陷光结构应用于太阳能电池的研究进展-何苗-长沙理工大学.pdf

基 金 项 目: 国 家 自 然 科 学 基 金( ５１１７２０３１ ); 湖 南 省 研 究 生 科 研 创 新 项 目( CX２０１７B４８１ ) 何 苗: 女, １９９１ 年 生, 硕 士 研 究 生, 主 要 从 事 薄 膜 太 阳 能 电 池 研 究 E-mail : hemiaot＠１６３． com 陈 建 林: 通 信 作 者, 男, １９７５ 年 生, 副 教 授, 主 要 从 事 太 阳 能 转 换 与 利 用 技 术 研 究 E-mail : cjlinhunu＠csust． edu． cn 陷 光 结 构 应 用 于 太 阳 能 电 池 的 研 究 进 展 何 苗, 陈 建 林, 周 厅, 彭 卓 寅, 任 延 杰, 陈 荐 ( 长 沙 理 工 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院; 能 源 高 效 清 洁 利 用 湖 南 省 高 校 重 点 实 验 室, 长 沙 ４１０１１４ ) 摘 要 在 太 阳 能 电 池 中 引 入 陷 光 结 构 是 提 高 光 电 转 换 效 率 的 一 种 重 要 方 法. 本 文 主 要 从 晶 体 硅 太 阳 能 电 池、 薄 膜 太 阳 能 电 池 和 其 他 新 型 太 阳 能 电 池 三 方 面, 综 述 了 近 年 来 国 内 外 陷 光 结 构 用 于 太 阳 能 电 池 的 最 新 研 究 进 展, 分 析 了 陷 光 结 构 对 各 类 太 阳 能 电 池 性 能 的 影 响、 陷 光 作 用 的 原 理 及 工 艺 手 段, 最 后 指 出 其 发 展 潜 力 及 未 来 的 研 究 方 向. 关 键 词 陷 光 太 阳 能 电 池 光 电 转 换 效 率 中 图 分 类 号: TB３４ 文 献 标 识 码: A DOI : １０.１１８９６ / j． issn.１００５-０２３X.２０１８.０５.００２ A pp l y in g Li g htTra pp in g StructuretoSolarCells : anOverview HEMiao , CHENJianlin , ZHOUTing , PENGZhuoyin , RENYanjie , CHENJian ( SchoolofEnergyandPowerEngineering , ChangshaUniversityofScienceandTechnology ; KeyLaboratory ofEfficientandCleanEnergyUtilization , CollegesofHunanProvince , Changsha４１０１１４ ) Abstract Introducinglighttrappingstructureinsolarcellsisoneoftheimportantapproachesforimprovingphotovoltaiccon- versionefficiency．Thisarticlereviewstherecentprogressoflighttrappingstructureinviewofdifferent-typedsolarcellsincluding crystallinesiliconsolarcells , thinfilmsolarcellsandothernovelsolarcells．Theinfluenceoflighttrappingstructureontheperfor- manceofdifferentsolarcells , thelighttrappingmechanismandtheprocessofpreparinglighttrappingstructurehavebeenanalyzed． Finally , theextensiveapplicationandfutureresearchoflighttrappingstructureforsolarcellshavebeenpointedout． Keywords lighttrapping , solarcell , photovoltaicconversionefficiency ０ 引 言 太 阳 能 电 池 是 利 用 半 导 体 的 光 伏 效 应 或 光 化 学 效 应 将 太 阳 光 能 直 接 转 换 为 电 能 的 器 件, 已 商 业 化 的 太 阳 能 电 池 包 括 晶 体 硅 太 阳 能 电 池( 如 单 晶 硅 和 多 晶 硅) 和 薄 膜 太 阳 能 电 池( 如 硅 基、 铜 铟 镓 硒、 碲 化 镉 等). 