2017, Vol. 25
2. 华东师范大学 物理与材料科学学院 材料系 功能材料研究所, 上海 200241;
3. 红外物理国家重点实验室(中国科学院 上海技术 物理研究所), 上海 200083
2. Institute of Functional Materials, Department of Materials, School of Physics and Materials Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China;
3. State Key Laboratory of Infrared Physics (Shanghai Institute of Technology and Physics, Chinese Academy of Sciences), Shanghai 200083, China
太阳能电池是一种实现光电转化的器件，如何实现对太阳光的有效利用一直是科研人员努力的方向.自从1839年法国科学家Becquerel发现光生伏特效应以来，各类太阳能电池的研究日新月异，特别是产业化规模最大的硅基太阳能电池[1-4].除开发新型电池和提高太阳能电池的效率外，优化太阳能电池的物理结构，提高太阳光的捕获率也是太阳能电池研究领域的一个重要方向，如通过结构优化设计出的光纤类电池[5-8].由NASA和Washington DC资助的Welser等人在2015年申请了一种染料敏化波导太阳能电池的专利，通过辐射限制，使GaAs太阳能电池的效率达到30%，提升了染料敏化太阳能电池的转化率[8].中国科学院西安光机所的王丽莉等报道了一种空心光纤式太阳能电池[9]，其电池包括外空心光纤和内空心光纤，一起组合成为1种染料敏化液芯光纤结构电池.
空芯光纤结构太阳能电池具有优秀的光限制特性[9-10]，可将入射进入空芯光纤的光线进行多次反射与吸收，理论上可以提高入射进入电池内光的利用率.不锈钢[11-14]硅基太阳能电池是研究最深入、实用化程度最高的太阳能电池，但基于硅基太阳能电池的空芯光纤太阳能电池的研究还尚未见报道.因此，本文将展开这方面太阳能电池的研究.
1 设计与制备图 1给出了本文设计的不锈钢金属空芯光纤硅基太阳能电池的结构示意图.选用具有一定柔韧性的不锈钢箔作为衬底，将其卷曲成金属圆筒作为空芯光纤太阳能电池的框架结构，同时该不锈钢圆筒又充当电池的金属底电极.该电池的截面由外到内依次为不锈钢衬底(底电极)、硅基电池的光电转换层和透明电极层.不锈钢层、光电转换层和透明电极层彼此紧密接触，并与空芯部分一起构成1个空芯光纤电池结构.
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图 1 不锈钢空芯光纤结构硅基太阳能电池示意图 Figure 1 Schematic of a stainless steel hollow fiber solar cell |
实验中采用成熟的平面薄膜硅基太阳能电池产品制作空芯光纤电池样品.尽量选用柔性的不锈钢衬底硅基薄膜太阳能电池片，通过卷曲法制成空芯波导结构电池.本文所用的是非晶硅薄膜电池，以柔性不锈钢金属箔为衬底，电池的表面(受光面)由金属网格覆盖P-N结形成顶电极.通过对多种硅基类太阳能电池片的筛选，在考虑电池的柔韧性和几何尺寸等因素的基础上，选用北京市华兴阳光科技有限公司提供的平面不锈钢箔衬底非晶硅薄膜太阳能电池裸片，尺寸为40 mm×180 mm×0.5 mm，电池光电转换层的厚度约为0.05 mm.将平面硅基太阳能电池在宽度方向上进行卷曲，获得圆筒状空芯光纤结构，其半径为0.8 cm.在卷曲后的空芯光纤电池中通过金属铜导线引出两个电极.试验中选取两片平面硅基太阳能电池.第1片记为1#样品，在对平面状态的1#样品进行测试后，将其通过卷曲法制作成空芯光纤电池，记为2#样品.第2片平面电池记为3#样品，在对3#样品测试后，通过卷曲法得到的空芯光纤电池记为4#样品.该平行试验可以验证由于平面电池片的个体差异可能造成的试验误差，提高试验结果的可信度.
2 光捕获性能研究 2.1 入射光源的选择与搭建室外太阳光经常因为天气的改变而变化，且太阳光强度及照射角度也不断随时间发生变化，直接以室外太阳光作为入射光源研究空芯光纤电池对光的捕获能力可能使前后实验的光照条件不一致.因此，本研究采用XD-300氙灯搭建光源和光路系统.氙灯辐射光色温约为6000 K，其光谱能量分布与太阳光相近[15].本试验中需要使用点光源和平行光源.在XD-300氙灯出光口通过高透过率光纤对光进行调制；在光纤出射口形成的光源可作为点光源.在光纤点光源出射口设置凹面镜，使点光源处于凹面镜的焦点处，经凹面镜调制后形成平行光.
