表面等离子体激元增强薄膜太阳电池研究进展

表面等离子体激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性,对基于表面等离子体激元共振的纳米结构体系的研究已形成了一门新兴的学科,即表面等离子体光子学。可以利用金属纳米颗粒光散射、近场增强以及高度局域的表面等离子体极化激元增强薄膜太阳电池光吸收,提高电池转换效率。当前,表面等离子体光子学应用于太阳电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的一个热点。文章主要介绍表面等离子体激元增强薄膜太阳电池光吸收的原理及其在光伏器件中应用的最新研究进展。

纳米颗粒表面等离激元在太阳电池中的应用

金属纳米颗粒独特的光学性质,使其在薄膜太阳电池新型陷光结构应用方面极具前景。系统地介绍了金属纳米颗粒表面等离激元促进薄膜太阳电池光吸收机理,即光散射增强机理和局域场增强效应。在此基础上,概述了当前金属纳米颗粒陷光结构的制备方法,包括溅射法、电子束刻蚀法、液相还原法、溶胶-凝胶法及反胶束法等。结合国内外最新研究进展深入探讨了典型金属纳米颗粒的尺寸、形状及介电环境等参数对其光学性能和薄膜太阳电池光电转换效率的影响。最后,对金属纳米颗粒增强薄膜太阳电池光吸收的发展前景进行了展望。

陷光结构在GaAs薄膜太阳电池中的应用

陷光结构由于其独特的光学特性,在光伏器件中发挥的作用越来越重要。目前硅基太阳电池中陷光结构的应用很常见,然而在GaAs薄膜太阳电池中陷光结构的报道并不多。详细介绍了陷光结构的原理及其在GaAs薄膜电池中的研究现状和应用情况。综述了GaAs薄膜太阳能电池中常用的三类陷光结构:正面陷光结构(包括纳米颗粒、纳米线、纳米锥等)、背面陷光结构(如镜面背反射层)以及混合陷光结构。大量研究表明,陷光结构的使用可以进一步提高GaAs薄膜电池的光电转换效率,一定程度上达到降低电池生产成本的目的。

光面晶体硅-陷光膜复合电池光电特性研究

晶体硅表面制绒虽然会降低太阳光的反射损失,但也会造成其表面损伤,从而制约晶体硅电池转换效率的提高。对这一问题设计光面晶体硅-陷光膜复合电池结构,经理论分析和实验表明:陷光膜可有效减少光的反射损失,光面晶体硅的光生伏特效应比绒面强,复合电池转换效率比绒面晶体硅电池提高2.2%。

等离激元共振增强多晶硅薄膜太阳电池性能研究

采用磁控溅射方法,在多晶硅薄膜太阳电池表面沉积了不同粒径大小的Au纳米粒子,利用粒径大小可调控的Au纳米粒子的局域表面等离激元共振增强效应(LSPR),对入射光中的可见光区域实现"光俘获";采用UV-vis吸收光谱对LSPR进行了研究,结果表明,LSPR能够有效拓展Au纳米粒子的光谱响应范围(400~800nm),并且,随着Au纳米粒子粒径的增大,LSPR共振吸收峰呈现出明显"红移";同时,通过SERS表征,证实LSPR能够有效增强Au纳米粒子周围的局域电磁场强度;最后,多晶硅太阳电池的J-V特性曲线表明,当Au纳米粒子溅射时间为50s时,多晶硅太阳电池光电转换效率(η)最高为14.8%,比未修饰Au纳米粒子的电池η提高了42.3%。

银纳米光栅增加晶体硅薄膜太阳能电池光吸收的研究

为了提高晶体硅（c-Si）薄膜太阳能电池对光的俘获能力，提出了一种可以显著增强光吸收的电池结构，该结构由减反射层、有源层和背反射镜组成。基于有效折射率调制的基本原则和严格耦合波理论，通过数值计算与仿真讨论了不同结构层的光学特性，计算了减反射层的透射率、背反射镜的反射率和经过优化后的c-Si薄膜太阳能电池的吸收率。在AM1．5G（地表面上接受到的以48。入射的太阳光谱，包含漫反射）照射下，当入射角小于75°，有源层的厚度为20μm时，太阳能电池在400～850nm、850～1000nm、1000～1100nm波长范围内平均吸收率分别为85．7％、49％、14％，有效弥补了c—Si薄膜太阳能电池近红外波段吸收不足的缺陷。

单晶硅表面微结构调节技术的改进

提出改变碱液腐蚀单晶硅表面特性的一个简单方法,即在碱液中加入活性剂改变碱液在硅表面的润湿性能从而改变其腐蚀特性。分别采用普通碱液、四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide,TMAH)溶液和加入阴离子有机氟表面活性剂的普通碱液腐蚀硅表面。结果发现:普通碱液和TMAH腐蚀液腐蚀的硅表面的金字塔大小差异大、有许多蜂窝状的小金字塔,反射率较高;用加入阴离子有机氟表面活性剂的普通碱液腐蚀的单晶硅表面,能形成比较规则的金字塔,金字塔尺寸为4～6μm、均匀性好、覆盖率高、表面反射率下降到12.65%。有机氟表面活性剂能提高硅在碱中腐蚀速率,有效调控单晶硅金字塔形貌、大小与分布,为精确调控单晶硅表面微结构提供了可能。