人工晶体学报 JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS 光子晶体在太阳能电池中的应用 姜澄溢，刘浩楠，张富宝，季福云，徐胜，万勇 (青岛大学物理科学学院.青岛266071) 摘要：简单总结了太阳能电池的青景、发展历程和影响效率的因素等方面。在此基础上，按照光子品体的不同 数，分析了光子品体在太阳能电池中的应用进展和特点，为光子品体在太阳能电池中的应用指出了发展方向。 关键词：太阳能电池：维度：光子品体 中图分举号：0646.1 文献标识码：A 文章编号：1000985X(2018)02029205 D0I:10.16553.cnki.issn1000-985x2018.02.010 Application of Photonic Crystal in Solar Cells JIANG Cheng-yi,LIU Hao-nan,ZHANG Fu-bao.JI Fu-yun,XU Sheng.WAN Yong School of Physical Seience.Qingdao University.Qingdao 266071.China) Abstract:The background.development process and efficiency factors in the solar cell were simply summarizes.Based on these,the application development and characteristics of photonic crystal in solar cells according to the dimensions were analysizd,and the development direction of photonic crystal 1太阳能电池简介 从工业革命开始直到今天，化石能源始终占据能源的主导地位，但是化石能源是不可再生能源，不可能 长期的被人们使用。每年地球接受的太阳光能量高达3×104J,约为人类每年消耗能量总和的几万倍)，所 以太阳能完全可以满是 我们现在社会发展的需要 太阳能电池将会是太阳能转化为电能的核心部件，它可 以满足大多数行业的求，将为 人类带来巨大的优 太阳能电池的发展己经历经半个多世纪，在这其中太阳能电池的研究主要经历了三个阶段。第一阶段 主要是以单晶硅为主要材料的太阳能电池。其效率高，但是工艺繁琐成本很高：从材料成本及制作考虑， 产生了第二阶段的太阳能电池以薄膜材料为主的太阳能电池。薄膜材料所用的材料比较少，易于大规模应 用，但是转换效率比较低：为了降低成本同时也为了提高太阳能电池的效率，第三代太阳能电池随之产生，这 类太阳能电池 主要集中 纳米结构材料中 如纳米线，纳米管等 太阳能电池的效率损失主要集中在三个方面：太阳能电池前表面的反射损失 :太阳能电池正面电极的覆 盖面积对入射光总能量的损失，以及背电极的复合损失：太阳能电池的透射损失)。这些方面也是光子晶 体太阳能电池研究改进的方向。 2光子晶体在太阳能电池中的应用 光子品体是近二十几年来出现的一种新型材料，它具有周期性结构和低损耗的特点，可以提供不同 基金项目：国家自然科学基金(11144007)：山东省自然科学基金(R2016AM27 作者简介：姜澄溢(19明3，男，山东省人，硕士研究生。 通讯作者：万勇，博士，教授。 194-018 China Academic Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
第 47 卷 第 2 期 人 工 晶 体 学 报 Vol． 47 No． 2 2018 年 2 月 JOUＲNAL OF SYNTHETIC CＲYSTALS February，2018 光子晶体在太阳能电池中的应用 姜澄溢，刘浩楠，张富宝，季福云，徐 胜，万 勇 ( 青岛大学物理科学学院，青岛 266071) 摘要: 简单总结了太阳能电池的背景、发展历程和影响效率的因素等方面。在此基础上，按照光子晶体的不同维 数，分析了光子晶体在太阳能电池中的应用进展和特点，为光子晶体在太阳能电池中的应用指出了发展方向。 关键词: 太阳能电池; 维度; 光子晶体 中图分类号: O646． 1 文献标识码: A 文章编号: 1000-985X( 2018) 02-0292-05 基金项目: 国家自然科学基金( 11144007) ; 山东省自然科学基金( ZＲ2016AM27) 作者简介: 姜澄溢( 1993-) ，男，山东省人，硕士研究生。 通讯作者: 万 勇，博士，教授。 