基于一维光子晶体的新型背反射器及其在非晶硅薄膜太阳电池中的应用.docx

基于一维光子晶体的新型背反射器及其在非晶硅 薄膜太阳电池中的应用?陈培专侯国付?索松倪牮张建军?张晓丹赵颖(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室,光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津300071)(2013年12月10日收到;2013年12月27日收到修改稿)本文研究制备一种由低折射率的SiOx层与高折射率的a-Si层周期性交叠构成的新型一维光子晶体(1D PC)背反射器.研究结果表明,随着SiOx/a-Si交叠周期数的增加,一维光子晶体的反射率逐步提高.当周期数大于3时,在空气中500—750nm波长范围的平均反射率达到96%. 将该一维光子晶体作为背反射器应用 于NIP型非晶硅电池(电池结构为玻璃/1DPC/AZO/NIPa-Si:H/ITO),当光子晶体周期为4时,效率达到7.9%,略优于传统的AZO/Ag背反射电极结构电池(7.7%),明显高于不锈钢衬底电池(6.9%),相对效率提升14.5%.关键词:非晶硅薄膜太阳电池,一维光子晶体,陷光结构,背反射器PACS:73.61.Jc,88.40.hj,61.43.Dq,68.55.–aDOI:10.7498/aps.63.0773011引言为了提高硅基薄膜太阳电池对光的有效利用, 需在电池背部添加背反射层,以将到达电池底部的光反射回电池内部,提高效率[1?4].金属Ag和Al 是目前最常用的背反射电极[5].Ag具有宽谱域高反射特性,但其成本较高;Al虽然成本较低,但反射率偏小,导致电池效率不够高.此外,Ag,Al都 是金属,当将金属材料用作薄膜太阳电池的背反射电极时,会引入等离子激元共振吸收损失[6]、金属离子扩散破坏电池性能[7]等问题.以上各方面皆不利于在产业化生产中提高电池效率、提升稳定性和降低成本.因此,研究并实现一种既具有高反射 率,又具有低成本优势的新型背反射器对硅基薄膜 太阳电池来说迫在眉睫.近年来,光子晶体(photoniccrystal,PC)由于其具有优越的光学性能,在太阳电池领域得到了广泛关注[8?11].一维光子晶体(onedimensionpho-toniccrystal,1DPC)是由两种不同介电常数的电介质层周期性堆叠形成的,其特性是在电介质层表面会出现布拉格散射,产生光子禁带,能量位于禁带中的光不能传播[12,13],从而在1DPC表面产生 接近100%的反射.两种电介质层的折射率比越大, 则禁带越宽,形成禁带所需周期数也越少[14,15].当 把1DPC应用于电池背反射层时,除了要具有高反 射特性,还需要解决电流引出问题,因为1DPC通 常都是绝缘的或电阻较大.2006年,Zeng等率先将 1DPC作为背反射层应用于晶硅太阳电池中,为了 解决电流引出问题,采用光学掩膜和等离子刻蚀相结合的方法将前电极和背电极制作在同一平面上, 但制备工艺较复杂[12],难以在硅基薄膜太阳电池 中实现.本文首先研究适用于单结非晶硅薄膜太阳电?国家自然科学基金(批准号61377031)、天津市自然科学基金重点项目(批准号:12JCZDJC28300)、国家高技术研究发展规划(批准号:2011AA050503)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00705,2011CBA00706,2011CBA00707)和天 津市重大科技支撑计划项目(批准号:11TXSYGX22100)资助的课题.?通讯作者.E-mail:gfhou@?通讯作者.E-mail:jjzhang@?2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety池1DPC所需的禁带范围,以及1DPC介质层材料和厚度的选择.接下来研究周期数对1DPC反 射率的影响,以确定适用于电池的最小周期数.最 后实验制备出1DPC背反射器并用于单结非晶硅 薄膜太阳电池,同时在电池和1DPC之间插入透明 导电膜掺铝氧化锌(aluminumzincoxide,AZO)作 为电流引出电极,并与分别基于不锈钢衬底(stain- lesssteel,SS)和AZO/Ag复合背反射电极的电池 作比较.2实验图1为采用1DPC背反射器的非晶硅电池结构示意图,1DPC结构如图中右侧的放大图所 示.首先在康宁7059玻璃上沉积低折射率SiOx 层(厚度为125nm); 而后沉积高折射率a-Si层(厚 度为25nm)组成一个一维光子晶体周期,接着再沉积后续周期.电池结构为康宁7059玻璃/1D PC/AZO/NIPa-Si:H/ITO,其制备过程为:首先 在7059玻璃衬底上沉积上述1DPC作为背反射器, 共4周期,而后在1DPC表面沉积AZO透明导电膜作为背电流引出电极,接着再沉积NIP型单结非晶硅电池,电池厚度为200nm,最后在电池表面沉 积IT