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光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池光学特性模拟光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池是一种新型的高效太阳电池，其表面具有光栅结构，可以有效地提高光的捕获效率和增加光与电子的相互作用强度，从而提高电池的转换效率。
本文将对光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池的光学特性进行模拟分析，探究其重要的光学特性以及优化效应。
一、光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池的基本结构光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池的基本结构如图1所示。
其主要由透明导电玻璃、锗薄膜、晶硅层、氧化铝薄膜、钙钛矿层、电子传输层、聚合物层、金属电极层等组成，表面还加上了光栅结构。
图1 光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池的基本结构二、光栅结构的原理及优点光栅结构是在材料表面形成周期性的凹凸结构，可以起到类似光栅衍射的作用，将平面波分解成若干个方向不同的衍射波。
这种衍射效应可以将反射、折射和散射等多种光学过程结合起来，在太阳电池中具有以下优点：1.提高光的捕获率：光栅结构可以将平行入射的光线分散到不同的角度，使更多的光线入射到电池内部，从而提高光的捕获率和光子利用率。
2.提高光与电子的相互作用强度：光在电池内部经过多次反射、散射等过程，可以使光与电子的相互作用强度增强，从而提高电池的转换效率。
3.减少反射：光栅结构可以形成多个界面反射，从而减少反射，提高光的利用率。
4.增强光谱选择性：光栅结构可以定向扩展基底的波长选择性，使反射光的波长分布更加均匀，减少光强的损失，从而提高光生电子的利用率。
三、光学模拟的原理光学模拟是一种通过计算机模拟光在材料中传播时的规律和性质，从而预测和分析材料的光学性质的方法。
光学模拟通常采用电磁波数值计算方法，如有限元法、有限差分法等，可以计算出光的传播方向、强度、相位、色散等参数，对于光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池的光学特性分析具有重要的意义。
四、光学模拟的结果采用Lumerical软件对光栅结构钙钛矿∕晶硅叠层太阳电池的光学特性进行模拟分析，得到以下结果：1.光栅结构的反射与透射光栅结构的表面会对入射光产生反射和透射两种现象。
非晶硅叠层薄膜太阳能电池优点
以非晶硅叠层薄膜太阳能电池优点为题，我们来探究一下这种太阳能电池的特点和优势。
非晶硅叠层薄膜太阳能电池是一种利用非晶硅薄膜叠层技术制造的太阳能电池。
相比于传统的硅晶太阳能电池，它具有以下优点：
1.成本低廉
非晶硅叠层薄膜太阳能电池的制造工艺简单，生产成本较低。
同时，由于其薄膜结构，可以在较小的面积上实现较高的发电功率，从而进一步降低了生产成本。
2.高效率
由于其叠层结构，非晶硅叠层薄膜太阳能电池可以吸收更多的太阳光，从而提高了发电效率。
同时，由于非晶硅材料的光吸收特性，这种太阳能电池在弱光条件下也可以正常发电。
3.轻量化
非晶硅叠层薄膜太阳能电池的薄膜结构使得它比传统的硅晶太阳能电池更轻便。
这种轻量化特性使得它在一些特殊的应用场合，比如航空航天领域，具有更大的优势。
4.灵活性
非晶硅叠层薄膜太阳能电池可以制造成各种形状和尺寸，具有很高的灵活性。
这种特性使得它可以应用于更广泛的场合，比如建筑外墙、屋顶等，从而扩大了太阳能电池的应用范围。
非晶硅叠层薄膜太阳能电池具有成本低廉、高效率、轻量化、灵活性等优点，是未来太阳能电池发展的重要方向之一。
虽然它目前的发展仍然面临一些挑战，比如稳定性和寿命等问题，但随着技术的不断进步和改进，相信它将会在未来的应用中发挥越来越重要的作用。
叠层太阳能电池小结1叠层电池概述由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。
太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收,转变成热能；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子使材料本身发热。
这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。
因此单结太阳能电池的理论转换效率的一般较低。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。
叠层a-Si:H太阳电池能提高效率、解决单结电池存在的稳定性问题的原因在于：（1）叠层电池把不同禁带宽度的材料组合在一起，加宽了光谱响应的范围。
（2）顶电池的i层较薄（<2000×10-8cm），以致光照后产生的空间电荷对i层电场的调制已不明显，i层中电场强度分布变化不大，仍是高场区，有源区上的这种高电场显然足以把i层中的光生载流子有效抽出，从而阻止光致衰退的发生。
