纳米材料在太阳能电池的应用

能源安全利益起到至关重要的作用。 用于发电更倾向的是低成本的化 石能源而不是较高成本的可再生能源。为了使光伏系统更有吸引力， 则必须显著降低其成本。例如，根据美国能源部所说，百分之 80 到 90 的硅太阳能发电系统成本至少还需要降低 50%。 为了制造经济的光伏系统，吸收层厚度小于 5 微米的薄膜太阳 能电池已经被开发出来。例如制造在廉价碱石灰玻璃上的铜铟镓硒 （CIGS）太阳能电池已经达到 20.3％的转换功率。小尺寸电池的高 效率预示这低成本的薄膜太阳能电池可以与晶体硅太阳能电池在转 换效率上一较高低。 另一个例子是有领先技术在降低成本方面的碲化 镉（CdTe）太阳能电池，2011 年一个模块每生产 1watt 电的成本降 到 1 美元，单个效率提升 17％，模块效率提升 14％。超过十亿瓦特 规模的 CdTe 电池造就了一个商业的成功。然而，这些无机薄膜太阳 能电池具有局限性：铟（In）和碲（Te） ，这是 CIGS 和 CdTe 太阳 能电池组件， 无法提供足够的数量， 以支持全球快速增长的能源需求。 其他的薄膜电池已经从有机材料开发了。 以聚合物为基础的电池对廉 价制造生产很有帮助，因为他们可以在小于 200℃的的环境，经济柔 性的基板上制造。在过去的 5 年里。一聚合物为基础的太阳能电池的 效率已经从 5％提升到 10％。然而，显著改善效率仍然需要，有机太 阳能电池的长期耐久性仍是一个问题， 以保证稳定的电源转换效率超 过 20 年， 这是一个标准的光伏系统保修期。 利基(利基 （niche） （商业用语）
于 300μ m 的光。虽然纳米线的阵列是几何多孔的纳米线的光吸收截 面大于它的几何横截面，光的相互作用会抑制短波长的光的传播。光 吸收的差异在吸收超过 550nm 的光时变得更显著对稀疏和密集的纳 米线。长波长的光容易被限制在空旷的稀疏的纳米线间，但随着纳米 线的直径增加，限制空间穿插在闲置空间在纳米线间，增加吸收。计 算表明半径为 200-400nm 填充率 0.3-0.6 的硅纳米线有最高的光吸收 率。 Garnett 等人实验表明半径 390nm 比 530nm 的纳米线光程提高 73%。 他们还研究了粗糙因数（RF）和陷光效应之间的联系。RF 的定义是 几何划分的实际表面结构面积。从光电流的数据可以得到如下结论： RF 的增加会显著增加陷光效应，可能是由于有序的纳米阵列增强了 声子效应。
I 引言
人类社会面临的最重要的挑战之一是如何推动全球经济中呈 增长的时期，同时减少了温室气体的量，如二氧化碳的排放。能源安 全本身就是另一个主要的挑战： 少数几个国家占有了超过 80%的全球 石油和天然气储量， 但是大部分这些国家都位于远离主要能源消费大 国。相比之下，可再生能源例如太阳能和风能，在世界大多数的地方 可以较为容易得到。特别是，太阳能传送到地球每年 23 000 太瓦 （TW） ，比全世界每年所耗的能量 16TW 还要大 3 个数量级，这表 明， 光伏系统充满潜能并在应对气候变化带来的挑战以及提供重要的
������1 和������2 分别是两种介质的折射率。 由于空气 1.0 和玻璃 1.5 的折射率 的差异，标准透明玻璃反射约 4%的可见光（400-1200nm 波长） 。没有 任何减反射层的平坦晶体硅太阳能电池反射近 40%的 600nm 波长的光。 一种常见的降低反射率的方法是添加折射率在基板和空气之间的抗 反射涂层。传统的晶体硅太能电池就是������������������2 或������i3 ������4 沉形成的减反射 层。 该膜通过折射率介于中间的物质和破会干涉所需厚度条件两种方 法减少反射。然而，这种覆盖层只对特定频率和以一个固定的入射角 度的光有效。可由逐层沉积渐变折射率的方法来进一步减少反射。为 了一个理想渐变折射率的结构， 我们在纳米尺度的纹理结构进行研究 以找到合适的锥形结构。图一（a）所示为三种不同的非晶硅(a-Si:H) 的结构：平面结构，纳米线，纳米锥。有效的折射率逐渐改变从平面 结构到纳米线到纳米锥。渐变的折射率可以最小化反射[如例子一接 近零]， 纳米锥可以实现更高的光吸收率比其他结构如图一 b,c,所示。 尤其是吸收数据所绘制的函数图像证明了纳米结构在太阳能电池中 的重要性。 白天为了吸收尽可能多的光平面太阳能电池需要保持朝向 太阳，因为随着入射角从零偏移光的吸收率显著下降。然而，太阳能 跟踪装置会提高光伏系统的成本，因此，它通常应用于集中器件。这
