基于光电子晶体的高效太阳能电池反射器的研究

樊育锋

摘  要：薄膜太阳能电池的出现大大降低了太阳能电池的生产成本，但其光电转化效率明显低于传统太阳能电池。这是由于薄膜太阳能电池过薄的吸收层严重降低了电池对长波长入射光的捕获效率。为了提高薄膜太阳能电池对长波长入射光的捕获效率，可在电池吸收层背部增加一个反射器。该文从一维光子晶体的结构特点出发，在证明一维光子晶体中具有光子禁带的基础上，通过获取的数值，模拟计算出了一维光子晶体禁带的随周期数、折射率比值等。同时，提出了一种新型的展宽全方向反射带的方法，并且设计了一个由三个基本一维光子晶体合成的一维结构，得到了较大的全方向反射带。

关键词：一维光子晶体  光子禁带  全方向反射器

中图分类号：O482                                  文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（c）-0034-02

随着人们对半导体材料的物理特性，特别是硅的物理特性的进一步研究与了解，美国的贝尔实验室于1954年首次发现在材料硅中参入少量杂质可以提高硅对光子的敏感程度，更容易形成PN结，并利用向半导体硅材料参杂的方法成功制造出了第一代实用的单晶硅太阳能电池，这标志着可以应用到实际生活中的太阳能电池制造技术的诞生。第二年，许多公司开始研发并且量产了太阳能电池，也称光伏电池，最终在市场上广泛销售。

1  一维光子晶体反射器的设计方案

1.1 一维光子晶体对材料的要求

禁带的变化与折射率相关，即构成一维光电子晶体材料的折射率差距越大，禁带就越明显。

在讨论中常用光学介质的有效导纳η，对于这两种偏振分量，η分别为：

ηp=N/cosθ     （P偏振）

ηs=N/cosθ     （S偏振）

其中，θ為夹角。

1.2 材料的选择

由于光子的影响，使得介质介质材料在特定的光谱区内呈透明的状态。而在短波吸收带，介质材料的电子由价位置会产生变化，由原来的位置迁移到导带，产生这种现象的原因是，光子能量大于禁带的宽度。由于光子能量的限制，无法使价电子的能量释放，因此，在透明区内，只有少量的杂质以及部分半导体中的自由载流子被吸收。在波长持续增加的状态下，晶格不断的发生抖动，产生光能的消耗。因此，在选择材料时，应选择透明区的透明度较高的材料，这样才能最大程度的降低消光系数。

1.3 一维光子晶体计算方法

计算光子晶体结构和能带结构的方法较多，例如传输矩阵法、多重散射法等。该文主要采用的是传输矩阵法，该方法能够把所求磁场在实空间的位置展开后把麦克斯韦方程组变成传输矩阵的形式，之后对这个形式求解。因此，能够快速地计算出反射率和透射率，此方法计算一维光子晶体的反射系数和透射系数比较方便。

2  全方向反射器的设计与分析

2.1 理论依据——基于频域叠加扩展禁带的方法

要想实现一维光电子的全方位反射，必须要解决以下几个问题：第一，在射角发生变化时，反射带也要随之改变运行状态，例如，当反射角扩大时，反射带要想高频方向移动;第二，当角度发生改变时，TE和TM波反射带分离;第三，保证TM波在Brewster角时，对所有频率都形成透射率。

针对上述的3种问题，该文采用基于频域叠加法来解决，这种方法的实质是，将所有的光子晶体禁带连接起来，用不同中心频率的全角度光子叠加，从而形成全角度光子禁带，通过计算，得出光子禁带的代数和。同时，通过筛选，选择合适的介质的高、低折射率的比值，改变各禁带的宽度，可以减少和消除展宽后的禁带中出现的允许带的尖峰。

2.2 一维光子晶体全反射器的数值模拟与分析

如图1所示，是由折射率为n1、n2，介质厚度为d1和d2介质层周期排列组成的一维光子晶体，然后将结构不同的一维光电子晶体进行叠加。

2.2.1 正入射时两个一维光子晶体的叠加

在正入射的情况下，如图2所示，对于PC1来说，总的反射频率范围是0.156～0.296ωa/2πc。

图解释：为了深入研究影响一维光子晶体全方向反射带的各种因素，此时要得到TE波模式下的入射角0°时PC1反射频率范围。

图作用：先获得入射角0°时PC1的反射频率范围为接下来获得PC1、PC2叠加后的全反射频率范围做准备。

2.2.2 入射角为45°时两个一维光子晶体的叠加

在入射角为45°的情况下，如图3所示，对于PC1来说，总的反射频率范围是0.172～0.313ωa/2πc。

图解释：为了深入研究影响一维光子晶体全方向反射带的各种因素，此时要得到TM波模式下的入射角45°时PC1反射频率范围。

图作用：先获得入射角45°时PC1的反射频率范围为接下来获得PC1、PC2叠加后的全反射频率范围做准备。

3  结语

当前，太阳能领域对于光子晶体的研究较多，且研究的时间将近10年，因此，光子晶体在太阳能领域的发展较为成熟。但是，其应用领域也是十分有限的。基于此，该文在已有研究结论的基础上，对光子晶体中的一维光子晶体进行了实践研究，相对于其他高维晶体来说，一维晶体的主要优势体现在其理论较为简单，同时结构也没有高纬晶体复杂，整体实践操作没有技术方面的难度。同时，其性质还具备二维和三维光子晶体性质的优点，即特定波能够全方向反射，也正是由于这一特性，使得一维光子晶体得到科研工作者的青睐。

当前，关于光电子晶体在高校太阳能电池反射器中的应用，学者们提出了较多的使用方法，该文所提出的新的理论设计方法也正是基于这些理论的基础之上的。即将多个一维光子晶体组合一起，在频域上进行叠加形成一个合成的一维光子晶体结构，从而展宽了全方向反射带。

参考文献

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