基于光栅结构的碲化镉太阳能电池吸收层设计

孙晓红，张　琳，李文阳，郭敏强

(郑州大学 信息工程学院 河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南 郑州 450001)



基于光栅结构的碲化镉太阳能电池吸收层设计

孙晓红，张琳，李文阳，郭敏强

(郑州大学 信息工程学院 河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南 郑州 450001)

摘要：设计了一种吸收层为双填充比矩形光栅结构的碲化镉薄膜太阳能电池，利用时域有限差分法对矩形光栅和双填充比矩形光栅碲化镉吸收层在250～1 000 nm入射波长范围内的吸收效率进行分析.实验结果表明：相比于平板型吸收层，单填充比和双填充比矩形光栅结构的吸收效率均有较大提高;双填充比矩形光栅在整个可见光范围内的吸收率整体得到提高，其对可见光的平均吸收率相比于平板型至少提高10%.可见通过优化太阳能电池吸收层的结构，光子在光栅内的随机反射增加了光在吸收层的作用时间和距离，提高了薄膜太阳能电池的光电转换效率.

关键词：太阳能电池；光栅；时域有限差分法；吸收层；碲化镉

0引言

可持续发展是21世纪人类面临的一个重大问题.新型的可再生能源，如太阳能、风能、水电等清洁能源越来越受到人们的青睐.太阳能不释放任何对大气有害的气体，是一种清洁能源[1].在可再生能源的研究中，太阳能电池是一个非常重要的研究领域[2].有关数据显示：预计到2025 年，光伏能源将占人类总能源的22%左右，到21世纪中期，太阳能发电将达到能源市场的30%以上[3].

目前太阳能电池光电转换效率不高主要是由于光子流失.造成光子流失的主要原因有：①吸收层的材料对光的吸收率小；②吸收层本身的结构不利于光电转换[4].对于第一个原因，应尽量减少光在入射面的反射，同时提高光子的主动吸收能力[5]，可选用光电转换效率高的材料.提高效率，降低成本一直是光伏(PV)材料的研究重点[6].薄膜太阳电池的研究及其应用是当今光伏领域的热点，碲化镉(CdTe)薄膜是一种发展较快的太阳能电池吸收层材料[7].碲化镉材料制成的太阳能电池具有直接能隙，其能隙值为1.45 eV，正好位于理想太阳能电池的能隙范围内，并具有很高的吸光系数，成为可以获得高效率理想太阳能电池的材料之一[8].CdTe易沉积成大面积的薄膜，并且CdTe薄膜太阳能电池的制造成本较低，已成为美、德、日、意等国研发的主要对象[9].

针对第二个问题可以设计出具有高吸收率的太阳能电池吸收层结构.太阳能电池总的吸收效率等于各层吸收效率之和[10]，笔者主要对吸收层结构进行优化设计.近年来，在太阳能电池中加入光栅结构来提高吸收率成为一个非常热门的话题，光栅结构可以提高太阳能电池的吸收效率[11].通过设计矩形光栅型结构，利用时域有限差分法，计算吸收层的吸收率.然后进一步在矩形光栅结构的基础上优化填充比和碲化镉介质厚度，设计双填充比光栅的吸收层结构，探究其对吸收率的影响.

1吸收层模型的FDTD法分析

吸收层主要采用碲化镉材料，碲化镉是一种化合物半导体，属于Ⅱ-Ⅵ族化合物，性能稳定，是直接带隙半导体，光吸收强，其禁带宽度与地面太阳光谱有很好的匹配，最适合于光电能量转换，所以具有更高的光电转换效率.碲化镉材料的折射率与入射波长成非线性关系，图1为碲化镉材料在250～1 000 nm对应的色散关系曲线，这里采用其复折射率，n为折射率实部，k为折射率虚部.

图2为二维的沿x方向无限延伸的矩形光栅结构，模型的背景介质为空气，即上部和下部均为空气层，中间层为矩形光栅结构，光栅的厚度为h，光入射角为θ，光栅的周期为T，填充比为f，即在一个晶格周期内碲化镉介质的宽度为f×T.笔者研究在TE和TM偏振分量光垂直(θ=0)入射条件下得到的结果.

