没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
采用时域有限差分法(FDTD)对硅基太阳能电池表面抛物锥阵列微结构的反射特性进行研究,分析了抛物锥阵列的高度、底面占空比、周期等参数对其抗反射性能的影响。研究表明,反射率随底面占空比、高度的增大而减小。在锥高600 nm 且抛物锥底面直径等于周期的情况下,锥底面直径分别取128,160,213,256,320 nm 时,微结构在硅的响应光谱300~1200 nm 内均能获得低于3%的反射率;在此基础上提出一种大、小抛物锥相切排列的新型复合结构,将硅的响应光谱波段内的反射率进一步降低至1%以下,为硅基太阳能电池抗反射表面的设计提供了一种新的思路。
资源推荐
资源详情
资源评论
第 42 卷 第 8 期
2015 年 8 月
Vol. 42, No. 8
August, 2015
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0808004-
光伏电池表面抛物锥阵列微结构的反射特性研究
高永锋
1
赵琼华
1
许孝芳
1
任乃飞
1
周 明
2
张丁月
1
1
江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2
清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
摘要 采用时域有限差分法(FDTD)对 硅基太 阳能电 池表面抛物锥阵列微结构的反射特性进行研究,分析了抛物锥
阵列 的高度、底面占 空比、周期等参 数对其抗反 射性能的影 响。研究 表明,反射率随 底面占空比 、高 度的增大而 减
小。在锥高 600 nm 且抛物锥底面直径等于周期的情况下,锥底面直径分别取 128,160,213,256,320 nm 时,微结构
在硅的响应 光谱 300~1200 nm 内均能获得低于 3%的反 射率;在此基础上 提出一种大、小抛 物锥相切排列的新型复
合结构,将硅的响应光谱波段内的反射率进一步降低至 1%以下,为硅基太阳能电池抗反射表面的设计提供了一种
新的思路。
关键词 衍射; 抗反射; 时域有限差分法; 抛物锥; 太阳能电池
中图分类号 O436 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201542.0808004
Research on Reflection Properties of Silicon Based Solar Cells with
Parabolic Cone Array Structure
Gao Yongfeng
1
Zhao Qionghua
1
Xu Xiaofang
1
Ren Naifei
1
Zhou Ming
2
Zhang Dingyue
1
1
College of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China
2
State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract The anti-reflection properties of silicon based solar cell with parabolic cone array structure is studied.
The parameters of structure that influence the anti-reflection performance, such as the height of parabolic cone
array, the period and the duty factor, are analyzed by using of the finite- difference time- domain method. The
analysis shows that the reflectivity tends to reduce as the height and duty factor of structure increase. According
to the simulation result, less than 3% reflectivity can be achieved in the whole response spectrum of silicon solar
cell (wavelength from 300 nm to 1200 nm) for 5 groups of parameters, i.e. the base diameter of parabolic cone is
128, 160, 213, 256, 320 nm respectively, with the array’s height of 600 nm and the period of array equal to the base
diameter. A novel composite structure based on parabolic cone is also proposed, which reduces the reflectivity to
1%. It provides a novel design approach for the anti-reflective surface of silicon-based solar cells.
Key words diffraction; anti-reflection; finite- difference time-domain; parabolic cone; solar cell