经 近 １０ 年 的 发 展, 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 最 高 光 电 转 换 效 率 已 达 到 ２６． ３％ , 组 件 的 光 电 转 换 效 率 从 １０ 年 前 的 １１％ 提 升 至 现 在 的 ２０％ 左 右, 成 本 约 下 降 为 原 来 的 １ / １０ . 然 而, 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 一 般 要 求 在 比 较 厚 的 高 质 量 硅 片 上 制 得, 其 发 电 成 本 还 不 能 与 传 统 能 源 发 电 相 匹 敌. 铜 铟 镓 硒 和 碲 化 镉 太 阳 能 电 池 的 最 高 转 换 效 率 已 分 别 达 到 ２１． ７％ 与 ２１． ５％ , 这 类 电 池 采 用 高 消 光 系 数、 直 接 带 隙 吸 光 材 料, 可 大 大 降 低 电 池 厚 度, 但 受 有 毒 或 稀 有 元 素 的 原 材 料 限 制. 单 结 和 双 结 砷 化 镓 太 阳 能 电 池 的 最 高 转 换 效 率 分 别 达 到 ２８． ８％ 与 ３０． ８％ , 但 其 制 造 成 本 高. 另 外, 染 料 敏 化、 量 子 点 敏 化、 有 机 聚 合 物、 钙 钛 矿 类 等 新 型 太 阳 能 电 池 正 在 快 速 发 展, 其 实 验 室 转 换 效 率 不 断 刷 新 纪 录. 提 高 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 换 效 率 是 推 动 光 伏 技 术 进 步 的 主 要 目 标 之 一. 拓 宽 太 阳 光 谱 利 用 频 段 和 增 大 光 捕 获 效 率 是 提 高 光 电 转 换 效 率 的 有 效 手 段, 为 此 在 太 阳 能 电 池 中 引 入 合 适 的 陷 光 结 构 可 以 达 到 此 效 果, 陷 光 结 构 已 成 为 太 阳 能 电 池 领 域 的 一 个 研 究 热 点. １ 陷 光 结 构 的 基 本 原 理 陷 光 是 通 过 设 计 特 殊 的 结 构, 使 入 射 光 线 发 生 反 射、 折 射 和 散 射, 分 散 到 各 个 角 度, 增 加 光 程, 使 光 吸 收 增 加. 太 阳 能 电 池 通 过 陷 光 效 应 来 实 现 高 效 的 光 学 管 理, 增 大 光 捕 获 效 率, 从 而 提 高 电 池 的 光 电 转 换 效 率. 从 光 捕 获 效 率 角 度 来 说, 广 义 的 陷 光 结 构 包 括 很 多 实 现 途 径. 常 见 的 陷 光 策 略 包 括: 电 池 前 表 面 引 入 织 构 及 抗 反 射 涂 层, 减 少 反 射 损 失; 增 加 电 池 内 部 光 程; 增 强 电 池 背 部 反 射, 减 少 透 射 损 失 等. 近 １０ 年 来, 一 些 更 先 进 的 陷 光 策 略 被 采 用, 例 如 表 面 等 离 激 元、 光 子 晶 体、 衍 射 光 栅、 光 学 共 振 器 等 [１-２] . 将 陷 光 结 构 应 用 于 太 图 １ 利 用 前 表 面 陷 光 结 构 改 进 长 波 行 进 路 径 [１] Fig． １ Modificationoflongwavelengthtravelling pathviafrontsurfacetexture [１] · ６ ９ ６ · 材 料 导 报 A : 综 述 篇 ２０１８ 年 ３ 月( A ) 第 ３２ 卷 第 ３ 期 阳 能 电 池 中, 可 以 使 光 在 电 池 吸 收 层 内 多 次 通 过, 保 证 入 射 光 的 充 分 吸 收, 提 高 光 吸 收 效 率, 同 时 进 一 步 减 小 电 池 的 物 理 厚 度, 如 图 １ 所 示 [３-６] . 陷 光 结 构 既 可 应 用 于 晶 体 硅 太 阳 能 电 池( 图 ２ ), 也 适 用 于 薄 膜 太 阳 能 电 池( 图 ３ ). 研 究 表 明, 陷 光 结 构 的 引 入 大 大 提 高 了 太 阳 能 电 池 的 短 路 电 流 和 光 电 转 换 效 率 [７-１１] . 