CN104576839A - 一种高效薄膜太阳能光伏板的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带高效薄膜太阳能光伏板的设计方法，通过设计建立单个周期的双光栅薄膜太阳能光伏板模型，然后将此模型周期排列得到薄膜太阳能光伏板整体模型，使得太阳能光伏板在350-1400nm这一带宽内均有良好的吸收效率。根据时域有限差分方法分析模型中吸收层和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅的沟槽宽度对光吸收效率的影响，通过调节吸收层和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅的沟槽宽度来提高此双光栅周期薄膜太阳能光伏板的光吸收和转换效率。本发明可应用于太阳能电池光伏板的设计。
Description
技术领域
本发明属于纳米光学领域，具体涉及一种薄膜太阳能光伏板的设计技术。
背景技术
近年来,环境污染和能源衰竭等问题与全球经济发展之间的矛盾越来越突出，太阳能作为一种可再生的绿色能源有着其它能源不可比拟的优势。目前，单晶硅太阳能电池占市场主流，厚度一般在180-300 ，虽然其转化效率较高，但是单晶硅的提炼和制备过程成本较高，且造成环境污染。因此拥有低成本制备过程的薄膜太阳能电池，渐渐引起了人们的兴趣。然而薄膜太阳能电池的吸收带宽窄并且吸收效率较低。因此，通过对薄膜太阳能电池结构的合理设计来提高对太阳光的吸收效率显得尤为重要。
期刊光电子技术第33卷第3期“基于一维光栅吸收层的太阳能电池”通过将薄膜太阳能电池的氢化非晶硅吸收层雕刻成一维光栅结构，来增加氢化非晶硅吸收层对太阳光的捕获能力，制作工艺复杂，能耗大，吸收带宽窄只有300-700nm，并且吸收功率相对较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带高效薄膜太阳能光伏板的设计方法, 大大提高薄膜太阳能电池光吸收带宽及效率。
为了解决以上技术问题，本发明设计建立一种带有双光栅结构的周期薄膜太阳能光伏板结构，并通过调节模型中吸收层光栅的沟槽深度和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅的沟槽宽度进一步提高薄膜太阳能电池光吸收效率，具体设计方案如下：
步骤一，设计单个周期的带有双光栅结构的矩形薄膜太阳能光伏板；矩形太阳能光伏板长为L、宽为H，位于太阳能光伏板最上侧的是长为L宽为d1的透明导电抗反射膜（1）；位于太阳能光伏板最底边的是长为L、宽为d4的基底（4）；位于透明导电抗反射膜（1）和基底（4）中间的是相互叠加的长为L、宽为d2、沟槽深度为g、沟槽宽度为w的吸收层光栅（2）和长为L、宽为d3、沟槽深度为h、凸起宽度为w的金属层光栅（3）；各参数的取值为L=150nm，H=320nm,d1=70nm,d2=100nm,d3=100nm，d4=50nm，g、h、w为可调节的变量；透明导电抗反射膜（1）、吸收部件（2）、金属光栅（3）和基底（3）的布置沿长度方向左右对齐；步骤二，将单个周期的带有双光栅结构的薄膜太阳能光伏板周期排列，得到薄膜太阳能光伏板的整体结构；步骤三，通过调节吸收层和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅沟槽宽度来调节和控制薄膜太阳能光伏板的光吸收效率。
所述步骤一具体为：透明导电抗反射膜（1）材料为铟锡氧化物ITO；吸收层光栅（2）的材料优选非晶硅A-Si，且吸收层光栅上侧沟槽内的材料由铟锡氧化物（ITO）填充；金属层光栅（3）材料为金银铜中的任一种，优选材料为银；基底（4）材料为二氧化硅、不锈钢和聚合物中的任一种，优选材料为二氧化硅SiO2。
所述步骤二具体为：将单个周期的带有双光栅结构的矩形薄膜太阳能光伏板结构周期排列，得到薄膜太阳能光伏板的整体结构，用时域有限差分算法仿真得到薄膜太阳能光伏板的光吸收效率。
所述步骤三具体为：通过调节吸收层和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅沟槽宽度来调节和控制薄膜太阳能光伏板的光吸收效率时，其余参数均保持不变。