Application of Photonic Crystal in Solar Cells JIANG Cheng-yi，LIU Hao-nan，ZHANG Fu-bao，JI Fu-yun，XU Sheng，WAN Yong ( School of Physical Science，Qingdao University，Qingdao 266071，China) Abstract: The background，development process and efficiency factors in the solar cell were simply summarizes ． Based on these，the application development and characteristics of photonic crystal in solar cells according to the dimensions were analysizd，and the development direction of photonic crystal applications in solar cells in the future were showed． Key words: solar cell; dimension; photonic crystal 1 太阳能电池简介 从工业革命开始直到今天，化石能源始终占据能源的主导地位，但是化石能源是不可再生能源，不可能 长期的被人们使用。每年地球接受的太阳光能量高达 3 × 1024 J，约为人类每年消耗能量总和的几万倍［1］，所 以太阳能完全可以满足我们现在社会发展的需要。太阳能电池将会是太阳能转化为电能的核心部件，它可 以满足大多数行业的需求，将为人类带来巨大的优惠。 太阳能电池的发展已经历经半个多世纪，在这其中太阳能电池的研究主要经历了三个阶段。第一阶段 主要是以单晶硅为主要材料的太阳能电池［2］。其效率高，但是工艺繁琐成本很高; 从材料成本及制作考虑， 产生了第二阶段的太阳能电池-以薄膜材料为主的太阳能电池。薄膜材料所用的材料比较少，易于大规模应 用，但是转换效率比较低; 为了降低成本同时也为了提高太阳能电池的效率，第三代太阳能电池随之产生，这 类太阳能电池的研究主要集中在纳米结构材料中，例如纳米线、纳米管等［3］。 太阳能电池的效率损失主要集中在三个方面: 太阳能电池前表面的反射损失; 太阳能电池正面电极的覆 盖面积对入射光总能量的损失，以及背电极的复合损失; 太阳能电池的透射损失［4］。这些方面也是光子晶 体太阳能电池研究改进的方向。 2 光子晶体在太阳能电池中的应用 光子晶体［4-5］是近二十几年来出现的一种新型材料，它具有周期性结构和低损耗的特点，可以提供不同 DOI:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2018.02.010
第2期 差澄澄等：光子品体在太阳能电池中的应用 293 于以前的电磁波传播和控制方法。所以它一出现，就成为国内外物理、化学，材料、通信等领域研究的热点。 它的出现也为更好降低太阳能电池成本、提高太阳能电池效率提供了新的研究方向。 按申磁波的频率光子品体可分为微波光子品体、红外波光子品体、可见光子品体等：按材料分，光子品 体可分为金属光子晶体、半导体光子晶体、氧化物光子晶体和聚合物光子晶体等：按其用途分，光子晶体可分 为光子晶体微腔、光子晶体波导、光子晶体光线和光子品体天线等：一种更普遍的分类方法是光子晶体按照 折射率周期性变化的空间维度分类。下面就按照光子晶体的维度，对其在太阳能中的应用进行分析说明。 2.1一维光子晶体在太阳能电池中的应用 一维光子品体是由两种不同介电常数的电介质层周期性堆叠形成的，其特性是会产生一维光子禁带，能 最位于禁带中的光不能传播，从而在光在 一维光子晶体表面产生非常高的反射，所以其非常适合用作太 阳能电池的背反射器。传统的银背反射器虽然反射效率高，但是由于其成本过于昂贵，太阳能电池的反射器 在批量生产中常常用铝作为银的替代品。但由于铝的陷光效果差，导致太阳能电池的整体效率不高，需要对 太阳能电池的反射器材料选取更合适的替代品。 由于一维光子品体的操列可以较容易的讲行优化计算，所以这种一堆的设计可以从理论上讲行严格 算，从而得出结论。陆晓东等设计了一种基于一维光子晶体陷光的超薄晶硅太阳结构（如图），其针对厚 度为12的超薄晶硅电池陷光结构运用有限差分频域法进行了理论优化计算，结果显示运用增透膜、银背反 射极和光子晶体表面织构结构，可使这种厚度电池的平均光吸收效率相对于裸晶硅片增2倍以上，最大光生 电流密度达33mA/cm2以上，但是这种设计的角度宽容性有待于进一步提高。 图】超湾品硅电池结枸原理图网 图2ai和Si0.相间的一维光子品体模型m Fig.I Schematic diagram about the Fig 2 a-Si-and-Si0,one-dimensional structure of ultra-thin crystal silicon 为了更为实际的表述光子晶体在太阳能电池的性能，在优化计算完成后应该进行此类结构的制作，在实 际的检测中也得到验证。陈培专等设计并制作了α8i和S0,相间的一维光子品体模型（如图2），其采用 时域有限差分方法选择合适的x5i和Si0,相间的一维光子品体禁带范围，指出aα5i和Si0,厚度之比介于 12-23时禁带宽度达到最大值，基于模拟结果采用化学气相沉积的方法制备了 一系列25nm到60nm厚 度的αi层一维光子晶体太阳能电池反射器，实验结果显示在500~750nm和650~1100mm波长范围内光 反射率分别达到96.4%和99%，其太阳能电池的效率达到15.2%。