图 ２ 硅 表 面 几 种 陷 光 结 构:( a ) 随 机 圆 锥 形,( b ) 微/ 纳 米 金 字 塔,( c ) 正 倒 金 字 塔,( d ) 多 孔 向 上 金 字 塔,( e ) 随 机 向 上 的 金 字 塔,( f ) 随 机 倒 金 字 塔,( g ) 蜂 窝,( h ) 槽 [１] Fig． ２ SeveraltypesoftexturedstructuresonSisurface : ( a ) randomconical ,( b ) micro / nanopyramids ,( c ) regular invertedpyramid ,( d ) porousupwardpyramids , ( e ) randomupwardpyramids ,( f ) randominverted pyramids ,( g ) honeycomb ,( h ) grooves [１] 图 ３ p-i-n 和 n-i-p 型 薄 膜 太 阳 能 电 池 典 型 的 构 型 [１] Fig． ３ Configurationoftypicalp-i-nandn-i-pthin filmsolarcell [１] ２ 各 类 太 阳 能 电 池 中 的 陷 光 结 构 ２． １ 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 中 的 陷 光 结 构 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 作 为 第 一 代 太 阳 能 电 池, 因 原 材 料 丰 富 和 较 高 的 光 电 转 换 效 率 而 得 到 广 泛 应 用. 但 由 于 制 作 过 程 需 要 消 耗 大 量 高 质 量 的 硅 片, 成 本 较 高, 同 时 达 到 ２９％ 理 论 极 限 效 率 的 提 升 空 间 还 较 大, 因 此, 通 过 制 备 陷 光 结 构 来 提 高 电 池 转 换 效 率 一 直 是 研 究 的 热 点. 目 前, 已 采 用 多 种 方 法 和 各 种 材 质 的 陷 光 结 构 来 实 现 陷 光 效 应, 例 如 各 种 传 统 微 尺 寸 的 表 面 制 绒 [１２-１３] 、 金 属 光 栅 结 构 [１４-１６] 、 表 面 等 离 子 体 共 振 效 应 [１７-１８] 、 制 备 多 层 耦 合 结 构 [１９-２０] 、 引 入 金 属 纳 米 线 [２１-２３] 或 电 介 质 纳 米 线 [２４-２５] 、 预 变 形 太 阳 能 电 池 板 [２６] 等. Hsu 等 [２７] 提 出 在 超 薄 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 中 使 用 前 后 光 栅 可 以 显 著 提 高 电 池 的 陷 光 效 应( 图 ４ ). 他 们 利 用 前 后 光 栅 周 期 的 最 小 公 倍 数 研 究 出 了 一 个 简 单 的 设 计 规 则, 可 以 找 到 几 个 最 佳 周 期 组 合, 这 为 间 接 带 隙 材 料 的 吸 收 层 提 供 了 更 大 的 设 计 灵 图 ４ 超 薄 晶 体 硅 太 阳 能 电 池( a ) 单 光 栅 和 ( b ) 双 光 栅 的 示 意 图 [２７] Fig． ４ Aschematicof ( a ) thesinglegratingcaseand ( b ) thedoublegratingcaseillustratingthedesign ofultrathinc-SiPVcells [２７] 图 ５ HF-HCl-H２O２ 混 合 液 蚀 刻 后 金 刚 石 线 锯( １００ ) 硅 片 表 面 的 SEM 照 片: 未 搅 拌 下( 顶 部) 和 １５０r / min 恒 转 速 下( 底 部) 的 顶 视 与 侧 视 图 [２８] Fig． ５ SEMimagesintopview ( left ) andsideview ( right ) ofdiamondwire-sawn ( １００ ) siliconwafersurfacesafter etchinginHF-HCl-H２O２ mixtures : withoutstirring ( top ) andconstantlystirredat １５０r / min ( bottom ) [２８] · ７ ９ ６ · 陷 光 结 构 应 用 于 太 阳 能 电 池 的 研 究 进 展/ 何 苗 等 活 性. 