基于搭建的光源平台，本文主要通过3个方面探讨不锈钢空芯光纤硅基太阳能电池的光捕获性能.1) 在平行光入射光量一定的情况下研究平面电池和空芯光纤电池的光生电压和电流值的相对大小，评估空芯光纤结构电池相对于平面电池在光捕获性能方面的提升效果；2) 探讨光线的入射角度对不锈钢空芯光纤电池对光捕获性能的影响，即在平行光入射光量一定的情况下，改变入射角的位置，研究空芯光纤电池光生电压与电流随入射角的变化趋势；3) 研究光照强度对不锈钢空芯光纤电池光捕获性能的影响，即改变点光源的光照强度，观察光生电压和电流随光照强度的变化关系.
2.2 光线照射位置对不锈钢空芯光纤硅基电池光捕获性能及光电转换效果的影响依据光电转化理论，光强度及光线照射位置对光电转化效率有较大的影响[16].图 2(a)为平行光以与平面呈30°角度照射在平面硅太阳能电池上的示意图.图 2(b)为平行光以与空芯光纤内壁呈30°角度照射电池受光面的示意图.如图 2所示，虽然弯曲的表面所接受的光照面积要比平面大，但考虑到本实验中将平面电池以较大曲率半径卷曲而成的空芯光纤电池，且实验中所使用的光束光斑较小(0.5 cm2)，在弯曲曲面和平面上所形成的受光面积的差异不会很大.因此，两种电池光捕获效果的差异主要是由于入射光在空芯光纤内多次反射和吸收所引起的.实验中主要探讨光线从0 cm处逐渐移动到18 cm处时电池的光生电压和电流的变化情况.
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图 2 平行光线以固定入射角(30°)照射平面结构电池(a)和空芯光纤结构电池(b)的示意图 Figure 2 Schematic of planar (a) and hollow fiber (b) solar cells illuminated by parallel light under a fixed angle (30°) |
在平行光光照强度为120 000 lux条件下，光源在长度方向上移动，测量在不同位置时电池的光生电流及光生电压.图 3为平面硅电池样品和空芯光纤电池样品在不同位置处产生的光生电压和光生电流曲线.由图 3(a)可知，在光斑沿x轴方向由0 cm移动到16 cm的过程中，平面和空芯光纤电池的电压分别在1.5和1.6 V左右，可见相比于平面结构电池，照射在空芯光纤电池内部的光线可以多次被反射和吸收，具有更好的光捕获效果.当光斑移动到16~18 cm位置时，部分光线已处于电池受光面的有效位置之外，光生电压减小.对于光生电流，如图 3(b)所示，当光线照射在平面电池上的照射面积一定时，到达透明电极层上的光线被吸收和反射，位置在0~12 cm处产生的光生电流值约为1.05 mA.对于空芯光纤电池，当光源在x=0 cm处，入射进入电池的光线一部分被电池吸收层吸收并转化为空穴电子对；另一部分光被电池内壁表面所反射，被反射的光一部分光被再次捕获转化生成空穴电子对，另一部分被再次反射.按此规律，空芯光纤电池的光生电流大于平面电池对应位置的光生电流.随着光线在平面和空芯光纤内部沿x轴方向移动距离增大(x为12~18 cm)时，空芯光纤电池和平面电池的光生电流曲线趋向于重合，如图 3(b)和(d)所示.在光线移动到接近空芯光纤电池末端时，相对于前端电极距离较大，电池回路电阻较大.此外，越来越多的反射光线从电池末端开口逃逸，未被电池所捕获.此时空芯光纤电池的光捕获及光电转换效果和平面电池越来越近似，其光生电流曲线也逐渐趋向于重合.
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图 3 平行光线照射平面硅电池和空芯光纤电池时的光生电压((a), (c))和电流((b), (d))曲线 Figure 3 Photovoltage ((a), (c)) and photocurrent ((b), (d)) curves of flat and hollow fiber silicon solar cells illuminated by parallel light |
图 3(c)和(d)分别为3#平面硅基太阳能电池和4#空芯光纤硅基太阳能电池在x轴移动时，在不同位置处产生的光生电压图和光生电流图.市面上出售的平面电池裸片的质量有个体差异，且在采用蜷曲法制备空芯光纤电池过程中，也存在金属电极脱落、电池的内部膜层间剥离等风险.如果仅做一个样品，其反映出的实验现象和规律容易受到电池潜在缺陷的影响.通过平行制备两个实验样品，并得到近似的实验现象和规律，可以验证卷曲制备空芯光纤电池的工艺以及对相关性能研究的探索是可行和可重复的.图 3(c)和(d)与图 3(a)和(b)呈现相同的变化趋势，验证了虽然平面电池样品个体可能存在差异，但通过卷曲法工艺制备成空芯光纤电池具有较好的可重复性.