图1　碲化镉材料的折射率实部n和虚部k

图2　矩形光栅结构吸收层

时域有限差分法是把Maxwell 旋度方程在时间和空间领域上进行差分化，将电磁场进行空间和时间上的离散化，得到电磁场演化的迭代方程组，实现在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩[12].通过计算电场以及磁场随时间的变化情况，进而得出空间电磁场的时间演化过程.利用时域有限差分法对该模型进行数值计算，Maxwell旋度方程为

(1)

式中：ε为介电常数；μ为磁导系数.对方程组(1)进行归一化处理，得到

(2)

在各向同性介质中,式中：ε=ε0εr;μ=μ0μr.

FDTD方法是一种研究电磁场问题的时域数值方法,它在解决复杂外形、非均匀介质、时域、宽带散射和辐射系统的电磁问题时具有独特的优越性[13].用差分代替微分作为根本出发点，根据Yee氏网格中各个场量的分配直接将麦克斯韦旋度方程转化成差分方程组，在空间和时间上完成电磁场问题的离散.笔者在不同的边界区域上运用电磁场边界条件，求解TE和TM偏振分量下的吸收层吸收效率.

2实验模拟及分析

2.1平板型与矩形光栅型结构吸收率对比

相对于平板型结构来说，把吸收层雕刻成矩形光栅结构，使得太阳能电池与光的接触面积增大，并且光在电池内部经过多次反射，以增加光路长度；同时产生的衍射效应使电池表面反射减弱，从而增加吸收率[14].

实验模拟的矩形光栅周期T=400 nm，碲化镉介质厚度h=300 nm，填充因子f=0.7.图3为光垂直入射时，在碲化镉介质厚度相同的情况下，平板型结构和矩形光栅结构随波长变化的吸收率曲线.从图3中可以看出，在250～1 000 nm波长范围内，平板型结构在TE模式和TM模式下的吸收率曲线基本重合，在TE模式和TM模式下矩形光栅结构的平均吸收率整体上都高于平板型结构的吸收率，其中在TE模式下平均高出约5%，TM模式下平均高出约10%.

2.2填充比对矩形光栅结构的影响

矩形光栅的填充比对吸收层的吸收效率有很大的影响.光栅槽宽度不同,结构表面附近的电磁场强分布会有显著的变化[15].图4为矩形光栅周期T=400 nm，厚度h=300 nm时,TE和TM模式下不同填充比的平均吸收率变化曲线.

从图4可以看出，随着填充比增加，矩形光栅结构的吸收率在TE模式和TM模式下呈先升高，后稍有下降的趋势.在填充比为0.7时，两种模式下吸收率基本相同，约为75%；在TE模式下，填充比为0.6时,最大平均吸收率为76.71%；在TM模式下，填充比为0.8时,最大平均吸收率为75.69%.由以上分析可知，矩形光栅的吸收效率不仅与介质材料有关，填充比f也是一个重要的影响因素.综合填充比对矩形光栅平均吸收效率的影响，可以设计出平均吸收效率在整个波段范围内较高的吸收层结构.

图3　平板型和矩形光栅结构的吸收率对比图

图4　不同填充比平均吸收率曲线(h=300 nm)

2.3双填充比矩形光栅设计与优化

基于对矩形光栅填充比的研究，设计了具有双填充比的矩形光栅吸收层结构.这里吸收层的填充比选取f1=0.6和f2=0.8.在介质厚度h=300 nm，光栅周期T=400 nm，填充比为0.6时，在TE模式下有最大的平均吸收率；填充比为0.8时，在TM模式下有最大的平均吸收率.在每个光栅单元内，选取光栅的填充比0.6和0.8交错排列，如图5所示，其中f1=0.6，f2=0.8.这样综合了填充比为0.6和0.8时的吸收率优势，提高了TE模式和TM模式下在250～1 000 nm范围内整个波段的平均吸收率.图6为在碲化镉厚度h=300 nm时，双填充比结构与填充比为0.6和0.8时在TE模式和TM模式下的吸收率对比图.从图6可以看出，双填充比结构显著提高了在短波长范围内的吸收率，在中长波段双填充比结构的吸收率在部分波长范围内虽稍低于单填充比结构的吸收率，但总体来看，双填充比结构的平均吸收率高于单填充比结构的吸收率.

