非晶硅薄膜太阳电池陷光结构的模拟与设计-Yu Kun Jia-郑州大学.pdf-solarbe文库

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原创性声明 IUll I II Illll I Illlll III Y2 547474 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。灾叶日期擀∥月阳日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。勃砷日期矽／妒年厂月矽日摘要摘要与第一代晶体硅太阳电池相比，非晶硅薄膜太阳电池具有节省原材料、制备工艺简单，成本低廉等优势。但是，由于薄膜材料的缺陷态密度较高，厚的非晶硅层虽然能够较好的吸收入射光，但是加剧了复合，载流子的收集效率下降，因此，一般要求电池光吸收层的厚度小于其少数载流子的有效扩散长度；而过薄的非晶硅层显然不能充分吸收入射光，尤其是对带隙附近的光的吸收率很低，同样限制了电池的短路电流和光电转换效率。为了解决上述矛盾，必须为电池设计有效的陷光结构，在电池光吸收层的“物理厚度”不变的情况下，大大增加其“光学厚度”，这种“电薄光厚”的电池可以在保证载流子收集效率的同时，有效改善电池的光吸收。一本学位论文首先介绍了常用的非晶硅薄膜陷光技术，并重点综述了金属纳米结构表面产生的表面等离激元Surface Plasmon，简称SP在太阳电池陷光中的应用。在此基础上，分别将一维或二维周期性分布金属纳米结构即金属纳米光栅引入非晶硅薄膜电池的前表面或后表面，并结合传统的陷光技术，如减反膜、表面织构等，为非晶硅薄膜电池设计出了多种陷光结构。论文采用基于有限元法的 COMSOL数值模拟软件，模拟了不同陷光结构太阳电池的光吸收。通过分析电池在不同波段的光子吸收率、吸收光谱、光吸收层中的电磁场分布以及金属纳米颗粒散射截面等，对上述几种陷光结构进行了优化，阐述了其陷光机理。本文取得的主要研究成果如下 1在非晶硅薄膜太阳电池前表面设计一维Ag纳米光栅在TM波垂直入射的情况下，前表面有一维Ag纳米光栅的电池在短波段的光子吸收率较参考电池有一定下降，但在中长波段的光子吸收率则有较大幅度地提高；当光栅横截面半径R50 nIn，周期P350 nnl时，电池总的光吸收较参考电池提高了29．5％。然而，在TE波入射下，由于Ag光栅表面不能产生表面等离激元，且Ag光栅本身对入射光的有一定的吸收和反射，电池的光吸收明显下降。在TEM混合波入射下，前表面有一维Ag纳米光栅的电池在整个入射光谱范围300-800 nm内吸收的总光子数最高仅为参考电池的92％。也就是说，在前表面引入一维Ag纳米光栅后，非晶硅薄膜太阳电池的光吸收反而降低。基于上述模拟结果，我们认为在太阳电池陷光设计中，不宜将一维金属纳米光栅置于电池前表面。 2复合陷光结构的设计与优化在A名背电极与硅薄膜之间制备一维金属纳米光栅，并通过保形生长在电池前表面沉积织构的减反膜，该复合陷光结构可获得较好的陷光效果。当背表面一维金属纳米光栅的横截面为三角形时，填充因子摘要 FF0．5的光栅的陷光效果优于FFI的光栅，与触光栅相比，Ag光栅的效果更佳。当光栅横截面顶角为0800，面积S18750 nm2时，电池在AMl．5太阳光谱垂直入射下总的光吸收较参考电池提高率Eab。达96％；当背表面一维Ag纳米光栅的横截面为矩形时，矩形高度H90 nnl，宽度W180 nnl，光栅的周期P600 nnl 时，Eab。达到最大值103％。上述两种复合陷光结构均可在宽光谱范围内提高非晶硅薄膜电池的光吸收，其中，中短波段光吸收的改善主要归因于前表面减反膜和表面织构的贡献，而长波段光子吸收率的提高则是Ag纳米光栅表面等离激元和波导模共同作用的结果。另外，上述复合陷光结构还较大地改善了非晶硅薄膜电池对太阳光入射角度的敏感性。 3周期性分布的Ag纳米颗粒对非晶硅薄膜电池光吸收的影响将Ag纳米颗粒置于电池前表面时，在平面波垂直入射下，电池在中长波段的光子吸收率较参考电池有明显提高；其中，大颗粒在大的分布周期下陷光效果较好，当Ag纳米颗粒半径R取110 nnl，周期P取500 nlil时，Eab。达到最大值49％。将Ag纳米颗粒分别置于电池前后表面同一位置时，电池的E曲。可提升至55％。但是，该陷光结构电池对入射光的角度变化较敏感，要取得良好的陷光效果，应保持入射角度在300以内。关键词表面等离激元，陷光，数值模拟，非晶硅太阳电池 Ⅱ Abstract Abstract Compared with the crystalline silicon solar ceilsthe first generation solar cells， amorphous siliconaSithin fill solar ceUs have some clear advantages，such as less raw materials and power consumption in the fabrication process，which lead to low cost．