硅薄膜电池前电极TCO陷光结构模拟分析*

赵双乐，朱晓磊

(天津科技大学，天津 300222)

硅薄膜电池前电极TCO陷光结构模拟分析*

赵双乐，朱晓磊

(天津科技大学，天津 300222)

硅基薄膜电池以其优异性能得到了广泛研究和应用，但还存在转化效率低和光致衰退现象等缺点。为了解决这些问题，研究者在电池中引入了透明导电薄膜层(TCO)。前电极的TCO可以起到增透作用，背电极的TCO则起到了增加反射作用，此外，在TCO表面刻出织构形貌还起到陷光的作用，增加光程，提高吸收效率。本文建立了含有TCO层的硅基薄膜电池模型，利用有限时域差分(FDTD)方法，模拟了不同陷光结构下，光在各电池中的能量密度及其陷光性能。仿真结果显示，三角形TCO层电场强度更高，说明该结构增加了电池中的光程，提高了电池的转化吸收次数和效率，为电池的进一步优化提供了依据。

硅基薄膜电池；陷光结构；时域有限差分方法；透明导电薄膜

光伏电池中，非晶硅(a-Si)太阳能电池具有很多优势，地壳里含有大量的硅元素，原料丰富且容易获取，更重要的是硅具有无毒性，成品无需任何防护即可直接使用，十分安全[1]，虽然其已经有很多的研究成果，但还是一直受到研究者的关注。目前，非晶硅太阳能电池使用中遇到的主要问题是光致衰退现象，而陷光结构可以有效解决该问题，确定电池的结构参数，优化电池性能是提高非晶硅太阳能电池性能的关键环节。

利用OptiFDTD软件建立pin结构的a-Si电池模型，对硅基薄膜太阳能电池中透明导电氧化物薄膜进行了光学模拟设计，在前电极刻蚀出不同形貌的陷光结构，并进行了模拟计算和对比，数据分析，完善了对入射光的管理，提高了入射光在电池内部的散射和折射，从而提高了光程，增大了电池转换效率和短路电流密度。同时，找出了模拟最优化参数的方案，为提高硅基薄膜太阳能电池的光电转化效率提供了依据。

1 模型建立

a-Si太阳能电池基本结构模型如图1所示，其结构为glass/TCO/pin/Ag，其中pin结构为100 nm，Ag反射层为100 nm，其中TCO采用ZnO薄膜，宽度为3 um，TCO层折射率是n1=2，Ag背反射层n3=1.5，x轴采用PML边界条件，z轴采用PBC边界条件。当增透膜的厚度为介质波长的1/4时，增透(即减反效果)最好，这里选取20、40、60、80和100 nm 5个厚度来做比较。

图1 具有陷光结构的电池

本文Si层采用Lorentz-Drude模型，该模型为经典自由电子气体模型。该模型对解释材料的色散等光学特性上取得了一定的成就。这里的Si介质各向同性。

该模型可用下述方程表示：

(1)

式中，εr∞是介质无穷大时的相对介电常数，对Si取值为5.966 F/m；Gm是第m项的共振强度；Γm是第m个振子的阻尼系数；ωm是共振频率；Ωm是电浆频率。

改善硅基薄膜电池效率可以通过下述2种方法实现：1)提高外部量子效率，如在前电极增加透射膜，背电极增加反射膜，或者引入陷光结构，提高光在电池中的光程，使光被硅吸收层二次吸收等；2)提高内部量子效率，例如异质结硅基薄膜电池就是为了增加长波长的光的吸收，从而提高电池效率。

硅基薄膜电池吸收450 nm短波长光只需2.1 um的硅层，而对于长波长光，例如1 000 nm，则需要190 um以上的硅层。电池厚度过高会增加材料消耗和成本，并且由于多晶硅本身缺陷增多，易引起光致衰退现象，而设计一种合理的陷光结构可以减少薄膜厚度，增加光在电池内部的光程，同时还起到增透减反射的作用，有利于提高太阳电池的短路电流和转换效率。

光源选用TE平面横电波，单位面积受到的光强度为1 000 W/m，波长为300～1 000 nm(299.8～999.3 THz)。为了比较不同形貌陷光结构的作用，这里模拟了无陷光结构电池以及陷光结构是三角形和矩形的电池。本文把图1a所示结构的电池设为参考电池。

2 观察线

为了便于统计模型的吸收效率，在有源层上、下顶层分别设置2条观察线，这2条观察线可以模拟计算得到有源层上、下两侧光的能流密度，计算能流差可以确定太阳能电池对光的吸收效果。模型的观察线如图2所示。

图2 模型的观察线(图中虚线)

3 模拟分析

FDTD方法的求解结果可以通过2种方法进行分析，一种是使用观察线，有源层两侧观察线的能量密度相减可以得出电池的能流差，分析能流差确定电池的转换效果；另一种是观察电池内部储能情况，通过对储能图的分析，研究电池陷光结构的优化参数。

电池内储存的电磁场能量可以表示为电场能量密度和磁场密度之和：

式中，we是电场能量密度；wm是磁场能量密度。

w=εE2

(3)