种额外的开支可以通过纳米结构被节俭；当入射角从0。 增加到60。 的时候， 纳米锥结构仍可以保持 90%以上的吸收率， 但平面结构从 80% 跌到 50%。此外，纳米锥优异的减反射效果比传统的双层减反射涂层 要好 10 倍。从图一的 d 中可以看到，有 400nm 高的纳米锥阵列的 50 μ m 厚的硅基底比有双减反射层的 500μ m 厚的硅基有更高的吸收率。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（图一）
B.光子管理：光散射
材料内部的光散射是另一种光吸收改善的方法。材料的吸收系 数随着入射光的波长增加而呈指数减小：例如，在 400nm 波长的光入 射时 Si 的系数为 1.2× 105 ������������−1 ，二在 800nm 时，系数为 9.5× 102 ������������−1 ，为了在薄层材料内吸收大部分的光，光需要被散射 而尽可能的增加其在材料内部的光程，尤其是硅,相对于其他半导体 有一个较低的光吸收系数， 例如如砷化镓 （GaAs） 或锗 （Ge） ； 在 800nm 波长的光的时候，吸收系数分别为 1.3× 104 ������������−1 和 4.9× 104 ������������−1 。 因此，对常规的硅太阳能电池，不同的微观纹理结构的光散射已经被 研究。在这些结构中，随机纹理(a Lambertian structure)结构是已 知的最高效的;光程4������2 倍的增强，n 是媒质的折射率。这就是所谓的 Yablonovitch limit。最近，已经有研究表明纳米结构可以实现突破 Yablonovitch 限制。Lambertian 结构的粗糙度远大于光的波长，因 此 Yablonovitch limit 不适用于纳米结构的陷光效应。在本节中， 我们将回顾各种周期性的纳米结构纳米线，纳米孔，纳米锥，纳米顶 和纳米壳的陷光效应。 有序纳米阵列提供有效的入射光散射和共振以提高光吸收率。 吸收的提高取决于几个性质，如纳米线的长度，直径，填充率。热别 是长波长光的吸收率强烈的依赖于纳米线的直径： 直径超过百纳米的 硅纳米线比厚度与之长度相同的平板基底吸收更多的光， 但是较稀疏 的纳米线吸收较少的光。 因为填充率是固定的这种吸收差异应该由纳 米线的光学特性来解释。 稀疏和密集的纳米线都能吸收大部分波长短
（图三） 纳米尖端结构，如纳米锥或纳米尖端，也可以有效的散射入射
光进入基底。因为渐变的折射率有减反射效果，优更好的尖端纳米结 构可以有更好的效果，如等式（1）所述。然而，当吸收体的厚度减 小到几十微米， 尖端纳米结构不是最佳的太阳能薄膜的光吸收的选择。 Jeong 等人比较了具有不同纵横比（纳米锥的高与直径的比）的纳米 锥对光吸收的影响。在 500μ m 厚的硅基底，高纵横比的纳米锥有较 高的光电流【图 4（a）】。但对于一个 50μ m 厚的，纵横比接近 1 才会有最大的光电流产生【图 4（b）】。当基地的厚度降到 10μ m 的时候，趋势变得更加明显：随着纵横比从 4 变到 1，光吸收率降到 17%，明显的高于 50μ m 的 3%和 500μ m 的 1%。这个出人意料的结果 可以通过纳米锥的光散射效应解释： 纵横比接近 1 的纳米锥侧面积更 大。 这可由光传播通过有纳米锥的 50μ m 厚的基底不同纵横比的图像 来解释【图 4（d）】。
II. 方法论
光在材料内的吸收可以通过两种方法增加：表面的减反射，材 料内部的光散射。当材料足够厚单程就可以吸收大部分的光，前者会 对光的吸收起到主要的作用。然而，对一个较薄的材料要达到最大的 光吸收增强，两种效应都必须被考虑研究。