However,due to the hi【gh defect densities in thin film materials，the absorbing layer in a-Si solar cell is only hundreds of nanometers thick in order to impove the carrier collection．However,the use of thin adsorbing layers reduces the short-circuit current and energy conversion efficiency due to the poor light-absorption，especially near the band gap．In order to resolve these contradictions，we should design some effectiv岳light-trapping structures for a-Si solar cells to increase its”optical thickness” and remain”physical thickness”unchanged． In this dissertation，we reviewed the light-trapping technologies in a-Si solar cells，and summarized the applications of surface plasmonsPin light-trapping technologies of solar cells．On this basis，the one-dimensional or two-dimensional periodic metal nano-structuremetal nano-gratingwere introduced to the front or back surface of a-Si thin-fill solar ceHs respectively．Combined with the traditional light-trapping techniques，such as antireflection coatings，surface texture，etc，we designed several lighttrapping structures for a-Si solar cells．The optical absorption of solar cells谢m different light-trapping structures were simulated by using COMSOL software based on the fmite element method，then the light-trapping structures were optimized and the light-trapping mechanism were elaborated through analysis of the absorption spectrum and the electromagnetic field distribution in the absorbing layer．The main results obtained are as follows Onedimensional Ag nano-gratings on the front surface of a-Si solar cellsIn the case of TM wave vertical incidence，the photon absorption rate of a-Si solar cells with Ag nanograting on the front has a decline in the short wavelength range，but has a large increase in the long wavelength range compared with the reference cell．The total optical absorption is enhanced 29．5％when Ag llano-grating is optimized， radius R50 nnl and period P350 ntn．However,in the TE wave incidence，for the Ag nano--grating surface Can not excited surface plasmon and the Ag llano·-grating have a certain absorption and reflection of the incident light，the total absorption of the photon numbers is only 92％of the reference cell when the hybrid wave incidence under AMl．5 illumination in the wavelength range of 300N800 nrfl．