所述吸收层光栅沟槽深度优选取值范围为0nm—75nm；金属层光栅沟槽深度优选取值范围为0nm—75nm；吸收层光栅和金属层光栅的沟槽宽度优选取值范围为30nm—70nm；
本发明具有有益效果。本发明设计一种周期薄膜太阳能光伏板模型，在薄膜太阳能光伏板模型中使用吸收层光栅和金属层光栅相互叠加的双光栅结构，提高薄膜光伏板的光吸收带宽和效率；并且依靠调节吸收层光栅的沟槽深度和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅的沟槽宽度，进一步提高薄膜太阳能光伏板的光吸收效率。
附图说明
图1为单个周期的带有双光栅结构的薄膜太阳能光伏板结构；
图2为薄膜太阳能光伏板整体结构；
图3为吸收层光栅沟槽深度对薄膜太阳能光伏板光吸收效率的影响；
图4为金属层光栅沟槽深度对薄膜太阳能光伏板光吸收效率的影响；
图5为吸收层光栅沟槽宽度对薄膜太阳能光伏板光吸收效率的影响；
图6 吸收层光栅沟槽深度对薄膜太阳能光伏板平均吸收效率的影响；
图7 金属层光栅沟槽深度对薄膜太阳能光伏板平均吸收效率的影响；
图8吸收层光栅沟槽宽度对薄膜太阳能光伏板平均吸收效率的影响；
图中：1 透明导电抗反射膜，2 吸收层光栅，3 金属层光栅，3 基底。
具体实施方式
下面结合附图和附表对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，单个周期的薄膜太阳能光伏板的基本设计流程如下：建立长为150nm，宽为320nm的矩形太阳能光伏板。在矩形太阳能光伏板最上侧添加长为150nm，宽为70nm的透明导电抗反射膜1；在矩形太阳能光伏板最底边添加长为150nm，宽为50nm的基底4；在透明导电抗反射膜1和基底4中间添加相互叠加的长为150nm、宽为100nm、沟槽深度为g、沟槽宽度为w的吸收层光栅2和长为150nm、宽为100nm、沟槽深度为h、凸起宽度为w的金属层光栅3，对于吸收层光栅上侧沟槽内的材料由铟锡氧化物（ITO）填充，添加吸收层光栅时g分别为25nnm、50nm、75nm, 添加金属层光栅时h分别为25nnm、50nm、75nm,添加双光栅时W分别为30nm、50nm、70nm 。
如图2所示，将单个周期的薄膜太阳能光伏板周期排列，得到薄膜太阳能光伏板的整体结构。
如图3所示，计算的是固定吸收层光栅沟槽宽度w=50nm，金属层光栅沟槽深度h=50nm，吸收层光栅沟槽深度g分别为0、25、50和75nm(g=0nm时相当于薄膜太阳能光伏板结构中只有金属层光栅而没有吸收层光栅)时薄膜太阳能光伏板光吸收效率光谱图。结合图3和图6可以看出增加吸收层光栅后虽然依旧保持五个吸收共振峰不变，但是平均吸收效率有所增加。这是由于吸收层光栅的存在，使电池表面与太阳光的接触面积增大；光在电池内部经过多次反射，反射光的光子偏移再次撞击到物体时，物体的反射率会下降，同时没有被吸收的光可以再次返回电池层进行二次吸收，光子在内部的运动路径变长；另外，当入射光垂直入射到电磁表面时，产生衍射效应，使得光伏板表面反射减弱，从而吸收率增加。结合图6可以看出当g从25nm增加到50nm时，平均吸收效率从78.8%增加到81.0%，但当g达到75nm时，在700nm-1000nm这一波段光伏板对光的吸收率有所下降，且光伏板对光的平均吸收效率也下降到77.9%。可见通过调节吸收层光栅沟槽深度能够控制薄膜太阳能光伏板对光的吸收效率。