沈宏君等网设计了含有光椎光子晶体 防反射层和四棱锥背反射层的Si结构，且该薄膜电池结构在波长为300-750m、入射角为0-75o时吸 收效率均在80%以上，平均吸收效率达92%。与不含陷光结构的薄膜太阳能电池相比，设计的太阳能电池 结构在可见光波长范围、广角度内均实现了光吸收的增强。 以上两种结构优点是结构简单，易于进行优化计算，也便于制作。但缺点是由于光子品体的制作是用化 学气相沉积的方法进行制作的，膜的厚度及成分均匀性好，膜组织致密、针孔少，导致了有效光学路程减小。 很多研究人员把光子品体结构与光栅结物结合起来讲行研究，弥补单一光子品体结构性质的不足这种结构 的设计通常应用在多结的太阳能电池中。JmG.Mm课题组设计了一种多结的太阳能电池（如图3） 这是多结太阳能电池的部分结构，最上面是抗反射层，其是由S,N,嵌入在上下两层的S0,中，目的是进行 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
第 2 期 姜澄溢等: 光子晶体在太阳能电池中的应用 293 于以前的电磁波传播和控制方法。所以它一出现，就成为国内外物理、化学、材料、通信等领域研究的热点。 它的出现也为更好降低太阳能电池成本、提高太阳能电池效率提供了新的研究方向。 按电磁波的频率，光子晶体可分为微波光子晶体、红外波光子晶体、可见光子晶体等; 按材料分，光子晶 体可分为金属光子晶体、半导体光子晶体、氧化物光子晶体和聚合物光子晶体等; 按其用途分，光子晶体可分 为光子晶体微腔、光子晶体波导、光子晶体光线和光子晶体天线等; 一种更普遍的分类方法是光子晶体按照 折射率周期性变化的空间维度分类。下面就按照光子晶体的维度，对其在太阳能中的应用进行分析说明。 2． 1 一维光子晶体在太阳能电池中的应用 一维光子晶体是由两种不同介电常数的电介质层周期性堆叠形成的，其特性是会产生一维光子禁带，能 量位于禁带中的光不能传播，从而在光在一维光子晶体表面产生非常高的反射［5］，所以其非常适合用作太 阳能电池的背反射器。传统的银背反射器虽然反射效率高，但是由于其成本过于昂贵，太阳能电池的反射器 在批量生产中常常用铝作为银的替代品。但由于铝的陷光效果差，导致太阳能电池的整体效率不高，需要对 太阳能电池的反射器材料选取更合适的替代品。 由于一维光子晶体的排列可以较容易的进行优化计算，所以这种一维的设计可以从理论上进行严格计 算，从而得出结论。陆晓东等［6］设计了一种基于一维光子晶体陷光的超薄晶硅太阳结构( 如图 1) ，其针对厚 度为 12 的超薄晶硅电池陷光结构运用有限差分频域法进行了理论优化计算，结果显示运用增透膜、银背反 射极和光子晶体表面织构结构，可使这种厚度电池的平均光吸收效率相对于裸晶硅片增 2 倍以上，最大光生 电流密度达 33 mA /cm2 以上，但是这种设计的角度宽容性有待于进一步提高。 图 1 超薄晶硅电池结构原理图［6］ Fig． 1 Schematic diagram about the structure of ultra-thin crystal silicon cells［6］ 图 2 α-Si 和 SiOx 相间的一维光子晶体模型［7］ Fig． 2 α-Si-and-SiOx one-dimensional photonic crystal model［7］ 为了更为实际的表述光子晶体在太阳能电池的性能，在优化计算完成后应该进行此类结构的制作，在实 际的检测中也得到验证。陈培专等［7］设计并制作了 α-Si 和 SiOx 相间的一维光子晶体模型( 如图 2) ，其采用 时域有限差分方法选择合适的 α-Si 和 SiOx 相间的一维光子晶体禁带范围，指出 α-Si 和 SiOx 厚度之比介于 1 /2 ～ 2 /3 时禁带宽度达到最大值，基于模拟结果采用化学气相沉积的方法制备了一系列 25 nm 到 60 nm 厚 度的 α-Si 层一维光子晶体太阳能电池反射器，实验结果显示在500 ～ 750 nm 和650 ～ 1100 nm 波长范围内光 反射率分别达到 96． 4% 和 99% ，其太阳能电池的效率达到 15． 2% 。沈宏君等［24］设计了含有光椎光子晶体 防反射层和四棱锥背反射层的 α-Si 结构，且该薄膜电池结构在波长为 300 ～ 750 nm、入射角为 0 ～ 75 °时吸 收效率均在 80% 以上，平均吸收效率达 92% 。与不含陷光结构的薄膜太阳能电池相比，设计的太阳能电池 结构在可见光波长范围、广角度内均实现了光吸收的增强。 以上两种结构优点是结构简单，易于进行优化计算，也便于制作。但缺点是由于光子晶体的制作是用化 学气相沉积的方法进行制作的，膜的厚度及成分均匀性好，膜组织致密、针孔少，导致了有效光学路程减小。 很多研究人员把光子晶体结构与光栅结构结合起来进行研究，弥补单一光子晶体结构性质的不足，这种结构 的设计通常应用在多结的太阳能电池中。James G． Mutit 课题组设计了一种多结的太阳能电池［8］( 如图 3) ， 这是多结太阳能电池的部分结构，最上面是抗反射层，其是由 Si3N4 嵌入在上下两层的 SiO2 中，目的是进行