In other words， the optical absorption of amorphous silicon thin film solar cells have a reduce when we put Ag nano-grating on the front surface of the cell compared with the reference cell．So，such a structure is unsuitable for light-trapping． The design and optimization of the combined light-trapping structurePrepared a one-dimensional metal llano．grating between the Ag back electrode and a‘Si film，and deposited antireflective coatings on the front surface of the solar cell through conformal growth．This combined light-trapping structure Can get a good performance for light trapping．when the cross section of the onedimensional metal nano grating is a triangle，the light-trapping effect of the grating which丘U factor FF0．5 is better compared with the grating which fill factor FF1，compared with the A1 grating，Ag grating have a better performance-for lighttrapping．When the grating cross。section Apex angle 0800，area S1 8750 nm2，也e E出s which is the integrated absorption rate improvement compared with the reference cell Can reached 96％under AMl．5 i11umination at normal incidence．When the cross section of the one·dimensional metal nano．grating is a rectangular,the E曲s reached its maximum value at 1 03％ when the rectangular’S height H90 nm,width W180nm and the grating period P600 Din．The combined light-trapping structure Can improve the optical absorption in a wide spectral range．While，in the short-wavelength the antireflection film and the surface texture have an important contribution to the optical absorption，and in the long-wavelength the waveguide mode and the surface Plasmon which excited form t11e Ag nanograting play a key role．In addition，the solar cell with the combined structure is much less sensitive to the angle of incident light． The influence of the amorphous silicon thin film solar ceils light absorption by periodic distribution of Ag nano-particlesWhen we put me Ag nanoparticals on the front surface of the cell，and under the plane wave vertical incidence，the cells’photon absorption rate in the long wavelength have significantly improved compared with the reference cell．While，the bigger Ag nanoparticles’light trapping effect is beaer under the bigger distribution perioWhen the Ag nanoparticles’radius RI 1 0 nln，grating period P500 nln，the Eabs reached its maximum value at 49％，and the Eabs Can be enhanced to 55％when the Ag nanoparticles were placed in the same position above and under the solar cell．