例 如, 在 １０ μ m 厚 的 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 中 通 过 这 个 设 计 规 则 优 化 前 后 光 栅 周 期 后, 数 值 模 拟 预 测 其 光 生 电 流( J ph ) 值 可 达 ３８ mA / cm ２ , 高 于 同 种 单 光 栅 电 池( J ph＝３４ mA / cm ２ ) １１． ７４％ . 这 种 设 计 规 则 可 以 应 用 到 任 何 间 接 带 隙 材 料 中, 如 常 用 于 近 红 外 光 探 测 器 的 锗, 另 外 这 种 双 光 栅 设 计 的 陷 光 结 构 还 可 以 显 著 改 善 器 件 的 性 能. 对 于 晶 体 硅 太 阳 能 电 池, 一 般 是 通 过 化 学 腐 蚀 的 方 法 制 备 微 米 级 绒 面 陷 光 结 构, 以 增 加 入 射 光 在 电 池 表 面 的 反 射 和 折 射 次 数, 从 而 增 加 光 吸 收 [２２-２３,２８] . 对 于 单 晶 硅 太 阳 能 电 池, 可 以 利 用 硅 在 酸 碱 溶 液 中 的 各 向 异 性 腐 蚀 特 性, 在 硅 表 面 形 成 四 面 方 锥 体( 金 字 塔 绒 面 陷 光 结 构) 来 增 强 电 池 的 陷 光 效 应. Stapf 等 [２８] 用 HF-HCl-H２O２ 混 合 液( ０．８３％HF 、 ９６． ６７％HCl 和 ２． ５０％H２O２ , 均 为 体 积 分 数) 作 为 新 型 酸 性 液 蚀 刻 单 晶 硅 晶 片( １００ ) 晶 面, 非 搅 拌 液 中 产 生 随 机 金 字 塔 表 面, 而 搅 拌 液 中 产 生 新 型 随 机 倒 金 字 塔 表 面, 如 图 ５ 所 示. 模 拟 试 验 指 出 随 机 倒 金 字 塔 硅 表 面 具 有 较 好 的 陷 光 效 果, 并 且 陷 光 效 应 与 金 字 塔 边 缘 宽 度 无 关. 近 年 来, 纳 米 结 构 因 具 有 优 异 的 陷 光 效 应 而 备 受 关 注. 研 究 者 对 纳 米 线、 纳 米 棒、 纳 米 锥、 纳 米 金 字 塔、 纳 米 柱、 纳 米 凹 糟、 纳 米 颗 粒 阵 列 进 行 了 广 泛 研 究, 利 用 电 子 束、 激 光 干 涉、 纳 米 压 痕、 纳 米 球、 嵌 段 共 聚 物 等 多 种 平 板 印 刷 术 可 以 制 得 这 些 纳 米 结 构 [２９-３４] . Amalathas 等 [２９] 在 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 的 表 面 通 过 紫 外 压 印 光 刻 技 术 产 生 周 期 性 倒 纳 米 金 字 塔 陷 光 结 构( 图 ６ ), 引 入 这 种 结 构 后 电 池 的 光 电 转 换 效 率 提 高 了 １１． ７３％ , 且 有 自 洁 净 功 能. 纳 米 压 印 光 刻 技 术 是 一 种 极 具 潜 力 的 低 成 本、 大 面 积 纳 米 图 案 化 的 方 法, 其 生 产 能 力、 分 辨 率、 保 真 度 高. Eisenlohr 等 [３５] 通 过 纳 米 压 印 光 刻 技 术 和 等 离 子 体 蚀 刻 产 生 二 进 制 后 侧 光 栅, 将 其 用 于 p 型 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 中, 可 增 强 近 红 外 光 区 的 陷 光 效 应( 图 ７ ). 他 们 测 试 了 周 期 为 １ μ m 的 二 进 制 光 栅 硅 电 池 的 外 量 子 效 率( EQE ) 和 I-V 曲 线. 结 果 表 明, 光 栅 可 以 增 加 近 红 外 光 区 的 光 程, 使 短 路 电 流 密 度 分 别 增 加 了 图 ６ 倒 纳 米 金 字 塔 Si 主 模、 向 上 的 纳 米 金 字 塔 复 型、 周 期 性 倒 纳 米 金 字 塔 植 入 太 阳 能 电 池 表 面: ( A ) SEM 顶 视 图 和( B ) AFM 三 维 视 图 [２９] Fig． ６ ( A ) TopviewofSEMimageand ( B ) ３DviewofAFMimageoftheinvertednanopyramidSimastermold , theupright nanopyramidreplicastampandtheperiodicinvertednanopyramidimprintedontothesurfaceofthesolarcells , respectively [２９] 图 ７ ( a ) 太 阳 能 电 池 结 构 示 