294 人工品体学报 第47卷 钝化处理，在抗反射层的下面是一个Si0,和Si相间的光橘结构，短波反射层是由S1和Si0,组成的一维光子 品体与三角形光栅的连接结构，下面电池是由S引和SO,组成的一维光子品体长波吸收反射层。光栅结构是 用电子束光刻而成，最下面的光子品体结构是由等离子体增强化学气相沉积制备而成。这种太阳能电池在 00一1100nm的吸收率达利77%.每路电话法到30.25mA/m2在带的边终(867-1100nml增品因子达到 4.6,在1100-1800mm的传输效率达到41 g的课题组设计了 种类似多结的晶体硅和 氧化硅 组成的一难光子品体与光栅结合的太阳能电池结构，是运用光栅来增加其有效光程。这种结构的设计已经 比较完善了，在此基础上的修改，仅仅局限在材料的选择以及部分结构厚度的优化上。 (b) 图3部分叠层太阳能电池结构以及 图4(a)介质孔型光子品体.(b)介质 三角形光知的SM照片[ 肆型来子品休示意图" Fig.3 Part of the laminated structure of soar Fig4 Sketch of pasa photonie erystal(and battery and triangle grating SEM images prismatic photonic b)t 2.2 二维光子晶体在太阳能电池中的应用 维光子晶体较一维光子晶体的制造也较为复杂，光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当，所以禁带中 位置的光波波长越长越容易制造。目前的二维光子晶体的制备工艺大致有以下几种：介质条堆积法，电子束 离子束刻蚀法、电化学腐蚀阳极氧化铝等。对于微波波段，采用机械加工的方法就可以实现【回，对于特定图 案的光子品体则从采用刻仲技术[的九法实现。 目前 维光子晶体应用在太阳能电池上的最广泛结构主要有两种 一种是介电常数为1的空气孔结 构，另一种是介电常数较大的介质柱结构。 例如介质柱型，介质孔三角型、介质孔六角型等， 别见如图 4()和图4()。这一结构应用广泛，结构容易形成完全禁带，一般在太阳能电池中所用材料最多的是硅。 关于散射元，圆柱型和圆孔型的研究最为广泛，优化计算方法也比较完全。 关干钠米线阵列代异的光学吸收烨能，周建伟 等四进行了详细计算，指出光在纳米线之间经过多 12 反射如图5)达到很低的反射率，并用实验证实由 纳米线顶部不是完全平整平滑的平台，其实际反射率 较理论值还要低。通过测量其制备的样品在300 11O0m波段获得了2.4%的低反射率从而在理论 实验上证实了纳米线阵列优异的光减反射性能，而 图5光在纳米线阵列中反射示意图： 用实验证实了规整周期性的纳米 线阵列比准周期性或随机分布式的纳米线阵列具有更 Fig.5 Light reflection map in the nanowire aray 好的光学吸收，这是由于硅纳米线阵列强烈的各向异性角吸收。但是这种结构的比表面积大导致纳米线载 流子有合损失较大，这一问颗也是未来光子品体太阳能申池发急需解决的 制备硅纳米线的方法有很多，包括化学气相沉积法、水热法和激光烧蚀法等不同的物理化学方法。这些 方法合成的单品硅线性好，尺寸也可以进行有效调控，但是不适合大面积硅线的制备，这也是未来光子品体 太阳能电池发展需要解决的问题。在有限的硅纳米线阵列提高单位面积的阵列吸收，也是提高电池效率的 1994-2018 China Academic al Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
294 人 工 晶 体 学 报 第 47 卷 钝化处理，在抗反射层的下面是一个 SiO2 和 Si 相间的光栅结构，短波反射层是由 Si 和 SiO2 组成的一维光子 晶体与三角形光栅的连接结构，下面电池是由 Si 和 SiO2 组成的一维光子晶体长波吸收反射层。光栅结构是 用电子束光刻而成，最下面的光子晶体结构是由等离子体增强化学气相沉积制备而成。这种太阳能电池在 400 ～ 1100 nm 的吸收率达到 77% ，短路电流达到 30． 25 mA /cm2 ，在带的边缘( 867 ～ 1100 nm) 增强因子达到 4． 6，在 1100 ～ 1800 nm 的传输效率达到 41% 。Zheng 的课题组［9］设计了一种类似多结的晶体硅和二氧化硅 组成的一维光子晶体与光栅结合的太阳能电池结构，是运用光栅来增加其有效光程。这种结构的设计已经 比较完善了，在此基础上的修改，仅仅局限在材料的选择以及部分结构厚度的优化上。 图 3 部分叠层太阳能电池结构以及 三角形光栅的 SEM 照片［8］ Fig． 3 Part of the laminated structure of solar battery and triangle grating SEM images［8］ 图 4 ( a) 介质孔型光子晶体，( b) 介质 柱型光子晶体示意图［13］ Fig． 4 Sketch of pass photonic crystal( a) and prismatic photonic crystal( b) ［13］ 2． 