提高薄膜太阳能电池光谱响应的光学结构设计

主要薄膜光伏电池技术及制备工艺介绍

主要薄膜光伏电池技术及制备工艺介绍技术及制备工艺介绍第一章薄膜光伏电池技术及进展概况简述一、全球要紧薄膜光伏电池技术简介图：薄膜光伏电池结构二、薄膜光伏电池进展概况（一）非晶硅薄膜电池的大规模应用堪忧中国有超过20 家非晶硅薄膜电池厂商，共约1.1GW 产能，其中800MW的转换效率为6%-7%，300MW 的转换效率高于8.5%，最高的转换效率能够达到9%-10%，生产成本为约0.8 美元/W。

假如非晶硅薄膜电池的转换效率为10％，组件的价格低于晶体硅电池的75％，才有竞争力。

随着今年晶硅电池成本的下降与转换效率的稳步提升，2010 年7月，美国应用材料公司(Applied Materials)宣布，停止向新客户销售其SunFab 系列整套非晶硅薄膜技术。

8 月，无锡尚德叫停旗下的非晶硅薄膜太阳能组件生产线的业务。

非晶硅薄膜电池要继续扩张市场份额，还需要突破其转换率低与衰减性等问题，建立市场信心。

另外，非晶硅薄膜电池在半透明BIPV 玻璃幕领域具有相对优势，但目前BIPV 仍面临透光度与转换效率的两难逆境，大规模应用尚未推行，非晶硅薄膜电池前景堪忧。

（二）CdTe薄膜电池难以成为国内企业的进展重点CdTd 薄膜电池方面，美国First Solar 一枝独秀。

First Solar 组件效率已达11％，成本降低到0.76 美元/W，在所有太阳电池中成本最低。

First Solar 今年产能约1.4GW,估计2011、2012 年分别达到2.1GW 、2.7GW。

在电池制造技术与装备制造，市场份额与规模效应方面，FirstSolar 已经占据了绝对优势，国内企业难以有较大进展，目前国内介入CdTe 电池的企业仅三家，且均未实现大规模量产。

