而且硅又是间接带隙半导体材料，因此其对波长接近带隙的光子吸收率非常低[6]。例如，对于750～1 100 nm的波长，要将其完全吸收，则要求吸收层的厚度在10～3 000 μm，但是多晶硅薄膜太阳能电池厚度也就几百微米，所以无法将上述波长的光吸收，这必定会大幅降低太阳能电池的转换效率[7]。如果能将接近带隙的光子全部吸收，这对多晶硅薄膜太阳能电池转换效率将会有一个不小的提升，为此很多科研团队都专注于此，希望提高多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率。

本文提出了一种既能保证太阳能电池高转换效率，又不增加薄膜电池厚度，还能不提高制备成本的多晶硅薄膜太阳能电池结构。本项目提出的薄膜太阳能电池是在多晶硅薄膜电池表面利用ITO材料（透明导电）制作高透射光栅，增加进入薄膜电池的光子数;同时，在薄膜太阳能电池背面利用金属银制备高反射光栅，作为陷光结构，使透过薄膜的光子又能重新反射进入薄膜太阳能电池，增加光子在太阳能电池内的光程。另外，背面电极采用铝材料制备，因为根据相关论文[8]可知，利用金属铝制备电极对太阳能薄膜电池的效果和利用金属银是相同的。本项目分析了不同光栅形状和光栅参数对光透射和反射的影响，优化薄膜太阳能电池结构，实现薄膜多晶硅太阳能电池转换效率最大化。

2 器件结构

本文利用RSOFT软件的CAD模块建立由MATLAB模拟优化后得到的多晶硅薄膜太阳能电池模型，并将由严格耦合波法分析得到的最佳透射光栅和最佳反射光栅与优化后的多晶硅薄膜太阳能电池相集成，具体模型如图1所示。在光栅多晶硅薄膜太阳能电池模型中，表面高折射率光栅材料是ITO，低折射率介质材料是空气;而在太阳能电池下，表面高折射率光栅材料仍是ITO，低折射率介质材料是Ag。

本文决定将最佳透射和反射光栅与最优多晶硅薄膜太阳能电池集成后再进行优化，因为这样可以将太阳能电池对光栅的影响也考虑进优化的过程中。若要优化上下表面光栅参数，使光栅多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率达到最优，可以使用RSOFT的参数扫描功能或者通过python语言编写RSOFT的脚本，通过让光栅参数连续变化，观察光栅多晶硅薄膜太阳能电池转换效率的变化趋势，找出上下表面光栅的最优参数值。

3 短路电流密度和转换效率计算

图2是由式（2）和式（3）计算得出的最优光栅单晶硅太阳能电池的短路电流密度和转换效率，并将其与传统单晶硅的太阳能电池进行对比。

从图中可以看出，最优光栅单晶硅太阳能电池[Jsc]和[η]分别可以达到35.15 mA/cm2和43.35%，相比传统单晶硅有了明显提高。在转换效率上，最优单晶硅太阳能电池相对于传统单晶硅太阳能电池提高了126.4%。

4 结论

通过计算分析发现，利用双光栅可以显著提高单晶硅薄膜太阳能电池的转换效率和短路电流，这对于将来制备高性能太阳能电池具有重要意义。

参考文献：

[1]Pala R A，White J，Barnard E，et al. Design of Plasmonic Thin—Film Solar Cells with Broadband Absorption Enhancements[J]. Advanced Materials，2009（34）：3504-3509.

[2]Lai W H，Chiu C P，Hsu W H，et al. Effective enhancement of conversion efficiency for a-Si thin-film solar cell using pattern-array dendritic silver nanostructure[C]// Photonics for Solar Energy Systems V. International Society for Optics and Photonics，2014.

[3]柳邦.全背式硅基薄膜太陽能电池的设计与制备[D].成都：电子科技大学，2017.

[4]殷志刚.太阳能光伏发电材料的发展现状[J].可再生能源，2008（5）：17-20.

[5]Green M A，Pillai S. Harnessing plasmonics for solar cells[J]. Nature Photonics，2012（3）：130-132.

[6]石鑫，孙诚，王晓秋.适用于薄膜硅太阳能电池背反射面的一维衍射光栅结构[J].激光与光电子学进展，2018（1）：160-165.

[7]Shen Hongjun，LU Huidong，Cheng Xuezhen. Back Reflectors of Thin-film Silicon Solar Cells Consisting of One-dimensional Diffraction Gratings and One-dimensional Photonic Crystal[J]. Chinese Journal of Luminescence，2012（6）：633-639.

[8]张璇如.基于表面等离激元的微纳光子器件设计[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

[9]Müller J，Rech B，Springer J，et al. TCO and light trapping in silicon thin film solar cells[J]. Solar Energy，2004（6）：917-930.