2 二维光子晶体在太阳能电池中的应用 二维光子晶体较一维光子晶体的制造也较为复杂，光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当，所以禁带中心 位置的光波波长越长越容易制造。目前的二维光子晶体的制备工艺大致有以下几种: 介质条堆积法、电子束 离子束刻蚀法、电化学腐蚀阳极氧化铝等。对于微波波段，采用机械加工的方法就可以实现［10］，对于特定图 案的光子晶体则从采用刻蚀技术［11-12］的办法实现。 目前，二维光子晶体应用在太阳能电池上的最广泛结构主要有两种: 一种是介电常数为 1 的空气孔结 构，另一种是介电常数较大的介质柱结构。例如介质柱型、介质孔三角型、介质孔六角型等［13］，分别见如图 4( a) 和图 4( b) 。这一结构应用广泛，结构容易形成完全禁带，一般在太阳能电池中所用材料最多的是硅。 关于散射元，圆柱型和圆孔型的研究最为广泛，优化计算方法也比较完全。 图 5 光在纳米线阵列中反射示意图［14］ Fig． 5 Light reflection map in the nanowire arrays［14］ 关于纳米线阵列优异的光学吸收性能，周建伟 等［14］进行了详细计算，指出光在纳米线之间经过多次 反射( 如图 5) 达到很低的反射率，并用实验证实由于 纳米线顶部不是完全平整平滑的平台，其实际反射率 较理论值还要低。通过测量其制备的样品在 300 ～ 1100 nm 波段获得了 2． 4% 的低反射率，从而在理论与 实验上证实了纳米线阵列优异的光减反射性能，而且 Kelzenberq 课题组［15］用实验证实了规整周期性的纳米 线阵列比准周期性或随机分布式的纳米线阵列具有更 好的光学吸收，这是由于硅纳米线阵列强烈的各向异性角吸收。但是这种结构的比表面积大导致纳米线载 流子复合损失较大，这一问题也是未来光子晶体太阳能电池发展急需解决的。 制备硅纳米线的方法有很多，包括化学气相沉积法、水热法和激光烧蚀法等不同的物理化学方法。这些 方法合成的单晶硅线性好，尺寸也可以进行有效调控，但是不适合大面积硅线的制备，这也是未来光子晶体 太阳能电池发展需要解决的问题。在有限的硅纳米线阵列提高单位面积的阵列吸收，也是提高电池效率的
第2期 姜澄溢等：光子品体在太阳能电池中的应用 295 一种思路。在介质柱型光子品体中，为了更大的提高效率，很多研究人员把纳米线进行处理，让它成为一个 核-壳结构。Yag课题组同在单根CdS纳米线外包裹一层Cu,S,形成一个核-壳结构太阳能电池，其在300 800m波长范围吸收效率拉高，蜂值出现在500m波长附近，总的申电池效率达到5.4%。北海道大学 (Hokkaido Univ eity)与日本厂商Honda集团共同研究出磷化钢(nP)的核-壳结构纳米线太阳能电池m,并 称其转换效率高达123%，总之，纳米线的处理方式主要包括两个方面：在硅线表面沉积抗反射层和加入 氧化物诱导光散射 2.3三维光子晶体在太阳能电池中的应用 较一维和一维光子品体，三维光子品体具有更为复杂的结构和更好的禁带效应。利用三维光子品体结 构制备的太阳能电池，光子在其留滞时间和平均光子路程增加，可以大大提高太阳能电池的效率 品体由于结构较为复杂，普通的制备 和 一维光子晶体的方法并不适用于 三维光子品体 维光子晶付 制备的方法大致可以分为以下几种：蘸笔纳米光刻术、胶体微球自组装法、多光束相干、相位光栅、掠角度沉 积技术和电子束离子束联用等。三维光子品体主要应用在敏化太阳能电池上，其主要使用自组装方法来完 成的。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有 定规则几何外观的结构，其实一种整体的复杂的协同作用。 液体电解质敏化太阳能电池已经实现在大约52 0m频谱范围的最大量子效率（光电转换），但是在 外和近红外光光捕获效率相对较低。在固态的装置中，光捕获一般被薄膜的厚度所限制，因为厚的介孔材料 很难渗入侧。为了解决这些难题，课题组以前运用水平沉积法自组装了多种FCC结构的三维聚苯乙烯 (PS)胶体光子晶体[回，得到直径为495m的三维S胶体光子晶体，结构在1800~2000nm的远红外区域 具有很好的反射谱：直径为790m的S胶体晶体，其在950~1150m近红外区域具有很好的反射。 维光 晶体还可以应用在电极的制作上，进 步提高太 阳能电池的效率。单体育制各 CS纳米晶族与T0,反蛋白石结构光子晶体复合光电极，并以 5m聚苯乙烯微球蛋白石结构为模板 采用液相沉积法制备T02反蛋白石结构光子晶体，测试结果表明其在400~700m可见光波长范围内具有 较大的光电转换效率，是T0,薄膜复合电极的2.5倍。 3 总结与展望 光子晶体在太阳能电池中的应用研究中 一维光子晶体的研究最为透彻，由于结构简单可以进行直接 算，优化完成后进而设计制作，其电池效率也可以实际测试。目前针对一维光子晶体的研究正在向者降低成 本、超薄结构等方向发展；二维光子品体在太阳能电池上的应用研究主要集中在介质形状的选择、占空比以 及介质高度对陷光的影响等方面。