另一方面，碲属于稀有元素，在地壳里仅占1x10-6 。

已探明储量14.9 万吨，该技术的未来进展空间受限。

估计CdTe 技术不可能成为我国企业进展薄膜电池的要紧方向。

直流反应磁控溅射法制备二氧化钛薄膜的光响应

直流反应磁控溅射法制备二氧化钛薄膜的光响应1简介二氧化钛（TiO2）是一种广泛应用于太阳能电池、光催化和水处理等领域的半导体材料。

为了提高其性能，制备高质量的TiO2薄膜是重要的研究方向之一。

直流反应磁控溅射法（DC Reactive Magnetron Sputtering）是一种制备高质量TiO2薄膜的有效方法。

本文将重点介绍二氧化钛薄膜使用该方法制备后的光响应性能。

2直流反应磁控溅射法制备二氧化钛薄膜直流反应磁控溅射法是一种常见的化学气相沉积方法，能够生长具有高结晶度、低缺陷密度和优异光学性能的TiO2薄膜。

其制备过程中，较稳定的Ti目标与氧气混合气体在反应腔室内相互作用，形成一层致密的TiO2薄膜。

通常，在300至400°C的温度下进行制备。

通过改变反应气氛中的含氧量和反应温度等条件，可以控制TiO2薄膜的结构和光学性能。

3二氧化钛薄膜的光响应性能二氧化钛薄膜在光学和光电学领域中具有广泛的应用。

在制备的二氧化钛薄膜中，晶体的晶格常数、晶体结构和晶体缺陷对其光学性能影响显著。

TiO2薄膜中纤锌矿型与金红石型之间的转变会影响其吸收能力和能带结构，因此会进一步影响薄膜的光电性能。

经过实验观察发现，通过直流反应磁控溅射法制备的TiO2薄膜具有良好的光响应性能。

在紫外可见光谱和X射线衍射图样分析中，可以明显观察到样品具有非常强的吸收能力，证明了制备出的薄膜具有良好的电导性和阳极化单元。

4结论综上所述，直流反应磁控溅射法是制备Titanium dioxide（TiO2）薄膜的一种有效方法。

经过该方法制备的TiO2薄膜具有良好的光响应性能。

未来的研究可以针对制备方法进行深入研究，以进一步提升TiO2薄膜的性能。

太阳能电池之抗反射膜优化设计

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近年來太陽電池抗反射膜優化設計已逐漸被發展。 •在中原大學的研究中。 •使用Film Star光學薄膜模擬軟體。 •模擬Si3N4單層抗反射膜，針對設計波長 580nm，掃描300~900nm波長範圍。 •模擬結果反射率都在20%以下。
5
•模擬雙層抗反射膜(TiO2/SiO2) 。 •針對設計波長420nm，掃描300~900nm波長。 •模擬結果反射率都在10%以下。
2
•模擬結果顯示，ㄧ層的抗反射膜設計為 Air|0.2828L|矽基板，全區域平均反射率值8.01% •二層的抗反射膜設計為Air|0.2475L 0.2273H|矽基板，全區域平均反射率值 4.595% •三層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。
3
Hale Waihona Puke 1. 簡介•太陽電池表面的反射率大小是決定轉換效率的重要關鍵。 •所以必須要用抗反射膜來增加入射光在太陽電池表面的穿透率。
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•圖四所顯示的角度有0度、30度、60度，對應的平均反射率依序為4.595%、6.438%、 19.142%。
•三層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。
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圖三雙層抗反射膜優化設計
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圖四雙層抗反射膜優化設計的角移效應
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4.結論
太陽光譜中涵蓋範圍很廣，輻射能量主要集中在可見光區，其次是近紅外光區與 10μm附近的遠紅外光區，以及最少部分的紫外光區。
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5.REFERENCES
[1] 鄭竣謙，《雙層抗反射膜覆蓋三接面三一五族太陽電池之研究》,中原大學，碩士論文 [2] 林松荺，《抗反射膜於矽基薄膜太陽能電池之光學性質研究》，崑山科技大學 [3] 葉致仰，《寬波段廣角度抗反射膜設計之研究》，國立台灣大學電機資訊學院光電系工程研究所，碩士論文

一种增加光吸收的非晶硅薄膜太阳能电池的设计

一种增加光吸收的非晶硅薄膜太阳能电池的设计沈宏君;张瑞;卢辉东【摘要】分别设计与优化了非晶薄膜太阳能电池的上表层和电池底部结构,采用严格耦合波方法(RCWA)数值计算了电池的光吸收.计算结果表明:在仅考虑TM偏振的情况下,优化后的增透膜与无增透膜相比,300～840 nm波长范围内的吸收平均提高了35％左右;优化后的背反射器与无背反射器相比,700～840 nm波长范围内的吸收平均提高了23％左右.该非晶硅薄膜太阳能电池结构在全角宽频范围内有较高吸收,可以提高太阳能电池的转化效率.%The front-surface and the bottom of amorphous silicon (a-Si) thin-film solar cell are designed respectively.Light absorption is calculated by using the rigorous coupled wave analysis (RCWA).In TM polarization,the absorption of solar cells with optimized AR coating can be increased by an average of 35％ compared with that without AR coating in the range of 300 ～ 840 nm.Furthermore,the absorption of solar cells with optimized back reflector can be increased by an average of 23％ compared with that without back reflector in the range of 700 ～ 840 nm.The amorphous silicon(a-Si) thin-film solar cell that we design has broadband and omnidirectional absorption,so that it can improve the conversion efficiency of solar cells.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2013(034)006【总页数】5页(P753-757)【关键词】增透膜;衍射光栅;光子晶体;吸收;太阳能电池【作者】沈宏君;张瑞;卢辉东【作者单位】宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021;宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021;宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川750021【正文语种】中文【中图分类】O4311 引言非晶硅薄膜太阳能电池能够降低成本，但光吸收效率随着电池吸收体变薄也随之降低。