（3）底电池产生的光生载流子约为单结电池的一半，底电池的光致衰退效应较小。
双结叠层电池通常由宽禁带带隙的顶电池、隧道结和窄带带隙的底电池三部分依次串联而成。
为了获得尽可能高的光电转换效率，叠层电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理和顶底子电池电流匹配等基本要求。
叠层电池电流密度一般不同，顶底电池的电流失配会使电池性能大受影响。
设法获取电池匹配的结构是保证叠层电池具有良好性能的重要一环。
叠层太阳能电池的制备可以通过两种方式得到：一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的作为顶电池，一个则是低带宽的作为底电池。
然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面。
硅基薄膜太阳电池应用现状分析【摘要】硅基薄膜太阳电池由于材料成本、转换效率等特点受到人们的关注，就非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜和非微叠层太阳电池的应用和发展趋势做了简要的分析。
【关键词】太阳电池；光伏建筑一体化；薄膜随着人类社会工业化的不断发展造成资源极大浪费，生态环境恶化和破坏。
为此人类迫切建立起可再生能源为主的能源体系，可持续发展成为一切活动准则。
可以看到硅基薄膜太阳电池具有省材料、低成本、弱光性好和具有柔性的诸多优点，这些优点决定了硅基薄膜太阳电池在很多领域是有着晶体硅太阳电池所不具备的优势的。
近年，人们已经将视线放到如何更好的在生活生产中利用太阳能电池来提供清洁能源。
而这其中光伏建筑一体化是一个重要的组成部分。
建筑物太阳能电池玻璃幕墙和太阳能生态屋顶就是光伏技术应用于生活的实例。
利用太阳能发电可以部分甚至完全解决家庭和单位办公用电。
另外太阳电池玻璃幕墙不仅可以发电，作为建筑的外墙装饰也是不错的选择。
但是光伏建筑一体化必须遵循一个原则就是太阳能光伏发电系统的安装不能破坏已有建筑造型，不能破坏装饰性屋面的艺术风格，不能造成结构的重新返工，具有透光性和柔性的薄膜太阳能电池成为玻璃幕墙的不二选择。
大规模商业化生产柔性光伏组件是1998年尤尼索拉公司开始的，柔性非晶硅薄膜太阳电池组件与建筑完美结合并投入市场，光伏建筑一体化的发展开始了一个新的时代。
最后，由于薄膜太阳电池具有柔性可以随形安装、轻薄从而减轻总质量、以及抗辐照等特性，硅基薄膜太阳电池在空间用太阳电池中的应用也是的另一个发展方向。
对于硅基薄膜太阳电池技术发展的关键在于如何提高光电转换效率，而由于其厚度优势可以考虑叠层从而利用不同材料实现光谱的扩宽，因为非晶硅的带隙为1.7ev左右而微晶硅的则为1.1ev附近，能够将光谱的长波限从0.9μm拓展的1.1μm，同时也降低了不稳定的非晶顶层的厚度有效抑制光致衰减。
因而，非晶硅/微晶硅的非微叠层电池成为了人们研究的重点。
太 阳 能第1期 总第333期2022年1月No.1 Total No.333Jan., 2022SOLAR ENERGY0 引言利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积的氮氧化硅(SiO x N y，下文简写为“SiON”)薄膜在带隙宽度、折射率、应力方面均可调整[1]。
SiON薄膜的制备方式为：在常规的PECVD工序中，引入反应气体N2O，与NH3和SiH4发生反应，从而生成SiON薄膜。
通过改变反应气体N2O、NH3和SiH4的流量配比及沉积时间，即可改变SiON薄膜的膜层组分及膜厚[2]。
在太阳电池钝化层制备过程中，氮化硅(Si y N x，下文简写为“SiN”)薄膜与SiON薄膜的膜层设置较为关键，二者有多种搭配组合方式，除了需要与实际产线相匹配之外，还需要考虑将太阳电池的电性能与光伏组件的CTM(用于表征因封装造成的光伏组件输出功率损失程度)均达到最优状态，从而确定最佳的SiN薄膜与SiON薄膜的膜层设置方案。
本文采用管式PECVD法，以SiH4、NH3、N2O作为反应气体制备SiON薄膜，利用椭偏仪测试薄膜的膜厚及折射率，从中找出最优膜厚及折射率控制标准；然后结合SiN薄膜已有的制备工艺，制备出SiN/SiON叠层膜，并对SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜的光学性能，以及分别采用这2种薄膜的太阳电池的电性能进行了分析，以期可以通过采用此叠层膜大幅改善太阳电池钝化膜的特性，从而提升太阳电池的光电转换效率和抗电势诱导衰减(PID)性能。
1 实验准备1.1 实验材料及仪器采用尺寸为158.75 mm×158.75 mm 的p型直拉单晶硅片，厚度为180 μm，电阻率为0.4～1.1 Ω•cm。
利用管式PECVD设备在硅片上分别沉积SiN薄膜与SiN/SiON叠层膜。
利用EMPro-PV椭偏仪测试薄膜的膜厚和折射率；利用RC反射仪测试薄膜的反射率；利用WAVELABS-SINUS-200设备检测成品太阳电池的电性能；利用WCT120测试成品太阳电池的反向饱和电流密度J0；利用QEX10测试成品太阳电池的量子效率QE。
