第43 卷第7 期人工晶体学报V o l〃 43 N o〃 7 2014 年7 月JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS July，2014
Ag 纳米蛾膜结构阵列对薄膜硅太阳能电池光吸收的
影响
王彩霞，张海明，秦飞飞，张晶晶，郭聪
( 天津工业大学理学院，天津300387)
摘要: 设计了一种带有A g纳米蛾膜结构阵列的薄膜硅太阳能电池背反射器。采用时域有限差分(FDTD)法，系统仿真研究了A g纳米蛾膜阵列的底部直径、高度、阵列周期常数对薄膜硅太阳能电池光吸收的影响。仿真结果表明，A g纳米蛾膜结构最佳结构参数为:d= 60 nm，a= 120 nm，h= 100 nm。吸收光谱表明带有A g纳米蛾膜结构的薄膜硅太阳能电池可有效增加700 ～ 1200 nm 波段范围的光，同带有A g层的薄膜硅太阳能电池相比，光吸收平均增强53〃 8% ，这是因为S i / A g界面产生表面等离子体共振现象所致。
关键词: Ag 纳米蛾膜结构; 时域有限差分( FDTD) ; 光吸收增强; 表面等离子体极化激元
中图分类号: O439 文献标识码: A文章编号: 1000-985X( 2014) 07-1798-04 Influence of Ag Nano Moth-Eye Structure Array to
Light Absorption for Thin Film Silicon Solar Cells
WA NG Cai-xia，ZHA NG Hai-ming，QIN Fei-fei，ZHA NG J ing-jing，GUO Cong
( School of Science，Tianjin Polytechnic University，300387 Tianjin，China)
( Ｒec ei ved 2Apri l 2014，accepted 30 April2014)
Abs t ract:In this paper，a new back reflector w ith A g nano m oth-eye structure array f or t hin f ilm s ilicon solar c ells w as propod〃Influence of A g nano moth-eye structure array＇s bott om diameter，height，constant of periodic a rray t o light absorption f or thin f ilm silicon solar cells w ere systeml y simulated by
f inite-di ff erence time-domain ( F D T D) method〃T he simulation results s how that，the optimal structure
parameters of A g nano m oth-eye array are d=60n m，a=120nm，h=100nm〃T he a bsorption s pe
ctra s how that thin f ilm silicon solar cell w ith A g nano moth-eye structure array can ef f ectivel y increa the light absorption in the w avelength ranging f r om 700nm t o 1200nm，compared w ith thin f ilm silicon solar cell w ith a A g layer，the light absorption enhancement is53〃8%on average，due t o Si/A g inter f ace generated the sur f ace plasm on resonance phenomenon〃
Key words: Ag nano m oth-eye structure; finite difference time domain ( FDTD ) ; light absorption enhancement; surface plasma polarization
1 引言
薄膜硅太阳能电池由于节省高质量材料以及降低生产成本，已成为主流研究方向，高效率薄膜硅太阳电
收稿日期: 2014-04-02; 修订日期: 2014-04-30
基金项目: 国家自然科学基金( 61274064)
作者简介: 王彩霞( 1988-)，女，吉林省人，硕士。E-mail: h elen_w c x@ 126〃 c o m
通讯作者: 张海明，博士，教授。E-mail:z hmtj w l@ 163〃c o m
2 2 第 7 期 王彩霞等: Ag 纳米蛾膜结构阵列对薄膜硅太阳能电池光吸收的影响 1799 池的研发备受关注。由于电池厚度变薄，光 吸收减少，且硅为非直接带隙半导体材料，近带隙光吸收较 弱［1］。因此，增强太阳光的充分吸收对提高薄膜硅太阳能电池的光电转换效率有着十分重要的意义。
利用金属纳米颗粒激发表面等离子体极化激元( SPP) 增强薄膜硅太阳能电池转换效率最近成为研究热 点，
研究人员认为这对于进一步发展薄膜硅太阳能电池是一个非常有前途的方法［2，3］。所谓表面等离子体 极化激
元是指入射光照射到金属表面，自由电子在电磁场的驱动下在金属和介质界面上发生集体振荡，产生 表面等离子体激元，它们能够局域在金属纳米颗粒周围或者在平坦的金属表面传播，导致附近电磁场增 强