宽光谱响应的高效CdTe 薄膜太阳电池

3.70 eV，该条件下采用 MZO/CdTe 结构的 CdTe
薄膜太阳电池的平均光电转换效率为 12.5%，最
3.80
3.75
3.73
3.70 3.68
3.65
3.64
‫ټ‬ဤ/eV
3.60
3.58
3.56
3.55 0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 ‫ڹת‬࿒‫܈‬/℃
图 1 MZO 薄膜的带隙与衬底温度的关系曲线 [13]
Fig. 1 Relationship between the band gap of the MZO film and the substrate temperature [13]
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第 05 期
刘娇等：宽光谱响应的高效 CdTe 薄膜太阳电池
学术研究
式实现：1) 间接法，先沉积 CdSe，后续再通过热扩散方式形成三元合金；2) 直接沉积 1 层三元合金的化合物薄膜，并在后续热扩散过程中形成成分梯度。CdSeTe 的制备方法较为多样，可以采用真空热蒸发 [4-5]、近空间升华 [6-7]、分子束外延 [8-9]、热壁沉积 [10]、电子束沉积 [11] 和电沉积 [12] 等方法制备。
刘娇 1，鲍飞雄 1，傅干华 2，沈凯 1*，麦耀华 1
(1. 暨南大学信息科学技术学院，新能源技术研究院，广州 511443；2. 成都中建材光电材料有限公司，成都 610064)
摘要：碲化镉 (CdTe) 薄膜太阳电池是最成功的产业化薄膜太阳电池技术。近年来，CdTe 薄膜太阳电池的新
一轮技术革新使小面积 CdTe 薄膜太阳电池的最高光电转换效率从 16.5% 快速提升至 22.1%，该太阳电池的材

太阳能电池光谱响应 iqe

太阳能电池的光谱响应与IQE1. 引言随着全球对可再生能源的需求日益增长，太阳能电池在能源领域的重要性也日益凸显。

作为一种清洁、无污染的能源转换方式，太阳能电池的研发和应用都受到了广泛的关注。

太阳能电池的光谱响应和IQE（内部量子效率）是评价其性能的重要参数，对于提高电池的能量转换效率具有关键作用。

本文将详细探讨太阳能电池的光谱响应与IQE的概念、原理及其应用。

1.1 太阳能电池的重要性太阳能电池作为一种将太阳能转换为电能的装置，对于解决全球能源需求、减少环境污染以及应对气候变化等问题具有重大意义。

此外，随着技术进步和规模经济效应的实现，太阳能电池的成本不断降低，使得这一清洁能源在经济上更具竞争力。

1.2 光谱响应与IQE的概念光谱响应是指太阳能电池对不同波长光的响应能力。

不同的太阳光谱分布对应不同的能量分布，因此光谱响应能力决定了太阳能电池在特定环境下的能量转换效率。

IQE，即内部量子效率，是衡量太阳能电池在特定波长光照射下产生电流能力的参数。

它反映了太阳能电池在特定波长范围内的光谱响应能力，是评价电池性能的关键指标。

2. 太阳能电池的光谱响应2.1 太阳光谱分布太阳作为一个高温、高压的恒星，其发出的光具有连续的能量分布。

太阳光谱包括了从紫外到红外的广泛波长范围，其中紫外和可见光的能量较高，而红外光的能量较低。

2.2 太阳能电池光谱响应原理太阳能电池主要利用半导体材料的光电效应来将太阳光转换为电能。

具体来说，当太阳光照射在半导体材料上时，材料中的电子吸收光能并跃迁到激发态，形成光生载流子。

这些载流子在外加电场的作用下定向移动，从而产生电流。

2.3 光谱响应与电池效率的关系光谱响应能力决定了太阳能电池在特定环境下的能量转换效率。

理想的光谱响应曲线应与太阳光谱分布相匹配，以便最大化对太阳光的利用率。

实际中，通过优化半导体材料的能带结构和缺陷态密度等参数，可以提高电池的光谱响应能力。

3. IQE在太阳能电池中的应用3.1 IQE定义及测量方法IQE是衡量太阳能电池性能的重要参数，它定义为在特定波长光照射下太阳能电池产生的电流与入射光强度的比值。

太阳能电池钙钛矿材料多光谱响应特性模拟与优化设计

太阳能电池钙钛矿材料多光谱响应特性模拟与优化设计太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，是可再生能源的重要组成部分。