Si 基薄膜叠层太阳电池中光的优化分配3陈培专,蔡 宁,陈新亮33,韩晓艳,张德坤,袁育杰,王 烁,熊绍珍,赵 颖,耿新华(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)摘要:以带有中间层的S i 基薄膜叠层电池为研究对象,模拟了中间层对入射光在叠层电池中传播和分配的影响,对中间层的材料选择提出了优化方案,并以ZnO 作中间层,实验验证了其对入射光的管理作用。
模拟结果表明,引入适当的中间层,既能提高短波段的反射率,又能明显增加长波段光的透过率。
加入ZnO 中间层,可使厚为200nm 的顶部非晶硅(a 2S i )电池的短路电流提高14.1%。
关键词:非晶硅/微晶硅(a 2S i/μc 2S i )叠层太阳电池;中间层;光学模拟;吸收率中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:100520086(2009)0520595206Light m anagem ent in thin film a 2Si/μc 2Si tand em solar cellsCHEN Pei 2zhuan ,CAI ning ,CHEN X in 2liang 33,HAN X iao 2yan ,ZHAN G De 2kun ,YUAN Yu 2jie ,W ANG Shuo ,XIONG Shao 2zhen ,ZHAO Y ing ,GEN G X in 2hua(Institute of Photo 2electronics Thin Film Devices and T echnique of Nankai University &Tianjin K ey Laboratory ;K ey Laboratory of Opto 2electronic Information Science and T echnology for Ministry of Education ,Nankai Universi 2ty ,Tianjin 300071,China )Abstract :The influence of interlayer on the transmittion and distribution of the incident light in a 2S i/μc 2S i tandem solar cells was simulated and realized in experiments.S imulation results indicated the scheme to choose the best interlayer materials in theory.An adequate interlayer could enhance the reflectance in short wavelength range as well as increase the transmittance in long wave ing ZnO as the inter 2layer ,we proved our calculation results and validated its light management effect in fact.T ypical ZnO in 2terlayer increased apparently the short current density of the top cell by 14.1%.K ey w ords :a 2S i/μc 2S i tandem solar cells ;interlayer ;optical simulation ;absorption1 引 言 非晶硅/微晶硅(a 2S i/μc 2S i )叠层太阳电池因其成本低、效率高和稳定性好等优点,是当前的研究热点之一。
但叠层电池的电流通常受a 2S i 顶电池限制,从而限制了电池效率的提高[1]。
加大顶电池厚度虽能实现电流匹配,但会使电池的稳定性下降[2]。
为协调叠层电池效率和稳定性二者间的矛盾,提出了在a 2S i/μc 2S i 叠层电池的顶底电池间引入中间层(intermedi 2ate reflector or interlayer )的新结构[3]。
目前应用最多的中间层材料是ZnO [4]。
Bailat 等人[5]采用180nm a 2S i/50nm ZnO/1.8μm μc 2S i 电池结构,初始效率达到11.6%(J sc =12.1mA/cm 2,V oc =1.3V ,FF =73.2%)。
Y amamoto 等人[6]采用带有中间层的a 2S i/μc 2S i 叠层电池结构,在1cm 2的电池面积上取得了初始效率14.7%(J sc =14.4mA/cm 2,V oc =1.41V ,FF =72.8%),但没有给出中间层材料的任何参数。
因为对中间层只是概念上的了解,具体对材料的选择、如何兼容工艺以及何种折射率和厚度最为合适,极少文献报道。
通过实验的办法对设备进行大的改动,需要耗费大量的时间和经费,并不切实可行。