A.光子管理：减反射
光的反射系数，R，是由两种介质表面的折射率的差值引起，可以描 述为：
（图四） Ken 等人展示了进一步改善光吸收的双面光栅设计，在器基底 的正反面均有纳米锥结构。 如图 5 所示双面结构的吸收频谱非常接近 于 Yablonovitch 限制在吸收 300nm-1100nm 波长光。 只有顶部有锥形 结构的比只有底部有纳米锥的吸收短波长光（300-800nm）吸收效率 要高，而在长波长时前者要低于后者。因为基底厚度只有 2μ m，长 波长的光单程不能背吸收，因此，背面的纳米锥结构就可以将光散射 会材料内部。Ken 等人研究了最是周期当纳米锥在上下表面的时候， 要考虑两点：长周期会导致更多的共振从而提高吸收率，但是每个长 周期谐振模块可能会泄露更多光。综合考虑这两方面，最佳的周期是 接近目标光波长的长度。对于对于 Si，最佳的纳米锥周期是 1000nm 因为陷光效应主要在 800-1100nm 接近 Si 的带宽。 这个特性研究类似
硅太阳能电池的纳米光子运用 摘要
为降低吸收层的厚度， 光的吸收在光生伏打器件中变得非常关 键。为提高光的吸收，纳米光子的运用开始研究，因为传统方法是基 于微米级别的结构，不能使太阳能电池做的更薄。本文回顾了纳米光 子的运用在硅太阳能电池光吸收的最新进展。 根据在可使技术升级和 切实可行的纳米技术的发展，我们将对光的吸收率的提高进行讨论。 作者总结了光子运用方案的挑战和光陷超薄晶体硅太阳能电池的未 来发展。
长，光会从纳米孔的底部被反射导致低吸收率。直径与光波长接近， 2μ m 深的纳米孔，可以吸收 97.2%的入射光。另外，他们还研究了两 种纳米孔阵列的衍射图案光 （650nm 波长光） ： 1μ m 直径的纳米孔[图 3（b）]，另一个是 700nm 直径的纳米孔[图 3（c）]。当入射光通过 光栅衍射结构，有较大衍射角的表示更长的光路。从模拟和测量的数 据看，后者衍射角（模拟73。 ）比前者（47。 ）高。后者的衍射图案 强度低的多，因而图像 3（c）是在较暗的环境中设计的。以一个恰 当的设计，50nm 厚的非结晶硅纳米孔沉积在铝基底模板上可以实现 吸收 300-720nm 的光的 94%在 AM1.5 的光谱。
是指针对企业的优势细分出来的市场， 这个市场不大， 而且没有得到令人满意的服务)应用
的有机太阳能电池可能会出现， 但他们在整个光伏行业板块将不会显
著。由于硅太阳能电池没有薄膜电池的种种缺点。资源丰富没有使用 限制，没有毒性，使用稳定，可能将继续成为行业的主导。 单晶硅太阳能电池的最高转换效率是 25％， 接近理论值， 30％。 世界纪录最最高效的太阳能电池是有微米级别的倒金字塔覆盖在上 下表层作为减反射层。 这种结构会减少反射光同时大角度散射入射光， 但是需要的硅厚度仍然接近 300μ m。为了减小硅的厚度到 50%-95%， 需要更智慧的设计来提高光在薄层硅内的吸收。 传统用在结晶硅太阳 能电池上的纹理结构太大而不能用在薄硅层的器件上来实现。因此， 各种纳米尺度的光捕获方案被研究。另外，有效的光捕获需要我们使 用具有较高杂质成分的材料，这样就会降低成本。低质量的 材料具 有更短的载流子扩散长度， 说明该吸收层应该足够薄以有效的吸收光 生载流子。纳米级的光俘获需要较薄的低质量的硅层，不仅可以吸收 更多的光，而且还可以达到最少的光生载流子损失。超薄硅事实上是 关注于尽可能的提高阳光吸收率。 文章将回顾基于我们自己的工作的 硅太阳能电池纳米光子管理成果。我们将包括单晶，纳米晶和非晶 Si。
（图二） 作为纳米线的逆结构，硅纳米孔也被证明可以改善光吸收纳米 孔和纳米线有相同的光吸收特性： 光吸收率增加随着 Si 填充率下降， 或晶格常数的增加。 较低的填充率减小了折射率意味着空气和硅的折 射率较小的差距。同样，大的晶格常数意味着硅纳米结构材料内部的 波导因数增加。特别的，Leung 证明了当纳米孔的半径与光的波长相 同时会有最大的光吸收率，如图 3（a）所示。当纳米孔的直径远小 于波长，大部分光在表面会被反射。相反，当纳米孔的直径远大于波