OCIS codes 050.6624; 120.5700; 050.1940
收稿日期: 2015-03-09; 收到修改稿日期: 2015-04-13
基金 项目: 国家 973 计划(2011CB013004)、江苏省高校自然科学研究项目(13KJB460004,13KJB510006)、江苏省光子制造科
学与技术 重 点 实 验 室 开 放基金项目(GZ200907)、江苏大学高级人才基金 项 目 (14JDG073)、江 苏 大 学 大学生实践创新训练项目
(201410299097W,201510299188W)
作者简介: 赵琼华(1980—),女,硕士研究生,主要从事太阳能电池减反射方面的研究。E-mail: maggie_littlefish@hotmail.com
导师简介: 高永锋(1969—),男,博士,副教授,主要从事光子晶体、光通信器件设计与制备技术、飞秒激光微纳加工和激光
测粒等方面的研究。E-mail: absgyf69@163.com(通信联系人)
1 引 言
光学损 失是影响太 阳能电 池转换效率的关键 因素之 一。目前硅 基太阳 能电池在光 伏市场 占据着主导
地位
[1]
,但其基底材料硅的折射率较高,随波长不同在 3.5~6.5 之间变化,光照射至硅平面时反射率高达 30%
1
中 国 激 光
0808004-
以上,造成光能的大量损失,因此如 何降低 电池表 面的反射率是目前亟待解决的问题。 传统的 方法为 在电
池表面制备一层或多层减反薄膜,但其适用的波段范围较狭窄,并且由于不同材料的引入而存在附着力差、
不稳定等弊端。在基体表面织构二维亚波长微结构的方法可以有效避免以上问题,而且能够实现宽波段内
减反,引起了国内外学者广泛的关注。
对多种 不同类型结 构的反 射性能研究 相继被 报道,Motamedi 等
[2]
研究了 二维方柱型 光栅在 红外波段的
抗反射特性;Li 等
[3]
对硅表面圆柱型周期阵列结构进行了模拟研究,当圆柱高度 H=5000 nm 时可见光波段反
射率低于 4%;Ting 等
[4]
比较了硅表面圆锥、金字塔型结构在可见光范围内的减反性能;斯坦福大学的 Zhu 等
[5-6]
对纳米锥、纳米线降低反射以及增强吸收的性能做了一系列研究工作;梁磊
[7]
等用化学腐蚀法制备了纳米线
阵列,在 400~700 nm 波 段内反射率 低于 5%;纳 米孔、凹槽等结构 也被证实具 有类似 的陷光作用
[8-11]
。Boden
和 Bagnall
[12]
提出微结构的轮廓对其反射性能以及适用的减反波段起着决定作用,硅基太阳能电池的响应光
谱为 350~1150 nm
[13]
,因此有必要探索其对应的最佳结构轮廓及最优参数。王翔等
[14]
在 300~1200 nm 波段内
对比分析了等截面和渐变截面两大类结构的抗反射特性,发现截面呈梯度变化的微纳米结构具有更好的减
反性能,这对硅基太阳能电池抗反射表面的设计具有指导意义。
本文研 究了抛 物锥阵列结构在硅的响应 光谱区 间内的 反射特性,该 结构截面面积大小 逐渐变 化,其等
效折射 率从锥 体顶端到底部呈近似线性 变化。 利用时 域有限差分法(FDTD)分析了底面占空 比、周期、高度
等结构参数 对反射率的影响,得到在 300~1200 nm 波长范围内反射率均低于 3%的五组参数;并在 此基础上
提出了一种大尺寸抛物锥和小尺寸抛物锥相切排列的新型复合结构,此种结构有助于解决正方排列时圆形
底部之间存在间隙的问 题,将反射率进一步降 低至 1%。同时 ,抛物锥阵列的 结构高 度仅为 600 nm,有利于
减小电池厚度、节约成本。
2 抛物锥阵列结构抗反射性能的 FDTD 模拟
微结构模型采用抛物锥体(其轴截面曲线为抛物线),呈二维周期性正方排列,结构参数为周期 T、底面直径
D、高度 H,如图 1 所示。当微结构尺度达到亚波长量级时,标量衍射理论不再适用,必须使用矢量衍射理论或
等效介质理论
[15]
进行分析。时域有限差分法(FDTD)是矢量分析法中主要的一种,由 Yee 提出的元胞结构能使
整个空间域中随时间变化的电、磁场值都得到准确的求解,从而能够较为精准地描述电磁场的传播特性,因此
采用 FDTD 方法可对抛物锥阵列结构的抗反射性进行精确分析。在进行计算机仿真时,将 x-y 平面四周设置为
周期性边界条件(PBC),同时在 z 轴两端设置完美匹配层(PML)。在微结构阵列上方一定高度设置入射光源,并
在光源之后一定距离位置处设置监视器用以观察反射波的电磁场分布、坡印廷矢量以及功率等。
图 1 抛物锥阵列结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of parabolic cone array structure
2.1 底面占空比 D/T 对反射率的影响
利用等效介质理论可将抛物锥近似为多层膜,根据多层膜零反射所需满足的方程组
[16]
,可估算出抛物锥
阵 列 的 结 构 高 度 H=589 nm。 取 高 度 H=600 nm,周 期 T=320 nm,计 算 底 面 直 径 D 分 别 为 0.4T、0.6T、0.8T、
0.9T、T 时,光波垂直入射的反射率,结果如图 2 所示,反射率 R 随底面占空比 D/T 增大而显著下降,整个观察
波段内的最大反射率从 D/T=0.4 时的 27%降至 D/T=1.0 的 3%。
2
剩余7页未读,继续阅读
资源评论
weixin_38665804
- 粉丝: 11
- 资源: 942
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
最新资源
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功