［4］。贵金属( 如金、银、铜等) 纳米颗粒激发的表面等离子体共振频率主要在电磁光谱的可见光或红外区， 因此可以利用表面等离子体极化激元增强薄膜硅太阳能电池对光的吸收
［5］。纳米银( Ag) 由于在可见光范 围内具有最小的吸收系数，有望成为薄膜太阳电池陷光结构的主要材料［6］。
将银纳米颗粒沉积在薄膜硅背面构成背反射陷光结构，利用表面等离子体极化激元独特的光学特性增 加光吸收，研究发现光吸收增强与金属纳米颗粒形貌、尺寸、阵列结构有密切关系
［7］。目前据我们所知，球 形，
半球形，圆柱等形貌的金属颗粒已经被模拟和讨论［8］，但对于新型蛾膜结构阵列，还没有系统的模拟和 讨论。蛾膜结构是由抛物面圆锥构成的六角阵列，由于具有梯度折射率的特性在电池表面减反层应用居 多
［9］，目前，将这种结构应用于薄膜硅电池背反射层的实验亦有报道，并发现这种结构能够明显增强光吸 收
［10］，但蛾膜结构阵列的相关参数对光吸收增强的影响和原因还不是很清楚。为此，本文利用时域有限差 分( FDTD) 法，系统仿真研究了 Ag 纳米蛾膜结构中抛物面圆锥的底面直径、高度、阵列周期常数对薄膜硅太 阳能电池光吸收的影响，得到 Ag 纳米蛾膜结构的最佳参数。并利用表面等离子体共振现象对光吸收增强 的原因进行了解释。此外，本文还讨论了入射光角度对光吸收的影响。
2 建 模
带有 Ag 纳米蛾膜结构阵列的薄膜硅太阳能电池结构如图 1( a) 所示，该结构所用材料自下而上分别是
基底 ITO 导电玻璃、Ag 层、Ag 抛物面圆锥、硅( Si) 。Si
厚度为 h 1 = 1200 nm
，A g 层厚度 h 2 = 20 nm 。在 ITO 基 底层先沉积 20 nm 厚 Ag 层［11］，Ag 层不仅可以增加光
的反射，同时有助于所形成的表面等离子体波在各个
银抛物面圆锥颗粒之间实现连续传播。蛾膜结构仿真
单元模型如图 1( b) 所示，其参数设置为: Ag 抛物面圆
锥底面直径 d 、高度 h 、阵列周期常数 a ( 满足 a ≥d ) 。
模拟条件设置: 仿真光源选择 A M 1〃 5 标准太阳能
光谱，入射光方向为平行于 Z 轴垂直入射，波长范围为
300 ～ 1200 nm 。仿真边界条件分别为: XY 面区域为周 期边界条件( P BC) ，Z 方向选择完全匹配层( P ML) 。 对抛物面圆锥进行积分得到体积 V = πhd ，其体 8
图 1 ( a) 薄膜硅太阳能电池纵截面示意图; ( b) 蛾膜结构仿真单元抛物面圆锥模型 Fi g 〃 1 ( a ) S chematic of thin f ilm silic o n s o lar ce ll l o n g itudinal cti o nal ; ( b ) simulati o n cell of Moth-eye structure parabolic cone model 积填充因子( Volume Filling Factor) FF =
πd ，F F 由 d 与 a 的比值决定，所以，设参数 f = d ，分别取 f = 1，1 / 8a 2 a 2，1 /3，1 /4。抛物面圆锥几何参数仿真范围: 底面直径 d 仿真取值为 10 nm ，20 n m ，40 n m ，60 n m ，80 nm ，100 nm 。高
h 取值为 10 nm ，20 n m ，30 n m ，40nm ，50 n m ，60 n m ，70 n m ，80 n m ，90 n m ，100 nm ，200 nm ，300 nm 。 在模拟过程中，Ｒ
( λ) 、T ( λ) 、A ( λ) 分别代表电池对光的反射、透射和吸收，其中 A ( λ) = 1 － Ｒ( λ) － T
P abs ( λ) ( λ) 。主要通过以下参数来进行模拟计算 QE ( λ) = P in 式 中 QE ( λ ) 是 外 量 子 效 率 ( Quantum ( λ)
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Efficiency) ，所代表的是在特定波长下，薄膜硅太阳能电池所吸收的光子数 P abs ( λ) 与入射光子数 P in ( λ) 的
1800 人 工 晶 体 学 报 第 43 卷
比值。
IQE =
λQ E ( λ) I AM 1〃 5 ( λ) d λ λ I AM 1〃 5 ( λ) d λ
( 1) 式( 1) 中 IQE( Integrated Quantum Efficiency) 是内量子效率，定义为光照在电池内部产生的少数载流子的数
目与入射到电池内部的光子数目的比值
［12］。IQE 是衡量薄膜硅太阳能电池光吸收重要参数。其中，I ( λ) 代表 A M 1〃 5 标准太阳光的能量密度，波长 λ 范围为 300 ～ 1200 n m 。
3 结果与讨论
AM 1〃 5
不同直径 d 、高度 h 、阵列周期常数 a 的 A g 纳米蛾膜结构阵列背反射结构参数对 IQE 的影响如图 2 所
示。f 分别取 1 /1，1 /2，1 /3，1 /4。从图 2 可知，当 f = d / a = 1 /1，直径 d ＞ 40 nm 时，IQE 有明显增大，并且 IQE
随高度 h 增加而增加，当 h = 300 nm 时，IQE 值最大，平均 IQE 约为 0〃 46。当 f = d / a = 1 /2，直径 d = 60 nm