光子品体材料主要是硅、诺等半导体材料，目前也向其它有机物和氧化物 材料发展，二维光子晶体由于结构并不复杂，普通的机械刻槽、光刻以及各种气相沉积方法就能够实现：三维 光子晶体结构拥有前两种光子晶体无法比拟的优点，同时对于材料的选择和制作方法要求很高，目前主要是 选择特殊结构的化合物和应用自组装等方法来实现。 显然，光子晶体结构太阳能电池比传统的薄膜太阳能电池不仅节省材料，而且具有更高的效率，是太阳 能电池的一个重要发展方向。随着低成本印刷技术的采用，各种可采用的低成本材料增多（特别是有机 物)，新结构设计和制作工艺改进等，光子晶体太阳能电池会成为新能源利用的重要结构，为人类能源的绿 色利用带来巨大的经济效益和社会效益 参考文献 [)李是中.丁新军.浅谈太阳能利用)】.科技信息，2010,19：76667。 NN.Jumath F N.et al.Fr 018 China Academie Joumal Electroni Publishing House.All rights reserved.htp:/www.nk
第 2 期 姜澄溢等: 光子晶体在太阳能电池中的应用 295 一种思路。在介质柱型光子晶体中，为了更大的提高效率，很多研究人员把纳米线进行处理，让它成为一个 核-壳结构。Yang 课题组［16］在单根 CdS 纳米线外包裹一层 Cu2 S，形成一个核-壳结构太阳能电池，其在 300 ～ 800 nm 波长范围吸收效率较高，峰值出现在 500 nm 波长附近，总的电池效率达到 5． 4% 。北海道大学 ( Hokkaido University) 与日本厂商 Honda 集团共同研究出磷化铟( InP) 的核-壳结构纳米线太阳能电池［17］，并 称其转换效率高达 12． 3% 。总之，纳米线的处理方式主要包括两个方面: 在硅线表面沉积抗反射层和加入 氧化物诱导光散射。 2． 3 三维光子晶体在太阳能电池中的应用 较一维和二维光子晶体，三维光子晶体具有更为复杂的结构和更好的禁带效应。利用三维光子晶体结 构制备的太阳能电池，光子在其留滞时间和平均光子路程增加，可以大大提高太阳能电池的效率。三维光子 晶体由于结构较为复杂，普通的制备二维和一维光子晶体的方法并不适用于三维光子晶体。三维光子晶体 制备的方法大致可以分为以下几种: 蘸笔纳米光刻术、胶体微球自组装法、多光束相干、相位光栅、掠角度沉 积技术和电子束离子束联用等。三维光子晶体主要应用在敏化太阳能电池上，其主要使用自组装方法来完 成的。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有 一定规则几何外观的结构，其实一种整体的复杂的协同作用。 液体电解质敏化太阳能电池已经实现在大约 520 nm 频谱范围的最大量子效率( 光电转换) ，但是在红 外和近红外光光捕获效率相对较低。在固态的装置中，光捕获一般被薄膜的厚度所限制，因为厚的介孔材料 很难渗入［18］。为了解决这些难题，课题组以前运用水平沉积法自组装了多种 FCC 结构的三维聚苯乙烯 ( PS) 胶体光子晶体［19］，得到直径为 495 nm 的三维 PS 胶体光子晶体，结构在 1800 ～ 2000 nm 的远红外区域 具有很好的反射谱; 直径为 790 nm 的 PS 胶体晶体，其在 950 ～ 1150 nm 近红外区域具有很好的反射谱。 三维光子晶体还可以应用在电极的制作上，进一步提高太阳能电池的效率。单体育［21］制备了一种 CdSe 纳米晶簇与 TiO2 反蛋白石结构光子晶体复合光电极，并以 225 nm 聚苯乙烯微球蛋白石结构为模板， 采用液相沉积法制备 TiO2 反蛋白石结构光子晶体，测试结果表明其在 400 ～ 700 nm 可见光波长范围内具有 较大的光电转换效率，是 TiO2 薄膜复合电极的 2． 5 倍。 3 总结与展望 光子晶体在太阳能电池中的应用研究中，一维光子晶体的研究最为透彻，由于结构简单可以进行直接计 算，优化完成后进而设计制作，其电池效率也可以实际测试。目前针对一维光子晶体的研究正在向着降低成 本、超薄结构等方向发展; 二维光子晶体在太阳能电池上的应用研究主要集中在介质形状的选择、占空比以 及介质高度对陷光的影响等方面。光子晶体材料主要是硅、锗等半导体材料，目前也向其它有机物和氧化物 材料发展，二维光子晶体由于结构并不复杂，普通的机械刻槽、光刻以及各种气相沉积方法就能够实现; 三维 光子晶体结构拥有前两种光子晶体无法比拟的优点，同时对于材料的选择和制作方法要求很高，目前主要是 选择特殊结构的化合物和应用自组装等方法来实现。 显然，光子晶体结构太阳能电池比传统的薄膜太阳能电池不仅节省材料，而且具有更高的效率，是太阳 能电池的一个重要发展方向。随着低成本印刷技术的采用，各种可采用的低成本材料增多( 特别是有机 物) ，新结构设计和制作工艺改进等，光子晶体太阳能电池会成为新能源利用的重要结构，为人类能源的绿 色利用带来巨大的经济效益和社会效益。 参 考 文 献 ［1］ 李建中，丁新军． 浅谈太阳能利用［J］． 科技信息，2010，19: 766-767． ［2］ Green M A ，Emery K，Hishikawa Y，et al． Solar Cell Efficiency Tables［J］． Progress in Photovoltaics Ｒesearch and Applications，2011，19( 5) : 565-572． ［3］ Bella F，Mobarak N N，Jumaah F N，et al． From Seaweeds to Biopolymeric Electrolytes for Third Generation Solar Cells: an Intriguing Approach ［J］． Electrochimica Acta，2015，151: 306-311．