But this light-trapping structure was sensitive to the angle of incident light，if we want to obtain a good performance for light-trapping，we must ke印the angle of incident light within 30 degrees． Ⅱ Abstract Key WordsSurface plasmon，Light trapping，Numerical simulation，Amorphous silicon solar cell HI 目录目录摘要．I Abstract．I 目录．I 1绪论．．1 1．1研究背景及意义1 1．2非晶硅薄膜太阳电池简介3 1．3非晶硅薄膜太阳电池陷光技术5 1．4本文的研究内容及组织结构8 2理论基础二9 2．1表面等离激元简介．．9 2．1．1表面等离极化激元．9 2．1．2局域表面等离激元11 2．2表面等离激元在太阳电池中的应用12 2．3模拟软件及其理论基础．15 3前表面一维银纳米光栅对非晶硅薄膜电池光吸收的影响16 3．1数值模型与参数16 3．2 TM波入射下的电池光吸收l 8 3．2．1光栅结构优化18 3．2．2陷光机理分析18 3．3 TE波入射电池的光吸收23 3．4本章小结25 4非晶硅薄膜电池复合陷光结构的设计及优化．26 4．1数值模型和参数。26 4．2横截面为三角形一维金属纳米光栅复合陷光结构的模拟设计28 4．2．1陷光结构优化28 4．2．2陷光机理分析28 4．2．3填充因子和光栅材料对电池光吸收的影响31 4．2．4入射角度对电池光吸收的影响33 4．3横截面为矩形的一维Ag纳米光栅复合陷光结构的模拟设计35 4．3．1陷光结构的优化35 4．3．2陷光机理的分析35 目录 4．3．3入射角度对电池光吸收的影响38 4．4本章小结39 5 Ag纳米颗粒对非晶硅薄膜电池光吸收的影响40 5．1前表面Ag纳米颗粒对非晶硅薄膜电池光吸收影响40 5．1．1数值模型和参数40 5．1．2陷光结构的优化4l 5．1．3陷光机理分析42 5．1．4结构参数对电池光吸收的影响46 5．1．5入射角度对电池光吸收的影响47 5．2上下表面均分布Ag球颗粒对模型电池光吸收的影响48 5．3本章小结51 6结论．52 参考文献．54 个人简历与硕士期间发表论文58 致谢59 Ⅱ 1绪论 1 绪论 1．1研究背景及意义能源是人类社会发展的动力，历史上每一次的的能源技术的革新都会带来社会生产力的解放，人类社会的发展都会伴随着它而呈现一次质的飞越。随着社会经济的发展，人类对能源的需求也越来越大，从表1．1【l】中可以看到世界能源需求总量快速增加，尤其是从2002年至2030年，会以平均每年增加2％的速度递增。面对如此巨大的能源需求，仅仅靠不断加大对煤、石油、天然气等化石燃料开采力度来弥补能源缺口，从社会发展的长远角度来说显然是不可持续的。表1．1世界能源需求总量／Mtoe 一方面，煤、石油、天然气等化石能源是地球经过上亿年的不断演化形成的典型的不可再生的地下资源，地球上的储量相当有限。据有关国际组织预测，世界上最主要的化石能源石油按照现在的开采速度，易于开采的储量将在一代人之内枯竭。剩余的少部分储量将囿于开发技术难度的增加，开发成本的提高而失去开采价值。而煤和天然气等资源也会因社会经济的快速发展在不到一百年的时间消耗殆尽。表1．2给出了我国能源剩余资源探明储量和可开发年限。从表中可以看到，作为一个化石能源储量相对并不算贫瘠的国家，在未来的几十年间主要的三大化石能源也将开采殆尽。另一方面，由化石燃料燃烧释放出的大量的C02、S02、NO。等气体和烟尘日益成为大气污染的主要来源。温室效应进一步加剧，恶化，臭氧层破洞面积逐年扩大，全球气候变暖引发的灾害愈发严重。人类生存环境每况愈下，污染问题越来越受到世界上各个国家的重视。“保护环境与可持续发展”正逐步被各国政府定为国家发展的基本政策。因此，发展新一代清洁可持续能源成为世界各国人 1绪论民和政府极为关注的课题。表1．2我国能源剩余资源探明储量和可开发年限图1．1【2】给出了2100年之前的能源发展趋势，从图中可以看到新兴的可再生能源相对于传统的化石能源在能源比例配置上明显占据了主导地位。在现有可再生能源的现状和潜力的比较中，我们可以明显看出虽然太阳能的当前用量是最少的，但是其技术潜力是最大的，见表1．3【2】o 移 i 鹣 _ 酬慧 l |I■盍翔热蠹卜￡E 錾黼意l；嘏生穗曩麓伟壤闽竺警{鬻 I| “ 天熬气图1．1 2100年之前初级能源应用分布图。表1．3现有可再生能源的现状和潜力比较单位1018J／a 太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁能源越来越受到人们的关注。当今太阳能的利用中包括光热和发电，而太阳能发电包括光热发电和光伏发电两块。由于光热发电需要接受较高的直接太阳辐射，所以受到严重的地域限制。