意 图: 正 面 具 有 钝 化 发 射 极 的 p 型 硅 太 阳 能 电 池, 背 面 具 有 二 进 制 光 栅 以 增 强 近 红 外 光 区 的 光 捕 获, 对 于 局 部 接 触 的 铝 箔, 正 面 是 平 面 或 金 字 塔 陷 光 结 构;( b ) 无 金 属 化 背 面 光 栅 的 横 截 面 SEM 照 片;( c ) 交 叉 光 栅 的 顶 部 SEM 照 片 [３５] Fig． ７ ( a ) Schematicstructureoftherealizedsolarcellconcept : ap-typeSisolarcellwithpassivatedemitteratthefront , featuringabinarycrossedgratingattherearsideforenhancedlighttrappingofnearinfraredlight , forlocalcontactsan aluminiumfoilwasapplied , thefrontsidewaseitherplanar ( likedepictedhere ) orpyramidallytextured ;( b ) SEM- micrographofthecrosssectionofthegratingattherearsidewithoutmetallization ;( c ) SEM-micrographofthe topviewshowingthecrossedgrating [３５] · ８ ９ ６ · 材 料 导 报 A : 综 述 篇 ２０１８ 年 ３ 月( A ) 第 ３２ 卷 第 ３ 期 １． ２mA / cm ２ ( 厚 度 为 ２５０ μ m )、 １． ６mA / cm ２ ( １５０ μ m ) 和 １． ８ mA / cm ２ ( １００ μ m ), 但 具 有 这 种 陷 光 结 构 前 电 极 的 电 池, 只 增 加 约 ０． ３mA / cm ２ 的 短 路 电 流 密 度, 其 在 近 红 外 光 区 小 的 效 应 不 会 增 加 整 个 I-V 曲 线 的 电 流 密 度. 纳 米 陷 光 结 构 的 种 类、 形 貌、 尺 寸 等 对 太 阳 能 电 池 性 能 产 生 重 要 的 影 响 [３０-３４] . Fang 等 [３０] 将 Al２O３ 涂 层 的 硅 纳 米 线 阵 列 陷 光 结 构 应 用 于 超 薄 叉 指 形 背 接 触( IBC ) 硅 太 阳 能 电 池 中, 并 对 其 陷 光 特 性 进 行 研 究. 他 们 发 现 Al２O３ 涂 层 的 硅 纳 米 线 阵 列 能 显 著 降 低 可 见 光 区 的 反 射, 增 强 陷 光 效 应( 图 ８ ). 图 ８ 叉 指 形 背 接 触 太 阳 能 电 池 的 结 构 示 意 图: ( a ) 传 统 的 金 字 塔;( b ) 纳 米 线 阵 列 [３０] Fig． ８ TheschematicdiagramsofstructuresforIBCsolar cells :( a ) conventionalpyramids ;( b ) nanowirearrays [３０] Feng 等 [３１] 将 ZnO 纳 米 棒 阵 列 涂 层 的 硅 纳 米 结 构 应 用 于 太 阳 能 电 池 中, 并 对 电 池 的 光 学 和 光 电 特 性 进 行 测 量 分 析. 他 们 发 现 通 过 控 制 ZnO 纳 米 棒 的 形 貌、 结 构 及 尺 寸 能 有 效 改 善 硅 纳 米 陷 光 太 阳 能 电 池 的 性 能( 图 ９ ). 在 太 阳 能 电 池 中, 与 普 通 硅 纳 米 结 构 相 比, 这 种 新 型 分 层 的 硅 纳 米 结 构 能 更 大 限 度 地 提 高 光 吸 收 率、 电 极 的 接 触 面 积 以 及 载 流 子 迁 移 率, 从 而 改 善 电 池 性 能. 目 前 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 广 泛 采 用 的 减 反 射 陷 光 结 构 包 括 倒 金 字 塔、 V 形 槽、 正 向 随 机 金 字 塔 等 绒 面 和 多 层 耦 合 结 构. Hsueh 等 [３２] 通 过 水 热 法 生 长 ZnO 纳 米 线 阵 列 陷 光 晶 体 硅 太 阳 能 电 池( 图 １０ ). 