计算碲化镉厚度h=300 nm时，在250～1 000 nm波长范围内的平均吸收率，可以得到双填充比结构的平均吸收率在两种模式下相对于平板型和单填充比光栅结构均有所提高.双填充比结构的设计使得在TE模式下的平均吸收率达到75.41%，在TM模式下的平均吸率达到78.92%，且在TE模式下最高可达到92.58%，在TM模式下最高可达93.53%.

图5　双填充比矩形光栅结构(f1=0.6，f2=0.8)

图6　单填充比和双填充比矩形光栅结构吸收率

除了填充比以外，矩形光栅的厚度也会对吸收率有影响.图7所示为碲化镉厚度h从50～1 000 nm对应的TE和TM模式下双填充比矩形光栅结构的平均吸收率曲线.

图7　不同厚度的双填充比光栅的平均吸收率

从图7中可看出，随着矩形光栅的厚度从50 nm增加到300 nm，在TE模式和TM模式下，平均吸收率随着厚度的增加显著提高，在厚度为200 nm时，两种模式下的吸收率基本重合，在250～1 000 nm的平均吸收率可达到72.49%；当矩形光栅的厚度大于300 nm时，在TE模式和TM模式下平均吸收率虽有增加，但增加的趋势变缓，总体来看仍是厚度越大，平均吸收率越高.两种模式相比，在厚度大于200 nm时，TM模式下的平均吸收率要大于TE模式下的平均吸收率.综上分析，双填充比f1=0.6、f2=0.8对应的矩形光栅结构的吸收率随着光栅厚度的增加而增加，但在厚度大于300 nm时，平均吸收率的增加幅度越来越小，约高出10%.

3结论

笔者设计了一种新型的双填充比矩形光栅吸收层结构，该结构是基于碲化镉作为光栅的填充材料.碲化镉材料的使用增加了太阳能电池在长波长范围内的吸收效率.通过时域有限差分法分析了双填充比矩形光栅结构的吸收率，在填充比为0.6,0.8依次重复排列的矩形光栅结构中，当厚度均为200 nm时，在TE模式和TM模式下的平均吸收率均可达到72%以上，最高可达90%以上.在此基础上通过对光栅厚度的模拟与分析，发现厚度小于300 nm时，随着厚度增加，两种模式下的平均吸收率均有显著提高；厚度300 nm以上时，随着厚度增加，两种模式下的平均吸收率增加缓慢，TE模式下平均吸收率接近80%，TM模式下平均吸收率接近90%。光栅结构和平板型结构相比，由于光子在吸收层内的多次反射和散射[16]，增加了作用时间和距离，有效增强了光场强度，提高了太阳能电池的吸收效率.该研究结果为制备高效率太阳能电池吸收层结构提供了参考依据.

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Structural Design of Absorption Layer in CdTe Solar Cells Based on Grating Structure

SUN Xiaohong, ZHANG Lin, LI Wenyang, GUO Minqiang

(School of Information Engineering, Henan Key Laboratory of Laser and Opto-electric Information Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:A thin-film solar cell with a grating of double filling ratios in the layer was designed.The structure of double filling ratios is to increase the absorption in the CdTe thin-film layer.By applying FDTD method，the absorption efficiency in the range of 250～1 000 nm has been analyzed for CdTe layer with rectangular and rectangular with double filling ratios grating.The results show that the absorption efficiency of the single filling ratio and double filling ratios grating structures can be improved relative to the flat absorption layer. The average absorption rate of double filling ratios grating increased by at least 10% over non patterned in the range of almost all visible spectrum.The results indicate that,by designing the structure,random reflection photonic in grating increases the effect of time and distance in the light absorption layer,and finally improves the photo electric conversion efficiency of the thin-film solar cell.

Key words:solar cells; grating, FDTD(finite-difference time-domain); absorption layer; CdTe

中图分类号：O431

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201505039

作者简介:孙晓红(1970—),女，河南郑州人，郑州大学教授，博士，主要从事光通信研究，E-mail:iexhsun@zzu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11104251)

收稿日期:2015-05-26；

修订日期：2015-08-01

文章编号:1671-6833(2016)02-0092-05

引用本文:孙晓红，张琳，李文阳，等.基于光栅结构的碲化镉太阳能电池吸收层设计[J].郑州大学学报(工学版)，2016,37(2)：92-96.