太阳电池板光伏发电由于技术成熟，不受地域限制，可并网亦可单一分布，无噪声无污染， 2二 1绪论设备简单便于维护等优点在国际社会中得到了迅猛的发展。从表1．4[31中我们可以看到未来20年间全球累计安装的光伏总量将呈现指数式的增长。表1．4至2030年全球累计安装光伏融了的预测单位Gw 1．2非晶硅薄膜太阳电池简介自从1954年贝尔实验室发明pn结单晶硅太阳电池以来，光伏市场就一直被晶体硅太阳电池占据主导地位。晶体硅太阳电池具有光电转化效率高，技术成熟，生产设备便宜等优势，但是居高不下的价格和原材料的紧缺却日益成为其发展的瓶颈。为了大幅降低成本人们将目光转向了以硅基薄膜电池为主的第二代太阳电池。硅薄膜太阳电池主要包括非晶硅薄膜太阳电池和微晶硅薄膜太阳电池。硅薄膜电池相对于传统的晶硅电池具有明显优势首先所需原材料较少，对原材料的依赖关系较弱；其次生产成本较低，尤其是大规模生产时采用大面积沉积技术可极大降低生产成本；再次硅薄膜电池对衬底的要求不高，可以沉积到如塑料、不锈钢片、铝箔等柔性衬底上面。但硅薄膜电池却有一个致命的弱点，那就是其较低的光电转换效率。经过近几十年的研究发现，当前实验室单节小面积非晶硅和微晶硅薄膜电池的稳定转换效率均已超过10％，非晶硅，微晶硅叠层电池稳定效率己达到12．3％t41。然而上述硅薄膜电池的光电转换效率还远低于晶硅电池。因此如何提高薄膜太阳电池的效率成为当今社会研究的热点问题。非晶硅薄膜太阳电池从发明到实现真正的产业化生产经历了30多年的历史岭J。上个世纪60年代，英国标准通讯实验室率先用辉光放电法制备了氢化非晶硅薄膜。1980年对于非晶硅电池的产业化生产具有里程碑式的意义，Carlson等将非晶硅电池效率提升到8％，并由此拉开了非晶硅电池产业化的大幕。80年代其生产一度达到高潮占据了当时全球太阳电池的20％。但是相对于晶体硅电池，徘徊不前的较低的吸收效率严重的制约了其产业化的生产。如今其产量只占据全球太阳电池总量的10％左右。非晶硅电池一般为pin或者nip结构，其相对于晶硅电池具有如下优点首 3 1绪论先，非晶硅薄膜材料在可见光波段有较大的吸收系数，如图1．2【6】所示。这让其在光照强度较低的情况下仍具有良好的表现，甚至在散射光照射时仍具有一定的光电转换能力；其次，非晶硅薄膜具有一定的透光性，这一优点让其可以大面积的应用到城市和家庭的特定建筑上，既可以采光又可以发电，实现光伏建筑一体化；另外，大面积沉积技术降低了生产成本，柔性衬底沉积技术在可利用空间较小的地区发挥了重要作用。图1．2非晶硅、微晶硅和单晶硅薄膜的光吸收系数示意图尽管非晶硅薄膜是一种很好的电池材料，但是它有两个明显的劣势。首先， 1977年Staebler等人发现的非晶硅薄膜的Staebler-Wronski效应【．7】氢化非晶硅薄膜经过光照后，其光电导率和暗电导率随时间而减小并趋于饱和，但经过1 50 度以上退火后又可以恢复到原来的状态。这种非晶硅光致亚稳态变化即是光致衰退效应。这种效应引起了非晶硅薄膜材料光电性质和太阳电池性能的退化，制约了其最高稳定效率。其次，由于其带隙为1．7 ev，这样材料本身对红外和近红外波段的入射光就不会很敏感，从而限制了其光电转换效率。经过多年的不断努力，在改善非晶硅薄膜材料性能提高非晶硅薄膜光电转化效率方面人们取得了重大的进展。比如在等离子体增强化学气相沉积氢化非晶硅材料过程中，用氢气稀释硅烷可显著改善非晶硅材料的稳定性【引。非晶硅材料的带隙宽度可以通过形成合金进行调节，比如非晶硅锗合金薄膜就具有较窄的带隙可以和非晶硅材料构成叠层电池从而有效拓宽长波段的光吸收谱【9】。但目前在非晶硅薄膜电池陷光结构的设计上的还存在较大的可探索空间，宽光谱、高效率的陷光电池结构设计一直是研究的热点。 4 ；l童善譬晕言善邕dv 1绪论 1．3非晶硅薄膜太阳电池陷光技术导致非晶硅薄膜电池效率偏低的主要原因是在于非晶硅薄膜材料内部的缺陷态密度较高，光生载流子的迁移率很低。为了减少载流子的复合，非晶硅薄膜太阳电池的光吸收层通常几百个纳米，如此薄的硅薄膜显然不足以充分吸收进入其表面的太阳光，尤其是在红光和近红外波段，从而限制了电池的短路电流。可见要提高非晶硅薄膜的光电转换效率，增大电池的光吸收是至关重要的。要在不增加薄膜电池物理厚度的情况下成倍的增大电池的光学厚度，就必须采用有效地 “陷光技术”，设计出高效率的非晶硅薄膜陷光电池结构。如图1．3所示有效地陷光可以明显增加非晶硅薄膜太阳电池在长波段的光吸收，当电池的光学厚度分别增大10倍和50倍时，非晶硅薄膜电池的光电流分别增加了52％和78％。因此，陷光对于提高非晶硅薄膜太阳电池光子吸收率来说是至关重要的，利用各种陷光技术设计出高效的电池陷光结构成为近年来研究的热点。 400 500 600 700 800 9∞ 1000 1100 1200 Wavelength阳m】图1．3 300衄厚的a-SiH薄膜电池在AMl．5光照下的吸收光谱和光电流，图中红色和绿色谱线分别为电池的有效光学厚度增大10倍和50倍时的吸收光谱‘10】。非晶硅薄膜太阳电池的陷光技术主要包括在电池前表面沉积减反膜，对电池进行表面织构，在电池背表面设置一维光子晶体反射层以及基于金属纳米结构的表面等离激元等。由于非晶硅薄膜电池通常厚度很薄，晶硅电池上的表面织构技术无法应用到薄膜电池表面。