时，对应不同高度 h 都出现较大的 IQE ，当 h = 100 nm 时，IQE 最大，IQE 约为 0〃 55。当 f = d / a = 1 /3，直径 d
在 70 ～ 90 n m 范围内变化时，都有较大的 IQE ，h ＞ 100 nm 时，平均 IQE 约为 0〃 51。当 f = d / a = 1 /4，直径 d
= 100 n m ，h = 300 n m 时，有最大 IQE 约为 0〃 50。
通过对比不同参数的 A g 纳米蛾膜结构对 IQE 的影响，得到当 f = d / a = 1 /2，直径 d = 60 nm ，阵列周期常 数 a = 120 n m ，高度 h = 100 n m 时，有最大的 IQE ，其值为 0〃 55。
图 2 IQE 与 A g 纳米蛾膜结构底面直径 d 、高度 h 、阵列周期常数 a 的关系图
Fi g 〃 2 Ｒelati o nship bet w e en IQE and the b o tt o m sur f ace diameter d ，the hei g ht h ，
the c o nstant peri o dic arra y a of the A g nan o m o th -e y e structure
图 3 给出了在最佳 Ag 纳米蛾膜结构参数( 即 d = 60 n m ，a = 120 nm ，h = 100 nm) 下，薄膜硅太阳能电池 光吸收模拟图。作为对比，也给出了无背反射薄膜硅和带有 20 nm 银背反射层的 h 薄膜
硅的光吸收谱。如 图 3 所示，在 300 ～ 700 nm 波长范围内，三种结构对光的吸收几乎相同。这是因为 300 ～ 700 nm 范围内的光 在没有到达 Si 层底部之前就已被 Si 层吸收。对于波长在 700 ～ 1200 nm 范围内的光，具有 Ag 层的结构比只 有教室布置设计方案
Si 层的光吸收明显增强，这是因为 Ag 层作为反射层，极大的增加了硅层内光的反射，从而增加了有效光 程。此外，从图 3 还可以发现带有 Ag 纳米蛾膜阵列的结构比无阵列的结构光吸收增强更为明显，光吸收平
第 7 期 王彩霞等: Ag 纳米蛾膜结构阵列对薄膜硅太阳能电池光吸收的影响 1801
均增强 53〃 8% 。这主要是因为入射光照射到 Si / A g 界 面产生了表面等离子体共振现象，使 700 ～ 1200 nm 波 段部分光能量耦合到 A g 纳米蛾膜结构表面，从而增 加了长波长范围内光的吸收。为验证在最佳蛾膜结构 参数下，A g 表面发生表面等离子体共振现象，图 4 给 出了在最佳蛾膜结构参数下，
A g 纳米结构表面电场分 布示意图。从图 4 可知，
A g 纳米蛾膜结构表面局域场 强度比入射场高出几个数量级，这表明在最佳结构参 数下，
A g 纳米蛾膜结构表面确实发生了表面等离子体 共振，从而增加了长波长范围内光的吸收。
图 5 给出了入射光角度对蛾膜结构阵列薄膜硅太
周杰伦借口阳能电池光吸收的影响。从图 5 可知，当入射光角度
图 3 不同背反射结构参数下薄膜硅太阳能电池光吸收模拟图 Fi g 〃 3 S imulati o n o f di ff erent back re f lect o r structure parameters of thin f ilm silic o n s o lar c ell li g ht abs o rpti o n 在 0 ～ 35°范围内变化时，T M 波和 TE 波对光吸收有一定的变化，平均变化率约为 5% ，当入射角度大于 35°
时，两种波对光吸收几乎没有影响。
图 4 A g 纳米蛾膜结构薄膜硅太阳能电池电场分布示意图 Fi g 〃 4 S chematic of thin f ilm silic o n s o lar cell w ith A g nan o
m o th -e y e structure electric f ield distributi o n in the cr o ss -cti o nal
智能手机应用图 5 光入射角度与光吸收的关系图 Fi g 〃 5 Ｒelati o nship o f incident li g ht an g le and li g ht abs o rpti o n
4 结 论
本文设计了一种带有 A g 纳米蛾膜结构的薄膜硅太阳能电池背反射器。采用时域有限差分( FD T D ) 法， 模拟了 A g 纳米蛾膜结构底面直径 d 、阵列周期常数 a 、高度 h 对 IQE 的影响。仿真结果表明 A g 纳米蛾膜结 构
最佳结构参数为: d = 60 nm ，a = 120 nm ，h = 100 nm 。此条件下薄膜硅太阳能电池产生最大 IQE ，其值为 0〃55。吸
收光谱表明带有 A g 纳米蛾膜结构的薄膜硅太阳能电池可有效增加 700 ～ 1200 nm 波段范围的光，
光 吸收平均增强 53〃 8% ，这是因为在最佳结构参数下，在 Si / A g 界面产生表面等离子体共振现象。入射光角 度对光吸收
的影响表明，在 0 ～ 35°范围内，A g 纳米蛾膜结构对光入射角度不是很敏感，对光吸收影响不大。 为了从实验
的角度验证这种结构的优越性，相关的实验工作我们正在进行中。
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櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒( 上接第1801 页)
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认识牙齿
