太陽能電池反射器模擬方法

在第二階段模擬實驗中，將漫反射器設定為油漆反射器，漫反射器進行週期性與非 週期性調變，並將漫反射器搭配在不同厚度的太陽能電池上，進行吸收率的應用比較。

而金屬鏡則是搭配介電質隔離層，做成四種不同結構進行比較，圖26所示，以得到金屬 鏡最佳化的結構。最後，呈現出反射器和金屬鏡的光捕捉機制比較結果，並進行分析與 討論。太陽能電池表面的奈米結構，主要選擇使用米氏共震器(Mie resonator)，能夠等同 於光子晶體的環形光柵[48]，如圖24所示。

圖 24 描繪出在模擬部分太陽能電池的堆疊，左圖為上層結構。米氏共震器(Mie resonator) 被選來做為太陽能電池表面的奈米結構，正方體晶格排列，形成能夠等同於光子晶體的 環形光柵。

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由於基因演算法在科學和工程上有不需要猜測初始值的優點[49-52]，因此以下四個 實驗過程中，皆使用基因演算法進行全局優化算法(global optimization)，找出不同材料 反射器的最佳結構。其中，材料的參數是來自 Rsoft 材料資料庫[45]和文獻[53-56]。太 陽能電池中主要調變厚和薄的吸收層，吸收層使用結晶矽的參數，因為矽基板為底的 c-Si wave nalysis, RCWA）[57-60]，此處使用的方法和平常用在光柵上的方程是差不多[61]，

偏振角為 45 度，因此其結果是 s-和 p-偏振的平均值。

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二氧化鈦奈米粒子有超優異的光散射特性，造成高反射率以及光捕捉機制。而在模擬的 設定中，二氧化鈦奈米粒子間垂直的間距為dV，在10-300nm隨機變化，垂直方向上的總 數量N=64，水平方向的二氧化鈦奈米粒子，在真實的漫反射鏡中也該假設為隨機分佈，

但是如果三個維度皆為隨機，電腦會無法計算管理。因此，這裡使用B.Lipovšek等人研 究的一維系統的隨機近似法[13]，模擬漫反射器的基本物理。而垂直間隔dV，使用基因 演算法來進行優化，找出漫反射器的最佳反射率結構，以及太陽能電池最佳積分吸光度 的結構。

圖 25 描繪出油漆漫反射器太陽能電池的堆疊。漫反射器中二氧化鈦是圓柱狀，能提升 反射率。

2. 金屬反射鏡：

為了比較介電反射鏡和傳統的金屬反射鏡的差別，探討兩種反射器應用在太陽能電 池上的反射率頻譜響應及積分吸光度。太陽能電池使用抗反射膜覆蓋在表面，抗反射膜 的結構如圖24所示，矽吸收層以及油漆背反射器的結構如圖27所示。並使用基因演算法 進行幾何形狀的優化，找出漫反射器的最佳反射率結構，以及太陽能電池最佳積分吸光 度的結構。

然而，金屬反射器有許多不同樣式，如圖26，呈現出不同金屬背反射器的設計，部 分包含介電質，部分沒有。因此必須了解不同的金屬結構的差異，才能選擇應用在太陽 能電池的金屬鏡。對於現今的製程技術來說，圖26中所有結構都能輕易的實現，但最常 用在矽薄膜太陽能電池反射器的結構是圖26(c)[62]，光柵金屬鏡加上介電質隔離層做包 覆。對於圖26 (b)的光柵金屬背反射器來說，金屬吸收率會優於表面電漿子輻射[38]。圖 26(d)中的平面金屬反射器，霧度(Haze)和光散射量皆不足，因此平面金屬結構只能用在 一種情況，即抗反射膜本身已經提供一個足夠大的散射角，確保太陽能電池吸收增加的 幅度。圖26中，有兩種被介電質隔開的金屬鏡結構，一個是金屬光柵由電介質隔離層包 覆，如圖26(c)；另外一種是平面金屬板，堆疊上光柵的介電質隔離層，如圖26(a)。在

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Albert Lin的研究中，已經證明出平面金屬鏡加上光柵介電質隔離層的結構，是最適合應 用在太陽能電池上，使電池吸收增強的結構[34]，因為金屬平面板造成的電漿吸收損耗 在裡面是最低的。另外，雖然圖26(a)結構和(c)中的金屬鏡相比，(c)可以提供更強的電 場輻射，但是電漿吸收造成的損失，會大於角度散射所提升的量。就結果來說，圖26(a) 可做為金屬背反射器的最佳結構。因此，我們選擇圖26的金屬鏡做太陽能電池的配置，

以達到最大吸光效果，進行幾何形狀的優化，來得到最大積分吸收率。其中金屬鏡或是 介電反射鏡上方的折射係數被設定為nr=3.1，用來模擬真實太陽能電池的光子由半導體 入射到背反射器，這項測試已經被Paetzold等人所採用[63]。

圖 26 不同結構的金屬反射器，為太陽能電池背反射器。(a)平面金屬鏡加上光柵介電質 隔離層 (b)光柵金屬鏡 (c)光柵金屬鏡加上包覆的介電質隔離層 (d)平面金屬鏡

圖 27 畫出金屬鏡的太陽能電池結構圖，所選擇使用的金屬背反射鏡，是基於電漿光散 射以及金屬吸收損失兩者經取捨後，得到最好的結果。

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poynting avg poynting poynting avg y

P  P  P

(x, y, z) _{n m}, exp(jk z) exp(jk x) exp(jk y)_{z n m}

scatt 90 avg

   (21) 這是因為極座標通常由正x軸方向零開始，在反射或繞射的專門用語中，散射角度 通常是指，垂直於基板的法線和反射線的夾角，因此，較大的θ_scatt或較小的θ_avg表示更強 的光散射，如圖28所示。

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圖 28 散射角度示意圖，散射角度通常是指，垂直於基板的法線和反射線的夾角，因此，

較大的θscatt或較小的θavg表示更強的光散射。

將金屬反射鏡與漫反射器應用在太陽能電池的結構，進行矽積分吸收率、反射率、

金屬吸收率以及散射角度比較，其金屬反射鏡與漫反射器的結果不論使用在何種太陽能 電池結構上，比較結果都不會改變，因為此處所選擇的結構介在次波長散射區域內[63, 67, 69]。