296 人工品体学报 第47卷 os山lOis is,2014.3143):41-47. 【6]陆晓东，伦淑期.周海，等.基于一维光子品体略光的超海品硅太用电池研究].人工品体学报，2013,42(4)：630634 7]降培专，候国付，素松，等.硅基薄膜太阳电池一维光子品体背反射器的模叔设计与制备川.物理学报，2014,63(12)：128801. [8]Mutitu C.ShiS Y.Chen C H.t Thin Film Silicon Solar Cell Design Based on Photonie Crystal and Diffractive Grating Structure ic,2013.30922:318-322 1m,1991,67(17):22952298 m,2012.285(6:1238+241. of Multi-paired Photonie Crystals by the Multiple 1015. [14]】周建伟，梁静秋，梁中着，等.硅纳米线阵列的光学特性门.发光学报，2010,31(6)：89498. [15]Kelzenberg M D.Boettcher S W.Petykiewiex J A.et al.Enhanced Abeorption and Carrier Collection in Si Wire Arrays for Photovoltaic 6] . .20109%3到，239244 0116016 【7】日本科学家利用磷化暇纳米线来提升太图能电池效能[O1].光电新佩网，2009455.r11.k.m/2009451AT260001- 811028414449.html. [18]Guldin S,Huttner S,Kolle M,et al.DveSensitized Solar Cell Based on a Three-Dimensional PhotonicCrystal []Nano Letters,2010,10(7): 23032309 征.人工届体学报：20 结构光子品仪 的制备及其可见光下光电 研究D 大连理工大学，2014. [221 $Dotter ng in CulnSe:nanoerystal-ased sola cedl].0 ptics Expess,2017,25(12):285852285837. 2017.7254549 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.nki.ne
296 人 工 晶 体 学 报 第 47 卷 ［4］ 王海燕． 硅基太阳能电池陷光材料及陷光结构的研究［D］． 郑州: 郑州大学博士学位论文，2005． ［5］ Xing S，Broderick L Z，Kimerling L C． Photonic Crystal Structures for Light Trapping in Thin-film Si Solar Cells: Modeling，Process and Optimizations［J］． Optics Communications，2014，314( 3) : 41-47． ［6］ 陆晓东，伦淑娴，周 涛，等． 基于一维光子晶体陷光的超薄晶硅太阳电池研究［J］． 人工晶体学报，2013，42( 4) : 630-634． ［7］ 陈培专，侯国付，索 松，等． 硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备［J］． 物理学报，2014，63( 12) : 128801． ［8］ Mutitu J G，Shi S Y，Chen C H，et al． Thin Film Silicon Solar Cell Design Based on Photonic Crystal and Diffractive Grating Structures［J］． Optics Express，2008，16( 19) : 15238-15248． ［9］ Zheng G G，Xu L H，Pei S X ，et al． Theoretical Analysis of Performance Improvement of Thin Film Solar Cells with Two-dimensional Photonic Crystals And Distributed Bragg