而模拟和实验相结合,用模拟指导实验,用实验来验证模拟,无疑是一条捷径。
K rc 等人[7]采用semi 2coherent 光学模型对中间层进行了光学模拟,揭示了中间层折射率对叠层电池中顶/底电池界面反射率以及对顶电池、底电池量子效率(Q E )的影响规律,但没有结合中间层厚度对电池特性的影响给出任何信息。
本文采用《光学薄膜计算系统V2.0》软件[8]模拟了中间层折射率、厚度对叠层电池中a 2S i/μc 2S i 界面处反射率、顶电池吸收率以及顶电池透过率的影响,旨在为中间层材料的选择与设计提供理论依据,以实现叠层太阳电池中光的优化分配,并按模拟思路制备了模型电池予以实验验证。
光电子・激光第20卷第5期 2009年5月 Journal of Optoelectronics ・Laser Vol.20No.5 May 2009①收稿日期:2008211205 修订日期:2009201207 3 基金项目:国家“973”计划资助项目(2006C B202602,2006C B202603);天津市国家科技计划配套资助项目(07QTPT JC 29500) 33E 2m ail :cxlruzhou @2 模拟模型 菲涅尔公式是多层薄膜光学计算的出发点,形式为[9] r p =N 0cos θ1-N 1cos θ0N 0cos θ1+N 1cos θ0(1) r s =N 0cos θ0-N 1cos θ1N 0cos θ0+N 1cos θ1(2) t p =2N 0cos θ0N 0cos θ1+N 1cos θ0(3) t s =2N 0cos θ0N 0cos θ0+N 1cos θ1(4)其中:r p 、r s 是菲涅尔反射系数,t p 、t s 是透射系数,p 、s 分别为p偏振波、s 偏振波;N 0、N 1为第1、第2介质的折射率;θ0为入射角度,θ1为折射角。
根据菲涅尔公式开发的《光学薄膜计算系统V2.0》软件,可用于多层膜的光学模拟。
模拟过程采用的电池结构如图1所示,该结构模型的顶电池为pin a 2S i 电池和μc 2S i 底电池的P +窗口层,在n 型a 2S i 与P +型μc 2S i 间加入中间层。
其中a 2S i 顶电池厚度(d top )为200nm ,折射率n 为3.1;μc 2S i 底电池窗口层厚度(d bot )为20nm ,n 为3.3。
图1 电池结构模型Fig.1 Mod el o f solar cell stru ctu re 在计算顶电池和中间层界面的反射率时,为简化计算,该光源假设是与波长无关的“理想”光源,即各个波长的振幅均为1,而且光从n 为3.1的介质入射,根据菲涅尔公式算出界面反射率;在计算顶电池吸收率时,光从空气界面垂直入射,顺序穿过顶电池、中间层以及20nm 厚的P +μc 2S i 。
对a 2S i 顶电池的pin 3层当作同一层处理,然后按程序对如图1所示的a 2S i 、中间层、20nm 厚μc 2S i 窗口层结构进行吸收率的计算。
模拟中采用的波长范围为400～1100nm 。
3 模拟/实验结果和讨论3.1 中间层折射率对顶底电池界面反射率及顶电池吸收率的影响 以《光学薄膜计算系统V2.0》程序对不同中间层折射率对模型的反射率与吸收率的影响进行了模拟。
目的是,通过计算结果与K rc 等人的结果相对照,以验证程序的可行性,也为证明模拟计算的正确性,并为后续实验验证结果的可信性提供理论依据。
K rc 的计算结果表明,当中间层折射率介于顶电池折射率和底电池折射率(3.1～3.3)间时,在650nm 中心波长范围内将起增透效果[10],不能实现引入中间层的目的。
为节省计算,仅给出中间层厚度为70nm 和n <3.1、n >3.3模拟的结果,如图2所示。
图2(a )为对折射率小于3.1的中间层的模拟结果,实线为无中间层时界面反射率曲线,虚线、点线、点划线、短虚线分别为引入厚度为70nm 、折射率为210、118、116、114的中间层后的界面处反射率曲线。
从图2(a )可以看到,随着中间层折射率的降低,短波段界面处反射率上升,在长波段下降。
且当n <3.1时,中间层折射率越低越有助于提高顶电池在短波段的光吸收,同时长波段反射的下降,有利增加底电池在长波段的光吸收,从而有利减少在各子电池内的光损失,显示出将入射光分地域、分波段的复用效果。
图2 中间层折射率在n <3.1和n >3.3范围内折射率对顶底电池界面反射率的影响Fig.2 I nflu ence o f th e refractive ind ex at n <3.1and n >3.1for interlayeron th e interface reflectivity b etw een top and bottom cells 图2(b )为对n >3.3的中间层的模拟结果,其中实线为无中间层时界面处反射率曲线,虚线、点线分别为引入折射率为410、510厚度为70nm 的中间层后界面反射率曲线。
与无中间层相比,界面反射率出现明显振荡的干涉现象。
尤其在750nm 后为底电池利用的太阳光波段,界面处的反射率反而升高,这部分反射回去长波长的光,顶电池无以利用,反而降低了底电池的光利用率,这对叠层电池效率的提高是不利的。