上述研究表明，空芯光纤电池的光生电流和光生电压值和光线入射条件(如位置)相关，在较佳入射条件下空芯光纤电池的光生电压和电流分别为1.6 V和1.256 mA，平面电池的光生电压和电流分别是1.52 V和1.103 mA，对应空芯光纤电池比平面电池的光捕获效率提升比例约为19.8%.由此判断空芯光纤电池相较于平面电池性能提升比例范围约为19.8%.考虑实验中所使用的平面非晶薄膜硅基太阳能电池具有多达13层膜的3节叠加电池，且表面具有减反膜结构，光线单次入射吸收较高，空芯波导对入射光线二次或多次反射与吸收的潜力还未充分发挥出来.如果采用简单结构、无减反膜的单节电池，则光捕获性能还有较大的提升空间.
2.3 光线入射角度对不锈钢空芯光纤硅基太阳能电池光捕获性能及光电转换效果的影响图 4(a)为2#和4#样品在平行光光照强度为70 000 lux条件下，以不同角度在电池一端进行入射，测得不同入射角度下的光生电压曲线.图 4(b)则为对应条件下所测得的光生电流曲线.由图 4(a)可知，当平行光以θ(-80°＜θ＜80°)角度入射时，空芯光纤横截面的面积即为进入空芯光纤的光量的面积.现在考虑由不锈钢空芯光纤电池横截面中心以θ角入射的一束光线，探讨其在空芯光纤内的相对反射次数(n)，其中空芯光纤长(L)18 cm，内直径(d)1.3 cm.
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图 4 空芯光纤硅基太阳能电池的光入射角度-光生电压(a)和光入射角度-光生电流(b)曲线 Figure 4 The curves of incident angle-photovoltage (a) and incident angle-photocurrent (b) of hollow fiber silicon solar cells |
| $ n=L/(d*\cot \theta). $ | (1) |
由式(1) 可知，当光线以30°入射时，其在空芯光纤内吸收并反射的次数约为6.5次，50°入射时吸收并反射的次数约为13.5次.在该范围内，当光线在空芯光纤电池内的反射吸收次数为6.5~13.6次时，可以产生较大的光生电压与电流.当入射光角度大于50°时，光在空芯内的反射次数增加，但经过多次反射的光，在能量几乎被吸收殆尽的情况下，使电池的后半部分没有发挥光电转化的作用，且可能会消耗掉一些电池的前半部分产生的电流，导致光电转化效果的降低，如图 4(a)和(b)所示.当入射角度小于30°时，光线在样品内的反射次数减少，有部分光线从光纤电池的另一端逃逸，未被电池充分吸收和利用，所产生的光生电压和电流值也较小.综上分析可以得到，当平行光线以30°至50°入射时，可以获得较大的光生电压和光生电流值.
2.4 光照强度对不锈钢空芯光纤硅基电池光捕获性能及光电转换效果的影响图 5(a)是在平面结构硅基太阳能电池一端(0 cm处)以点光源入射，点光源距平面结构太阳能电池的距离为0.8 cm.图 5 (b)中空芯光纤结构太阳能电池的半径为0.8 cm，将点光源放在空芯光纤太阳能电池一端(0 cm处)横截面的圆点，对空芯光纤太阳能电池进行光注入实验.该方法中要求点光源到平面太阳能电池和空芯光纤结构太阳能电池的距离相等.2.2小节中的研究已经表明，单束平行光照射平面和空芯光纤电池时，空芯光纤电池有较高的光捕获能力.由于点光源可以看成是很多不同方向的单束光，该光源照射空芯光纤电池并相较于平面电池有更好的光捕获效果.因此，在本部分研究中只分析讨论不同光照条件下对空芯光纤电池的影响.