反 射 光 谱 和 I-V 特 性 曲 线 表 明 ZnO 纳 米 线 阵 列 陷 光 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 在 所 有 测 试 的 基 片 中 反 射 率 最 低, 尤 其 是 在 紫 外 和 绿 光 光 区 内( ３５０~５９０ nm ). 相 比 于 镀 SiNx 和 ZnO 减 反 射 膜 的 晶 体 硅 太 阳 能 电 池, 这 种 ZnO 纳 米 线 阵 列 陷 光 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 换 效 率 分 别 提 高 了 约 ７％ 和 ６． ３％ . 电 池 片 封 装 后, ZnO 纳 米 线 阵 列 陷 光 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 转 换 效 率 下 降 量 最 少, 并 且 纳 米 线 直 径 影 响 着 电 池 的 陷 光 效 果. Liu 等 [２４] 通 过 喷 涂 含 硝 酸 银 和 柠 檬 酸 钠 的 溶 液 使 银 纳 米 颗 粒 作 为 蚀 刻 催 化 剂 嵌 入 单 晶 硅 太 阳 能 电 池 金 字 塔 陷 光 层 中, 经 化 学 蚀 刻, 形 成 含 银 纳 米 颗 粒 的 特 殊 混 合 纳 米 陷 光 结 构( 图 １１ ). 他 们 对 有 无 银 辅 助 蚀 刻 的 纳 米 陷 光 结 构 进 行 了 比 较, 结 果 发 现 混 合 纳 米 陷 光 结 构 能 有 效 地 减 少 光 反 射 并 增 加 入 射 光 的 吸 收. 这 种 含 银 纳 米 颗 粒 的 特 殊 混 合 纳 米 图 ９ 硅 纳 米 结 构 阵 列 的 SEM 图 像:( a , b ) ZnO 纳 米 棒 生 长 前 的 前 视 图;( c ) ZnO 纳 米 棒 生 长 前 的 截 面 图; ( d , e ) ZnO 纳 米 棒 生 长 后 的 前 视 图; ( f ) ZnO 纳 米 棒 生 长 后 的 截 面 图 [３１] Fig． ９ SEMimagesoftheSiNParrays :( a , b ) top-viewbefore ZnONRsgrowth ;( c ) crosssectionalviewbeforeZnO NRsgrowth ;( d , e ) top-viewafterZnONRsgrowth ; ( f ) crosssectionalviewafterZnONRsgrowth [３１] 图 １０ ( a ) 无 和( b ) 有 ZnO 纳 米 线 阵 列 的 ZnO 织 构 晶 体 硅 太 阳 能 电 池 的 截 面 FESEM 照 片 [３２] Fig． １０ Cross-sectionalFESEMimagesofZnO / texturedc-Si substrate ( a ) withoutand ( b ) withZnONWs [３２] 陷 光 结 构 主 要 通 过 局 部 表 面 等 离 子 体 共 振 作 用 于 紫 外 光 区, 从 而 提 高 外 量 子 效 率. ２． ２ 薄 膜 太 阳 能 电 池 中 的 陷 光 结 构 薄 膜 太 阳 能 电 池 属 于 第 二 代 太 阳 能 电 池, 主 要 分 为 硅 基 薄 膜 电 池 和 化 合 物 半 导 体 薄 膜 电 池. 薄 膜 电 池 因 具 有 厚 度 薄、 节 省 材 料、 可 柔 性 化、 可 连 续 化 大 面 积 生 产 等 诸 多 优 点 而 日 益 受 到 重 视, 但 转 换 效 率 偏 低、 规 模 效 益 还 未 凸 显, 其 发 展 受 到 制 约. 研 究 人 员 发 现 可 以 通 过 设 计 陷 光 结 构 来 改 善 光 吸 收, 提 高 光 电 转 换 效 率, 这 已 成 为 研 究 高 效 薄 膜 太 · ９ ９ ６ · 陷 光 结 构 应 用 于 太 阳 能 电 池 的 研 究 进 展/ 何 苗 等 图 １１ ( a ) 胶 体 悬 浮 液 中 不 同 尺 寸 银 纳 米 颗 粒 的 紫 外 - 可 见 光 吸 收 光 谱; ( b ) 银 纳 米 颗 粒 的 XPS 谱; ( c ) 硅 衬 底 上 银 纳 米 颗 粒 的 SEM 照 片;( d ) 蚀 刻 后 太 阳 能 电 池 横 截 面 的 SEM 照 片 [２４] Fig． １１ ( a ) UV-VisabsorptionspectraofAgNPsincolloid suspensionwithdifferentsizes ;( b ) XPSoftheAgNPs ; ( c ) SEMimageoftheAgNPsonSisubstrate ;( d ) cross- sectionalSEMimageofthesolarcellafteretching [２４] 阳 能 电 池 的 一 个 主 要 方 向. 