能量密度公式在电池内部空间进行积分可得电池内储存的电磁能量：

(4)

电池内部储能情况可由电场强度E表示，通过分析电池内部电场场强图可以分析出陷光结构的电池性能[2]。

为了便于分析，对该模型作了如下假设[3-5]：1)玻璃透光率非常高，不失正确性的假设光线在这层中无损失；2)把TCO层及反射层作为单层介质薄膜模型。

TCO层的厚度和光源波长有关，从图3可以看出，随着TCO层厚度增加，长波光强增加，本文选取TCO层厚度为40 nm。

图3 不同厚度TCO下O2观察线统计的能流密度

矩形陷光结构类似于光栅，包含3个参数，周期P、占空比d和高度H，模型的周期为100～200 nm，高度为50～120 nm。周期100 nm，占空比50%，不同高度下的电池内部能流密度图像如图4 所示，光源波长为300～900 nm[6-7]。

图4 电池内部能流密度图像

从图4可以看出，矩形陷光结构类似于光栅，随着高度H的增加，光能越来越集中于光栅浅层，浅层光强逐渐变大，这有利于表面对短波的吸收，但却不利于长波长光的吸收。

周期分别为100和200 nm，高度为50 nm条件下，电池内能量转化效率随占空比的变化情况如图5 所示。

图5 电池内能量转化效率随占空比的变化情况

电池内能量转化效率为(O2-O1)/O2，其中，O1、O2是在该观察线处得到的能流密度。分析可知，矩形陷光结构可以采用周期为200 nm，占空比为70%，高度为50 nm的结构。

三角形陷光结构由高度H和宽度W等2个参数决定，高度H取值为50～100 nm，宽度W取值为100～200 nm。从图6可以看出，高度为100 nm，宽度为100 nm的三角形陷光结构在有源层有最大的能量。

图6 不同宽度和不同高度下O1观察线得出的能流密度

图7所示为3种陷光结构在切面x=0.49，z=0的Ey场强分步，其中，1为无陷光，2为矩形陷光，3为三角陷光结构。

图7 3种陷光结构的场强对比

图7对比了3种结构的场强，其中矩形陷光结构采用周期P为200 nm，占空比d为70%，高度H为50 nm，三角形采用宽度W为100 nm，高度H为100 nm的陷光结构。从图7可以看出，三角形陷光结构有着更好的场强分布，说明这种结构起到的陷光作用更好。

4 结语

通过FDTD方法可以直观地设计并模拟出很多复杂形状的陷光结构，同时模拟计算得出的场强分布比较精确，经过对结果的分析和比较有助于太阳能电池的结构设计。

[1] 张晓丹，赵颖，熊绍珍. 薄膜太阳电池系列讲座(12) 硅基薄膜太阳电池(四)[J]. 太阳能,2012(9):9-12.

[2] 曹良丹,张旭升,杨果,等. 太阳能电池陷光结构辐射特性研究[J]. 工程热物理学报,2012(4):673-676.

[3] 于晓明,赵静,侯国付,等. PIN型和NIP型硅薄膜太阳电池中绒面陷光结构和陷光性能研究[J]. 物理学报,2013(12):1-7.

[4] Shigeru K, Kensaku K, Takahiko S, et al. Hybrid antireflection structure with moth eye and multilayer coating for organic photovoltaics[J]. Journal of Coating Technology and Research, 2015(1):33-47.

[5] 贾玉坤,杨仕娥,郭巧能,等. 非晶硅太阳电池宽光谱陷光结构的优化设计[J]. 物理学报,2013(24):310-315.

[6] 孙峤，吴鹏. 基于磁场三维动态导磁球上的磁性液体行为研究[J].新技术新工艺，2013(1)：19-21.

[7] 冯旭东，张伟，郑喜军.塑壳电池封装质量影响因素研究[J].新技术新工艺，2013(8):99-101.

*天津市高等学校科技发展基金计划资助项目(20120719)

责任编辑李思文

SimulationandAnalysisofLightTrappingStructurefortheFrontElectrodeTCOofSiliconbasedThin-filmCells

ZHAO Shuangle, ZHU Xiaolei

(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China)

Silicon thin-film batteries have been widely researched and used for its advantages, but they also have many faults like low conversion efficiency, staebler-wroski effect and so on. In order to solve these problems, the researchers import transparent conductive oxide (TCO) film in the electrode layer. The effect of TCO in the top electrode can reduce reflection effect, and the back electrode has increased transmission effect, the surface of TCO also can be carved by trapping structure which also plays a role in light. The paper establishes a silicon-based thin-film batteries containing TCO layer model by using limited finite difference time domain (FDTD) method. The simulation is under different TCO morphology, light energy density in each cell and its optical properties. The simulation results shows that the triangular TCO layer of electric field intensity is higher, and illustrates that this structure is better in increasing the optical path of the battery, improving the absorption frequency and efficiency of the battery, which provids a basis for the further optimization of the battery.

thin film silicon solar cell, light trapping structure, FDTD, TCO

TK 124

：A

赵双乐(1985-)，男，硕士，助教，主要从事光电子器件等方面的研究。

2015-03-21