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图 5 平面结构太阳能电池(a)和空芯光纤结构太阳能电池(b)点光源入射示意图 Figure 5 Schematic of planar (a) and hollow fiber (b) solar cells illuminated with point light source |
对空芯光纤结构硅基太阳能电池，将点光源放在电池端口处入射，通过改变点光源的强度，研究不同光照强度下电池的光生电压与光生电流值的变化趋势，结果如图 6所示.图 6中2#、4#为两个不同样品，在0~100 000 lux光照度范围内，其光生电压随着光照强度的增加迅速增大.根据半导体物理学理论，在一定光照强度范围内，光生电压随光照强度的增加而增加.但光生电压不会随着入射光强度增大而无限增大，它的最大值是使得P-N结的势垒高度为零时的电压值.P-N结的势垒是由电池材料的带隙、掺杂水平等本征特性决定的.因此，在0~100 000 lux的光照度范围内，光生电压先随光照度增加而增大，而后逐渐接近电池P-N结的势垒高度并趋于恒定值.
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图 6 空芯光纤硅基太阳能电池的光照度-光生电压(a)及光照度-光生电流(b)曲线 Figure 6 Light intensity-photovoltage (a) and light intensity-photocurrent; (b) curves of hollow fiber silicon solar cells |
由图 6(b)可知，随着光照强度增加，空芯光纤电池光生电流也在不断增加，光照强度的增加使更多的光子转化为空穴电子对，进入外电路的电流量增大.随着光照强度的持续增加，光生电流增加速度变慢.当光照强度增大到一定程度时，空穴电子运动更加剧烈，导致部分空穴电子还未来得及分开就因激烈的运动而相互湮灭，则移向两极的空穴和电子数量减少，表现为图 6 (b)中光生电流增加减缓.
从图 3、4和图 6的结果可知，在相同条件下空芯光纤结构硅基太阳能电池的光生电压、光生电流与平面结构相比有所增加，但效果不是很突出.实验中注意到，所购买的不锈钢平面硅基太阳能电池片在出厂前已对受光面进行了减小反射处理，从而使二次反射光的量不高，由此降低了空芯光纤电池可将二次反射的光多次反射和吸收的优势，表现为光生电压和光生电流没有非常显著地增加.
在实际应用中，为了保持空芯光纤电池与太阳一直保持较好的光线注入角度，需要借助追日系统.目前国内外针对太阳能电池和太阳光室内照明应用的追日系统产品已经非常成熟，通常采用多镜头阵列形式，与空芯波导电池配对后亦可实现集成化和规模化，可降低单个电池的发电成本.此外，为了尽可能增加平面电池对光的捕获效果，以往市售平面电池通常采用多节薄膜电池叠加并在受光面外加减反射膜的复杂电池结构.如本文中所能买到的柔性电池就是多达13层膜结构的三节叠加硅薄膜电池，该电池通过复杂结构才能实现对大部分入射光的一次性捕获.本研究表明，空芯波导电池可以对入射光进行多次吸收和反射，相应的电池做成简单的单节电池即可(共3~4层膜结构，无需减反射层)，且吸收层还可以做得更薄，大幅度降低现有平面薄膜电池的制作成本.对于该种平面电池，大部分入射光不能被电池一次反射所捕获，但可以被对应的空芯波导结构电池通过多次反射和吸收所捕获，有望更明显地提升电池效率.此外，通常平面电池的受光面直接裸露在自然环境中，需要定期清洁和保养，空芯波导电池的受光面相对封闭，无需投入这方面的维护费用.
空芯光纤电池是通过将入射光限制在波导内多次反射和吸收提高对光的捕获效率.其他薄膜电池，如能被制备成空芯波导结构，原则上也可以提升光的捕获效率.即使对一些吸收系数较大的电池，使用吸收层较薄的电池制备空芯波导电池也可以增大电池对光捕获效率的提升比例.
综合考虑上述各种效应和成本因素，空芯波导硅电池可以为更好地利用太阳能提供新的思路.
3 结论以柔性硅基薄膜太阳能电池为基础，通过卷曲法制备了空芯光纤结构硅基太阳能电池，探讨了光线照射位置对不锈钢平面硅电池和空芯光纤电池的光捕获性能及光电转换效果的影响.研究表明，空芯光纤结构能够将入射光限制在波导结构内多次反射和吸收，可以产生更高的光生电压和电流，具有更好的光捕获性能.本文还探讨了入射光角度和光照强度对不锈钢空芯光纤硅电池光捕获性能的影响关系，研究发现：当平行光线以30°至50°入射时，可以获得较大的光生电压和光生电流值；在0~100 000 lux光照度范围内，光生电压随着光照强度的增加先迅速增大，而后受P-N结能级的影响，光生电压增加缓慢并趋于一恒定值.
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