摘要：陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一.以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力.通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结.针对以上三种应用,本文运用有限时域差分（FDTD）法系统研究了硅纳米线阵列在300—1100 nm波段的光学特性.结果表明,当硅纳米线作为太阳电池的减反层时,周期P=300 nm,高度H=1.5μm,填充率（FR）为0.282条件下时,反射率最低为7.9%.当硅纳米线作为轴向p-n结电池时,P=500 nm,H=1.5μm,FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%.硅纳米线作为径向p-n结电池时,其光吸收主要依靠纳米线,硅纳米线P=300 nm,H=6μm,FR=0.349条件下其吸收效率高达32.4%,进一步提高其高度吸收效率变化不再明显.此外,本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质,与周期性硅纳米线阵列相比,直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高,相比于周期性硅纳米线阵列,优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%,吸收效率为27.8%.本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化,为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.

关键词：光子晶体 硅纳米线阵列 有限时域差分法 太阳电池 

单位：北京工业大学材料科学与工程学院 北京100124 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室 北京100083