Ｒeflector Texture Structures［J］． Optics Communications，2013，309( 22) : 318-322． ［10］ Yablonovitch E，Gmitter T J． Photonic Band Structure: the Face-centered-cubic Case Employing Nonspherical Atoms［J］． Physical Ｒeview Letters，1991，67( 17) : 2295-2298． ［11］ Kundikova N D，Miklyaev Y V，Pikhulya D G． Ｒhombohedral Photonic Crystals by Triple-exposureInterference Lithography: Complete Photonic Band Gap［J］． Optics Communications，2012，285( 6) : 1238-1241． ［12］ Yeo J B，Lee H Y． Ｒealization of Multi-paired Photonic Crystals by the Multiple-exposure NanosphereLithography Process［J］． Scripta Materialia， 2012，66( 5) : 311-314． ［13］ Han S E，Chen G． Optical Absorption Enhancement in Silicon Nanohole Arrays for Solar Photovoltaics［J］． Nano Letters，2010，10( 3) ，1012- 1015． ［14］ 周建伟，梁静秋，梁中翥，等． 硅纳米线阵列的光学特性［J］． 发光学报，2010，31( 6) : 894-898． ［15］ Kelzenberq M D，Boettcher S W，Petykiewicz J A，et al． Enhanced Absorption and Carrier Collection in Si Wire Arrays for Photovoltaic Applications［J］． Nature Materials，2010，9( 3) ，239-244． ［16］ Tang J Y，Huo Z Y，Brittman S，et al． Solution-processed Core-shell Nanowires for Efficient Photovoltalc Cells［J］． Nature Nanotechnology， 2011，6( 9) ，568-572． ［17］ 日本科学家利用磷化铟纳米线来提升太阳能电池效能［OL］． 光电新闻网，2009-05-15． http: / / solar． ofweek． com /2009-05 /AＲT-260001- 8110-28414449． html． ［18］ Guldin S，Huttner S，Kolle M，et al． Dye-Sensitized Solar Cell Based on a Three-Dimensional PhotonicCrystal［J］． Nano Letters，2010，10( 7) : 2303-2309． ［19］ 万 勇，蔡仲雨，赵修松，等． PS 微球胶体晶体薄膜及其反相 SiO2 结构的制备和表征［J］． 人工晶体学报，2011，40( 1) : 150-154． ［20］ 万 勇，蔡仲雨，贾明辉，等． 非密堆积型 PS 胶体晶体及其 TiO2 反结构的制备［J］． 人工晶体学报，2014，43( 11) : 2860-2864． ［21］ 单体育． 反蛋白石结构光子晶体光电极的制备及其可见光下光电性能的研究［D］． 大连: 大连理工大学，2014． ［22］ S． Dottermusch，A． Quintilla，G． Gomard，A． Ｒoslizar，et al． ． Infiltrated photonic crystals for light-trapping in CuInSe2 nanocrystal-based solar cells［J］． Optics Express，2017，25( 12) : 285852-285857． ［23］ Amoolya Nirmal，Aung Ko Ko Kyaw，Wang Jianxiong，et al． ． Light Trapping in Inverted Organic Photovoltaics with Nanoimprinted ZnO Photonic Crystals［J］． IEEE Journal of Photovoltaics，2017，7( 2) : 545-549． ［24］ 沈宏君，李 婷，卢辉东，等． 利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率［J］． 发光学报，2016，37( 7) : 816-822．