钙钛矿材料由于其高效率和低成本的特点，在太阳能电池领域引起了广泛关注。

多光谱响应特性模拟与优化设计是一项关键任务，旨在提高太阳能电池的光电转换效率。

钙钛矿太阳能电池的高效率来源于其材料的多光谱响应特性。

通常情况下，太阳光的能量在不同波长范围内具有不同的分布。

通过模拟和优化设计钙钛矿材料的多光谱响应特性，可以使其在更广泛的光谱范围内吸收太阳光，并将其转化为电能。

在进行多光谱响应特性模拟与优化设计之前，我们首先需要建立一个可靠的模型来描述钙钛矿材料的光电转换过程。

这个模型应该考虑到钙钛矿材料的电子结构、能带间距、载流子迁移率等关键因素，并能够准确地模拟其在多光谱光照下的行为。

一种常用的方法是使用密度泛函理论（DFT）进行第一性原理计算，从而获得钙钛矿材料的能带结构和光学特性。

DFT是一种基于量子力学的计算方法，能够准确地描述材料的电子结构和光学性质。

通过使用DFT计算得到的能带结构和光学特性，可以进一步模拟和优化设计钙钛矿材料的多光谱响应特性。

通过模拟软件如VASP、Quantum ESPRESSO等对钙钛矿材料进行DFT计算，我们可以得到关于能带结构和最高占据能带电子态密度、载流子迁移率等参数的信息。

这些参数可以用于理解钙钛矿材料的光学行为，并通过调整材料的结构或组成优化其多光谱响应特性。

模拟和优化设计的一个重要方向是改变钙钛矿材料的组成和结构。

例如，通过掺杂或合金化的方式，可以调节钙钛矿材料的禁带宽度，从而影响其对不同波长光的吸收能力。

此外，通过改变晶格结构或添加界面材料，可以进一步提高钙钛矿材料的光电转换效率。

除了材料的组成和结构之外，材料的制备工艺也对其多光谱响应特性有重要影响。

例如，通过调节沉积温度、沉积速率和气氛等因素，可以控制钙钛矿薄膜的晶粒尺寸和晶界密度，从而影响材料的载流子迁移率和光学性能。

太阳电池中的薄膜技术与材料PPT课件

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3.2 碲化镉太阳电池结构
金属层
+
缓冲层
降低CdTe和金属电极的接触势垒，引出电流，使金属电极与CdTe形成欧姆接触。
-
电池的主体吸光层，它与n型的CdS窗口层形成的p-n结是整个电
p-CdTe
池最核心的部分。多晶CdTe薄膜具有制备太阳能电池的理想的禁带宽度(Eg=1．45 eV)和高的光吸收率(大约10^4/cm)。CdTe
的光谱响应与太阳光谱几乎相同。
n-CdS TCO
n型半导体，与P型CdTe组成p/n结。CdS的吸收边大约是521 nm，可见几乎所有的可见光都可以透过。因此 CdS薄膜常用于薄膜太阳能电池中的窗口层。
透明导电氧化层。它主要的作用是透光和导电的作用。
玻璃基板
主要对电池起支架、防止污染和入射太阳光的作用。
非晶硅太阳电池受光持续照射，缺陷增加，使电池转换效率下降
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2.5 非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池概况
微晶硅材料是微晶粒、晶粒间界和非晶相共存的混合相材料,一般都存在微空洞,其带隙随着晶相比的不同,由1.2eV到1.7eV连续可调,而且几乎没有光致衰退效应。薄膜非晶硅/微晶硅叠层电池, 即以非晶硅为顶电池, 以微晶硅为底电池的叠层电池, 是目前获得高效率高稳定性硅基薄膜太阳电池的最佳途径。
2、采用PECVD或VHF-PECVD来沉积顶电池，沉积压力为50-1000Pa，衬底温度为150-250℃，在透明导电膜上依次沉积p型非晶硅掺杂层、i本征非晶硅层和n型非晶硅掺杂层，制备出顶电池；
3、预热已沉积的器件，温度为180℃-250℃，沉积压力为130-1000Pa，在真空室中用PECVD 或VHF-PECVD法，在中间透明反射层背面沉积微晶硅薄膜底电池；

