随着人类对化石能源的大量开采和消耗,能源危机逐渐成为国际社会关注的焦点。作为具有巨大储量的可再生清洁能源,太阳能无疑是最有利用前景的能源之一。现如今,光伏电池已经成为利用太阳能的主要方法之一,而硅材料凭借其丰富的藏量、低廉的成本和优秀的光电性能被广泛百富策略白菜网于光伏电池的研发和生产中[1,2]。对于硅材料来说,由于其与空气之间有较大的折射率差异,在两种介质的交界面上,超过30%的入射光会由于菲涅尔(Fresnel)效应而发生反射[3]。因此,具有提高光捕获能力的表面微结构对于光伏电池性能提升的重要性不言而喻。

与此同时,根据AM1.5太阳光谱分布可知,太阳能分布主要集中在波长为300 nm至2500 nm的光谱中[4],但是由于硅的禁带宽度限制,传统的硅电池只能利用波长为300 nm至1100 nm的光,这意味着1100 nm至2500 nm波段的光能将会通过热量耗散损失。近年来,随着光伏-热电(PV-TE)耦合系统的提出和研究[5],宽光谱太阳能高效利用成为了可能,因此,具有宽光谱特性的减反射结构无疑是实现太阳能高效利用的关键。作为减反射手段之一,多层减反射膜已经被广泛地研究和使用[7,8]。然而,减反射膜层只能对窄波段的入射光起到抑制反射的作用[3]。

本文从有效介质理论出发,针对减反射膜层的不足进行改进,提出纳米柱与双层减反射膜的复合结构,运用时域有限差分方法(FDTD),研究复合结构在宽光谱范围下的反射特性,并分析不同结构参数对光谱特性的影响。

本文使用的时域有限差分方法(FDTD),是一种被用来在时域上直接对麦克斯韦方程组进行求解的计算方法[9]。时域上的麦克斯韦方程矢量形式为:

其中,E为电场强度,H为磁场强度,ε为介电常数,μ为磁导系数,σ为电导率。

在直角坐标系下,用中心差分近似代替电场和磁场关于时间和空间的一阶偏导数,对电场和磁场在空间和时间上进行离散化[10]。因此,只需将待计算结构进行网格化,并根据节点所处位置赋予相应的电磁参数,就可以进行数值计算。

复合结构模型如图1所示,基底为硅材料,整体结构为六方排列的硅纳米柱阵列,在纳米柱上方和基底上方分别垂直覆盖相同的TiO2/SiO2双层膜,其剖面结构及具体参数如图2所示,硅纳米柱直径为D,阵列周期为P,硅纳米柱高度为H,SiO2膜层的厚度为h1,TiO2,膜层的厚度为h2。计算区域如图3虚线框所示,其中z方向为吸收边界条件(PML)[11],x和y方向为周期边界条件(PBC)。在垂直入射情况下,设太阳光以平面波形式沿z轴负方向作用在复合结构上,并运用FDTD方法进行计算。本文将膜层厚度设为h1=120 nm,h2=45 nm,将纳米柱直径设为D=300 nm,通过改变H和P,研究纳米柱高度和周期对复合结构光谱特性的影响。

结构计算参数如表1所示。利用FDTD方法计算结果如图4和图5所示,各参数结构在AM1.5太阳入射光谱下的平均反射率如表2所示。

图4比较了相同圆柱高度下,不同周期复合结构的反射率曲线:对比结构1和3,结构1的周期小于结构3,相对来说结构排列更为紧凑,在300 nm至2500 nm光谱范围内反射率更低;而当周期继续减小为300 nm时,如结构2,圆柱之间排列更加紧密,减反射效果反而下降。

图5比较了相同周期下,不同圆柱高度复合结构的反射率曲线:对比结构1和4和双层膜结构,可以看出,随着圆柱高度逐渐增大,全波段的反射率逐渐下降;而对比结构1和5的曲线可以看出,当圆柱高度继续增大,虽然波长在300 nm至400 nm范围内的反射率有所下降,但在长波范围的反射率反而上升,导致平均反射率增大。结果显示,当SiO2膜层厚度h1为120 nm,TiO2膜层厚度h2为45 nm,圆柱直径D为300nm时,圆柱高度H和周期P分别为250 nm和600 nm的复合结构全光谱减反射效果最好,平均反射率为0.0324。

从计算结果中可以看出,复合结构不仅保留了TiO2/SiO2双层膜结构在太阳辐射能量较集中的短波区域(400 nm至800 nm)的减反射效果,而且由于复合了纳米柱结构,该结构在长波区域的反射率相对于双层膜结构具有更低的反射率,使其全波段平均反射率相对更低。

运用有效介质近似法,该复合结构可以等效为多层缓变折射率结构,其结构等效折射率为[12]:

其中,n1和n2分别为同一横截面上不同材料随波长变化的折射率,f1代表对应材料的结构在该横截面上的面积覆盖率。运用有效介质近似法得到结构1在的等效缓变折射率如图6所示,复合结构在空气层和硅基底之间形成了从1.12到3.0逐渐增大的五层不同折射率等效材质,大大减小了不同高度之间折射率的差异,削弱了菲涅尔反射效应所带来的能量损失。

当圆柱周期减小为300 nm时,圆柱之间排列过于紧密,使得圆柱结构的面积覆盖率过高,其等效折射率分布接近单一的TiO2/SiO2双层膜结构,所以其反射率曲线与双层膜结构基本重合;当圆柱周期增大为900 nm时,由于圆柱结构的面积覆盖率减小,使得等效媒质层的折射率同时降低,因而造成层1和硅基底之间出现明显的折射率差异,从而使其反射率相对于结构1有所上升。

当圆柱高度为100 nm时,由于其高度较低,纳米柱作用不明显,使得复合结构反射率曲线趋势与双层膜反射率趋势相近;当高度为500 nm时,由于纳米柱过高,造成等效折射率层3厚度过大,与其他等效折射率层厚度不匹配,使其反射率高于结构1。

本文提出了一种纳米柱和双层膜结构的复合结构,并运用时域有限差分方法计算了该结构在宽光谱下的反射率,分析了不同高度和周期的纳米柱对复合结构反射率的影响。计算结果表明,由于复合结构具有缓变折射率,有效降低了300 nm至2500 nm波长范围内的反射率,通过调节结构高度和周期,可以得到性能优秀的减反射微结构,当SiO2膜层厚度h1为120 nm,TiO2膜层厚度h2为45 nm,圆柱直径D为300 nm时,圆柱高度H和周期P分别为250 nm和600 nm的复合结构减反射效果最好,该参数结构的全波段平均反射率约为0.032。