目 前, 研 究 者 们 主 要 通 过 增 加 减 反 射 膜 [３６-３８] 、 表 面 引 入 织 构 [３９-４０] 、 背 部 添 加 背 反 射 结 构 [４１-４３] 、 表 面 等 离 激 元 [４４-４５] 、 光 子 晶 体 [４６-４７] 等 方 式 将 陷 光 结 构 应 用 于 各 种 薄 膜 太 阳 能 电 池 中, 取 得 了 很 好 的 陷 光 效 果. Feltrin 等 [４８] 指 出 影 响 高 效 叠 层 薄 膜 硅 太 阳 能 电 池 陷 光 效 应 的 两 个 因 素: 织 构 透 明 导 电 氧 化 物 前 接 触 电 极; 顶 电 池 与 底 电 池 之 间 低 折 射 率 的 中 间 层. 他 们 设 计 出 了 优 异 的 陷 光 结 构, 在 太 阳 能 电 池 中 实 现 不 同 层 连 接( 图 １２ ); 规 则 图 案 化 纳 米 压 印 优 化 了 基 底 形 态, 增 强 了 电 池 性 能( 图 １３ ); 超 图 １２ 传 统 电 池 和 优 化 的 陷 光 结 构 电 池 的 概 念 性 结 构 比 较 [４８] Fig． １２ Acomparisonoftheconceptualstructuresfora conventionalcellandanASLTcell [４８] 图 １３ ( a ) 规 则 倒 金 字 塔 的 SEM 图; ( b ) 纳 米 压 印 玻 璃 基 板 [４８] Fig． １３ ( a ) SEMimageofamasterfeaturingaregulararray ofinvertedpyramids ;( b ) lacquercoatedglasssubstrate afternano-imprinting [４８] 低 折 射 率 的 中 间 反 射 层 和 表 面 等 离 激 元 能 增 强 陷 光 效 应, 当 折 射 率 在 １． ５ 以 下 仍 能 增 加 顶 层 电 池 的 电 流. Tamang 等 [４９] 对 多 尺 度 陷 光 结 构 非 晶 硅 基 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 光 传 输 特 性 和 光 学 损 失 进 行 实 验 及 模 拟 研 究( 图 １４ 、 图 １５ ), 并 揭 示 多 尺 度 陷 光 电 池 的 背 反 射 界 面 形 态 对 短 路 电 流 和 量 子 效 率 的 影 响. 他 们 发 现 多 尺 度 陷 光 电 池 的 短 路 电 流 和 光 电 转 换 效 率 相 比 纳 米 陷 光 电 池 都 有 所 增 加; 通 过 减 少 金 属 背 反 射 层 的 粗 糙 度 或 分 离 金 属 背 反 射 层 可 以 使 电 池 短 路 电 流 增 至 １８mA / cm ２ 以 上; 量 子 效 率 和 短 路 电 流 的 增 加 是 通 过 微 纳 米 结 构 共 同 实 现 的, 纳 米 结 构 衍 射 入 射 光 而 微 米 结 构 折 射 入 射 光, 这 两 种 陷 光 效 应 相 叠 加, 从 而 改 善 了 电 池 性 能. 图 １４ 不 同 处 理 气 压 下,(( a ) ０Pa ,( c ) １３Pa ) 沉 积 ZnO 薄 膜 前 钠 钙 玻 璃 及(( b ) ０Pa ,( d ) １３Pa ) ZnO 薄 膜 功 能 化 玻 璃 衬 底 的 SEM 照 片 [４９] Fig． １４ SEMimagesof (( a ) ０Pa ,( c ) １３Pa ) soda-lime glassespriortoZnOfilmand (( b ) ０Pa ,( d ) １３Pa ) ZnOfilmsasafunctionofglasssubstrate [４９] 图 １５ 周 期 性( a ) 金 字 塔 和( c ) 六 方 陷 光 结 构 ZnO 薄 膜 的 表 面 形 貌; ( b ) 纳 米 级 和( d ) 多 尺 度 陷 光 结 构 的 太 阳 能 电 池 的 横 截 面 示 意 图 [４９] Fig． １５ Surfacemorphologiesofperiodic ( a ) pyramidaland ( c ) hexagonaltexturedZnOfilms ; cross-sectionsof ( b ) nanoscaleand ( d ) multiscaletexturedsolarcells [４９] · ０ ０ ７ · 材 料 导 报 A : 综 述 篇 ２０１８ 年 ３ 月( A ) 第 ３２ 卷 第 ３ 期 陷 光 结 构 用 于 硅 基 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 方 式 很 多 [４９-５７] . Wang 等 [５０] 采 用 普 通 廉 价 的 SiO２ 设 计 出 新 型 陷 光 结 构( 表 面 呈 棱 镜 形 状 紧 凑 排 列), 并 利 用 麦 克 斯 韦、 漂 移 - 扩 散 和 泊 松 方 程 的 自 洽 模 拟 方 法 模 拟 太 阳 能 电 池 的 光 电 性 能( 图 １６ ). 他 们 发 现 a-Si∶H 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 转 换 效 率 从 ８． １％ 提 高 到 １０． ７４％ , 高 于 前 人 研 究 的 最 高 值( １０． ２％ ). 此 外, 这 种 基 于 SiO２ 的 新 型 陷 光 结 构 有 可 能 纳 入 其 他 陷 光 结 构 设 计 中( 如 等 离 子 体 反 射), 以 进 一 步 提 高 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 效 率. 他 们 提 出 的 方 法 也 适 用 于 其 他 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 设 计, 如 金 属 卤 化 物 钙 钛 矿、 碲 化 镉、 铜 铟 镓 硒 等 薄 膜 太 阳 能 电 池. 图 １６ 太 阳 能 电 池 模 拟 器 和 几 何 投 影 法 示 意 图:( a ) 太 阳 能 电 池 模 拟 流 程; ( b ) GPM 用 于 优 化 陷 光 结 构 的 截 面 示 意 图 [５０] Fig． １６ Schematicofthesolarcellsimulatorandgeometryprojectionmethod ( GPM ): ( a ) theflowchartofthesolarcellsimulator ;( b ) theschematicdepictionofGPM usedforoptimizingthecrosssectionofthelighttrappingstructure [５０] 因 为 一 维 陷 光 结 构 产 生 的 导 波 模 式 共 振 数 目 很 小, 所 以 它 的 最 高 极 限 仍 然 远 小 于 传 统 极 限 ４n ２ , 而 二 维 或 三 维 陷 光 结 构 可 以 产 生 更 多 的 共 振 数 目. 为 了 使 太 阳 能 电 池 吸 收 增 强 因 子 达 到 更 高, 研 究 者 们 更 希 望 选 择 二 维 或 三 维 陷 光 结 构 来 增 强 电 池 对 光 的 吸 收 [５８-６４] . Lockau 等 [５８] 对 微 晶 硅 薄 膜 太 阳 能 电 池 吸 收 层 进 行 了 理 论 分 析. 他 们 把 二 维 周 期 阵 列 孔 作 为 陷 光 结 构, 并 且 二 维 周 期 阵 列 孔 不 是 作 为 表 层 的 散 射 光 栅, 而 是 伸 入 整 个 硅 吸 收 层; 也 不 是 常 规 的 竖 孔 侧 壁, 而 是 具 有 一 定 张 角 的 圆 锥 形 孔( 图 １７ ). 他 们 研 究 了 陷 光 阵 列 周 期 为 ２ μ m 的 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 陷 光 效 应 和 光 损 失, 结 果 表 明, 尺 寸 大 于 光 波 长 的 方 形 周 期 微 孔 阵 列 可 以 增 强 陷 光 效 果, 但 它 不 能 代 替 前 表 面 陷 光 结 构 的 反 射 和 散 射 作 用. 图 １７ ( a ) 电 子 束 蒸 发、 固 相 晶 化 和 选 择 性 蚀 刻( i ) U 形 与( ii ) 平 面 衬 底 上 产 生 的 硅 结 构, 侧 向 几 何 周 期( i ) ２ μ m 和 ( ii ) ２． ３５ μ m ,( i ) 中 的 圆 锥 尖( 插 图) 可 以 被 消 除 而 产 生 微 孔 阵 列(( ii ) 插 图);( b ) 太