如图4所示，计算的是固定吸收层光栅沟槽宽度w=50nm，吸收层光栅沟槽深度h=50nm，金属层光栅沟槽深度h分别为0、25、50和75nm (g=0nm时相当于薄膜太阳能光伏板结构中只有金属层光栅而没有吸收层光栅) 时薄膜太阳能光伏板光吸收效率光谱图。从图4中可以看出在没有金属层光栅的情况下，整个计算波段范围内只有三个吸收共振峰，平均吸收效率只有58.1%，整体的吸光效果很不理想，尤其是在800nm之后的波段。这是因为吸收层材料只能吸收短波长的光而对长波长的光没有很好地吸收效果。但增加金属层光栅后周期薄膜太阳能光伏板在350nm-1400nm这个波段均有很好的吸收效率，平均吸收效率达到76%以上，且各别波段的吸收率达到95%以上甚至100%。这是因为当入射光照射到有金属膜结构的太阳能光伏板上时，在金属膜和介质界面上产生表面等离子体共振，形成表面等离子体极化激元（SPP）模，其沿金属和半导体界面传播，SPP的场分布在金属和半导体中成指数衰减并且在界面上是高度局域的，因此SPP能在半导体吸收层有效的陷光和导光，从而增加了薄膜太阳能光伏板的吸光效率。并且耦合进SPP模的光随着光波长的增加而增加，因此加入金属光栅的薄膜太阳能光伏板能够很好地吸收长波段范围的光。结合图4和图7可以看出随着h从0nm增加到50nm，吸收共振峰的数量从3个增加到5个，并且平均吸收效率从58.1%增加到81.0%。但是当h增大到75nm时，平均吸光效率变小且吸收共振峰变短。并且随着h的不断增加电池的吸光范围逐渐向长波段移动，甚至达到近红外线波段，很好的增加了吸收带宽。
如图5所示，计算的是固定吸收层光栅沟槽深度g=50nm，金属层光栅沟槽深度h=50nm,吸收层光栅沟槽宽度w分别为30、50和70nm时薄膜太阳能光伏板光吸收效率光谱图。从图5中可以看出，在短波段，随着光栅沟槽宽度的增加光伏板对光的吸收效率也随之增加，并且随着光栅宽度的逐渐增加吸收共振峰的个数也不断增加。在500nm以后的中长波段吸收共振峰不断发生红移现象，长波段的吸光效率不断增加。结合图8可以看出光伏板对光的平均吸收效率随光栅沟槽宽度的增加而增加，但是当宽度增加到一定时吸收效率就会变小。
Claims (5)
1.一种宽带高效薄膜太阳能光伏板的设计方法，其特征在于包括以下几个步骤：
步骤一，设计单个周期的带有双光栅结构的矩形薄膜太阳能光伏板；矩形太阳能光伏板长为L、宽为H，位于太阳能光伏板最上侧的是长为L，宽为d1的透明导电抗反射膜（1）；位于太阳能光伏板最底边的是长为L、宽为d4的基底（4）；位于透明导电抗反射膜（1）和基底（4）中间的是相互叠加的长为L、宽为d2、沟槽深度为g、沟槽宽度为w的吸收层光栅（2）和长为L、宽为d3、沟槽深度为h、凸起宽度为w的金属层光栅（3）；各参数的取值为L=150nm，H=320nm,d1=70nm,d2=100nm,d3=100nm，d4=50nm，g、h、w为可调节的变量；透明导电抗反射膜（1）、吸收部件（2）、金属光栅（3）和基底（3）的布置沿长度方向左右对齐；
步骤二，将单个周期的带有双光栅结构的薄膜太阳能光伏板周期排列，得到薄膜太阳能光伏板的整体结构；
步骤三，通过调节吸收层和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅沟槽宽度来调节和控制薄膜太阳能光伏板的光吸收效率。
2.一种如权利要求1所述的宽带高效薄膜太阳能光伏板的设计方法，其特征在于所述步骤一具体为：透明导电抗反射膜（1）材料为铟锡氧化物ITO；吸收层光栅（2）的材料优选非晶硅A-Si，且吸收层光栅上侧沟槽内的材料由铟锡氧化物（ITO）填充；金属层光栅（3）材料为金银铜中的任一种，优选材料为银；基底（4）材料为二氧化硅、不锈钢和聚合物中的任一种，优选材料为二氧化硅SiO2。
3.一种如权利要求1所述的宽带高效薄膜太阳能光伏板的设计方法，其特征在于所述步骤二具体为：将单个周期的带有双光栅结构的矩形薄膜太阳能光伏板结构周期排列，得到薄膜太阳能光伏板的整体结构，用时域有限差分算法仿真得到薄膜太阳能光伏板的光吸收效率。
4.一种如权利要求1所述的高效薄膜太阳能光伏板的设计方法，其特征在于所述步骤三具体为：通过调节吸收层和金属层光栅的沟槽深度以及吸收层光栅沟槽宽度来调节和控制薄膜太阳能光伏板的光吸收效率时，其余参数均保持不变。
5.一种如权利要求1所述的宽带高效薄膜太阳能光伏板的设计方法，其特征在于所述吸收层光栅沟槽深度优选取值范围为0nm—75nm；金属层光栅沟槽深度优选取值范围为0nm—75nm；吸收层光栅和金属层光栅的沟槽宽度优选取值范围为30nm—70nm。
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