薄膜电池的绒面也是电池前电极为透明导电氧化物薄膜TCO，目前最常用的有掺锡氧化铟ITO、掺铝氧化锌ZAO和掺氟氧化硒FTO等。刘佳宇等【lI】利用中频脉冲溅射法制备出了ZnO薄膜，将其进行酸腐蚀制成绒面结构以后，透光率达到了85％以上，迁移率达到了40 cm2N·S。Li Chuan．Hao等 u 2J在非晶硅薄膜电池前表面设计出了金字塔结构的透明导电绒膜，从图1．4中可看出，绒面结构电池相对于参考电池在整个入射波段吸收率提高了48％。 5 O O O O O O O O 0 O 饱俺 ¨ 秘砌 8 d 4 2 ，【ETlt。1fJ|l『l量tlI言口＆婚皤。警 1绪论 q。i，紫图1．4aZ维非晶硅太阳电池结构设计图，嘞不同电池结构下电池光子吸收率随入射波长变化曲线。非晶硅薄膜太阳电池由于吸收层本身较薄，很难充分吸收所有入射到上面的光子，尤其是长波波段的光子，因此就需要在电池背部设置较好的光子反射装置。最常见的电池背部反射装置为金属反射层和介质反射层。但是，金属反射层由于具有一定热损耗，对光子吸收较多。介质反射层能起作用的波长范围较小，对角度有很强依赖性，因而效果亦不是很明显。光子晶体作为不同的电介质的一种空间周期分布，可以通过设计调控光子禁带，从而实现对不同波长的入射电磁波的反射，具有一定的优越性。图1．5a和b分别给出了三种不同背反射器薄膜电池结构和其相对应的电池外部量子效率。从1．5Co图中可以明显看到一维光子晶体做背反射器的电池外部量子效率在长波段明显比另外两种要好很多，尤其是在入射波长大于550 nlll以后的波段。沈宏军等【l 3】设计了一种薄膜电池背表面一维光子晶体和一维衍射光栅共同组成的背反射器。研究发现，不论是光垂直入射还是斜入射，在整个400--,1200 nm入射波段电池均呈现了较高的反射率，尤其在700 ～1100 am波段内，反射率始终高于99．5％。口 aSlH 2兰◆ 图1．5a--种背表面不同的薄膜电池结构，b对应于a图的三种电池结构下的薄膜电池外部量子效率【121。随着近些年微纳加工技术的快速发展，给人{fifo何提高非晶硅薄膜电池效率 6 Z j口洲口眺蚰孙 1绪论提供了一条新的思路，大量的微纳结构被应用到非晶硅薄膜电池中去，显著的改善了非晶硅电池的光电转换效率。其中将金属纳米结构引入到非晶硅薄膜电池中来增加电池光吸收的方法引起了广泛的关注【悼16】。利用金属纳米颗粒表面产生的表面等离激元共振surface palsmon resonance包括金属纳米颗粒表面的局域表面等离激元共振10cal surface palsmon resonance_jgl沿金属半导体界面传播的表面等离极化激元共振surface plasmon polariton resonance来提高非晶硅薄膜电池的转换效率的科研成果被大量的报道。如图1．6所示，Derkacs掣17】将Au纳米颗粒沉积到240 nm厚的非晶硅薄膜电池前表面，在入射光的照射下，金属纳米颗粒通过前向散射和颗粒本身产生的表面等离激元效应，将电池的短路电流密度和能量转换效率分别增加了8．1％和 8．3％。图1．6左图为非晶硅电池前表面沉积Au纳米颗粒结构示意图，右图为相应的电池电流、电压和功率曲线。图1．7左图为扫描电镜下的Ag纳米颗粒，右图为随波长变化的电池外部量子效率曲线。 Zeman等㈣将Ag纳米颗粒沉积到非晶硅薄膜电池背表面的透明导电膜上。图1．7给出的是扫描电镜下的Ag纳米颗粒实际效果图和电池在有无Ag纳米颗粒下的外部量子效率图。从图中我们可以看到，相对于未沉积Ag纳米颗粒的非晶硅电池来说，显然有颗粒的电池外部量子效率在620～750 nnl这一长波段有一 7 1绪论定程度的提高，电池短路电流密度增加了5％。 Cao掣18】将一维Ag纳米光栅置于非晶硅电池前表面，如图1．8a所示。用横磁波TM波进行入射，研究发现非晶硅吸收层可以吸收入射光子的50％左右，但是研究者并未对横电波TE波入射情况下电池陷光效果进行分析。Tsai 等【191将金属纳米柱置于非晶硅电池前表面或者背表面，见图1．8b。通过改变纳米柱的材料，尺寸，位置来优化电池结构，模拟结果表明，上下表面在同一位置的灿纳米柱电池结构可以将电池吸收效率提高52％。．， T3ipolm‘izcd W孙’e 图1．8等离激元陷光的非晶硅薄膜电池结构示意图。 1．4本文的研究内容及组织结构为了解决非晶硅薄膜太阳电池光电转换效率低下这一严重制约其发展的问题，本文利用当前科研领域热门的金属纳米结构表面等离激元共振技术，将其运用到非晶硅薄膜电池陷光结构设计中去，并结合传统的陷光技术设计出了多种高效率非晶硅薄膜太阳电池陷光结构。本文利用COMSOL数值模拟仿真软件对电池结构进行了设计并优化。通过模拟计算可以准确的地得到在各种角度光入射下的电池的光子吸收率，电池在AMl．5光谱入射下的吸收光谱，电池内部电磁场的分布等。最后对不同陷光结构电池在不同波段光吸收的机理进行了阐释。具体研究内容如下第一章阐述了本文的研究背景和意义，简介了非晶硅薄膜太阳电池发展现状，介绍了当前非晶硅薄膜电池中常用的陷光技术。第二章是本文研究的的理论基础，重点介绍了表面等离激元理论，表面等离激元技术在太阳电池中的应用及其研究进展。第三章至第五章是本文的核心内容，通过将一维或二维金属纳米光栅置于非晶硅薄膜电池的前表面或后表面，设计出了几种宽光谱陷光结构电池，通过数