太阳能电池用空气球形结构光学薄膜抗反射效果的仿真研究

收稿日期：２０２０－０５－０１基金项目：国家自然科学基金（５１９０５４７１）；陕西省教育厅项目（１８ＪＫ０９１２）；榆林学院科研启动基金（１７ＧＫ０９）作者简介：刘孝丽（１９８６－），女，陕西横山人，讲师，博士，主要从事激光与物质相互作用研究。

太阳能电池用空气球形结构光学薄膜抗反射效果的仿真研究刘孝丽１，周翼钒１，周利成１，张　桐１，张晓宇２（１．榆林学院能源工程学院，陕西榆林７１９０００；２．重庆文理学院重庆市高校新型储能器件及应用工程研究中心，重庆４０２１６０）摘　要：设计了一种双层球型反射膜，利用ＦＤＴＤ软件模拟了气泡的直径、占空比、分布周期对空气球形薄膜抗反射性能的影响规律。

利用波长为４４６ｎｍ～５９２ｎｍ平面光照射具有亚波长空气气泡结构的硅基底时，结果显示当单层空气球形结构的周期与气泡直径分别在１０８ｎｍ与１００ｎｍ附近时，设计的亚波长结构可以针对中心波长４５０ｎｍ光波段取得不错的抗反射效果，但是在所设计波段外并未发生反射率降低的现象。

选取双层空气球形结构的最上层气泡直径为１０８ｎｍ，第二层空气球形直径为１３７．５ｎｍ，结果表明在４４６ｎｍ～５２９ｎｍ波段内，双层球形结构薄膜的反射率低于０．０４，抗反射效果明显优于单层球形结构薄膜的抗反射效果，并且有明显的的角度不敏感性特点。

关键词：空气球形结构；光学薄膜；抗反射；双层膜结构中图分类号：Ｏ４３６．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８－３８７１（２０２０）０４－０００６－０６ＤＯＩ：１０．１６７５２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｙｌｕ．２０２０．０４．００２光学抗反射薄膜广泛应用于平面显示器、等离子电视、太阳能光伏玻璃表面以及光学成像系统等领域［１－２］。

普通裸硅太阳能电池的反射率大于３０％，入射到电池内部的光子数不足，光生载流子数目也随之减少，电池的光电转换效率不高［３］。

在电池表面制备抗反射涂层是减少电池表面反射光，提高太阳能电池的光电转换效率的有效途径［４］（如图１所示）。

太阳能电池的光谱

理想光谱
理想的光谱分布应该能够最大化太阳能电池的转换效率，通常是通过优化不同光谱区域的透射和反射来实现。
光谱对稳定性的影响
紫外线辐射
紫外线辐射可能会引起太阳能电池组件的老化，降低其性能和稳定性。
温度效应
光谱分布也会影响太阳能电池的温度效应，高温可能导致电池性能下降。
抗老化处理
为了提高稳定性，太阳能电池通常需要进行抗老化处理，以增强其对不同光谱和温度变化的适应性。
降低成本和提高生产效率的措施
优化生产工艺
通过优化生产工艺，降低生产成本和提高生产效率。例如，采用连续生产线、自动化设备和机器人等。
选用低成本材料
选用低成本、高效率的材料，例如使用硅基材料替代其他高成本材料。
扩大生产规模
通过扩大生产规模，降低单位产品的成本，提高生产效率。同时，大规模生产有利于提高产品质量和降低不良率。
06 结论与展望
研究结论
01
太阳能电池的光谱响应特性是影响其光电转换效率的关键因素之一。
02
通过实验和模拟研究，发现不同类型和结构的太阳能电池在光
谱响应上存在差异。
优化太阳能电池的光谱设计可以提高其光电转换效率和稳定性。
03
未来研究方向和展望
01
深入研究太阳能电池光谱响应的物理机制，探索更有效的光谱调控方法。
研究目的和意义
01
研究太阳能电池的光谱特性有助于深入了解其光电转换机制，提高光电转换效率。
02
了解太阳能电池的光谱特性对于优化其设计和制造过程、降低成本和提高市场竞争力等方面具有重要意义。
03
随着全球能源危机和环境污染问题的加剧，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，越来越受到人们的关注。太阳能电池作为太阳能利用的关键技术之一，其光谱特性的研究对于推动太阳能技术的发展和应用具有重要意义。