[论文解读] Total Internal Reflection for Effectively Transparent Solar Cell Contacts

Phillip Jahelka, Rebecca Saive+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出使用折射率低于封装材料的三角形空腔，以实现全内反射（TIR），将入射光从金属电极偏转，引导至太阳能电池吸收层。模拟与概念验证实验表明，该方法可减少反射损耗，并在广泛入射角范围内提升光电流，空间分辨激光束感应电流（LBIC）测量证实了在主栅区域有效电流收集的显著增加。

ABSTRACT

A new strategy for eliminating photocurrent losses due to the metal contacts on the front of a solar cell was proposed, simulated, and tested. By placing triangular cross-section lines of low refractive index on top of the contacts, total-internal reflection at the interface of the low-index triangles and the surrounding material can direct light away from the metal and into the photoactive absorber. Simulations indicated that losses can be eliminated for any incident angle, and that yearly energy production improvements commensurate with the metallized area are possible. Proof of principle experiments were carried out to eliminate the reflective losses of a commercial solar cell's busbar contact. Spatially resolved laser beam induced current measurements demonstrated that reflection losses due to the busbar were reduced by voids with triangular cross-section.

研究动机与目标

• 解决晶体硅太阳能电池前表面金属电极引起的光电流损失，此类损失降低效率并阻碍成本降低。
• 开发一种不改变太阳能电池内部结构、仅通过全内反射（TIR）将入射光从金属电极偏转的方法。
• 展示一种简单、兼容且可扩展的商业化太阳能电池解决方案，通过减轻反射损耗提升能量捕获。
• 通过原型结构的空间分辨激光束感应电流（LBIC）测量，对概念进行实验验证。

提出的方法

• 该方法利用横截面为三角形的空腔，其折射率低于周围封装材料（ne），在三角形与封装材料界面处诱导全内反射（TIR）。
• 应用斯涅尔定律推导TIR的临界角条件，确保入射光被反射进入太阳能电池，而非从金属电极逸出。
• 通过调节三角形的几何参数（高度h、宽度w）与折射率对比度（nt < ne），实现对宽入射角范围的TIR支持。
• 理论建模与LightTools仿真预测了在不同太阳入射角下光电流增强与年能量产出提升。
• 概念验证实验采用3D打印的PDMS模具，在主栅上方形成三角形空腔，以测试光路偏转效果，结果通过反射显微镜与空间分辨LBIC进行验证。
• 该技术设计为与现有商业化太阳能电池制造工艺及封装材料兼容。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用全内反射将光从金属电极偏转至吸收层，从而消除反射损耗？
• RQ2 为实现宽角度范围内的TIR，所需的几何与光学参数（折射率对比度、三角形纵横比、入射角）是什么？
• RQ3 能否使用低成本、易获取的材料与标准表征技术对本方法进行实验验证？
• RQ4 与传统封装相比，该方法在年能量产出方面能提升多少？
• RQ5 该设计对长期组件可靠性有何影响，特别是气体扩散或分层风险？

主要发现

• 模拟结果表明，只要折射率对比度与几何参数匹配得当，所提出的三角形空腔可消除任意入射角下的反射损耗。
• 理论分析证实，当三角形/封装材料界面处的入射角超过临界角时发生TIR，临界角由折射率对比度与三角形几何形状决定。
• 空间分辨激光束感应电流（LBIC）测量显示，当存在三角形空腔时，主栅区域的光电流明显增强，由于光线反射，栅线电极似乎穿过三角形结构。
• 反射显微镜与LBIC图像表明，三角形空腔能有效将光引导至硅基质中，减少金属电极造成的损耗。
• 该方法具有角度无关性，且与商业化太阳能电池兼容，可显著提升年能量产出，提升幅度与金属化区域面积成正比。
• 通过3D打印PDMS模具实现实验验证，证明了该方法概念的可行性，且制造复杂度极低，无需先进光刻工艺。