第三章 理論模擬實驗方法與結果與討論
3.3 太陽能電池反射器模擬結果與討論
在這篇論文中，全部的太陽能電池堆疊，都選擇米氏共震器(Mie resonator)為基礎為 設計，試圖使光子在矽層得吸收路徑增加。為了公平性，金屬反射層和介電層會並列顯 示其數據，而表面的奈米結構如圖24所示。
首先，我們會模擬漫反射器在週期性與非週期性的反射率頻寬，並進行比較。金屬 鏡的部分，會先針對四種不同的光柵結構進行模擬，其中兩種結構包含介電質隔離層與 金屬層堆疊出不同的光柵，得到金屬反射器的最佳結構。最後，將介電反射鏡與金屬鏡，
進行角度輻射圖模擬，繪成平均時間下的波印亭向量，並進行比較分析與討論。
3.3.1 介電質反射器
漫反射器經過最佳化後，dH=25nm、D=229nm、L=71nm 能得到最大反射率，其中 dV是在10nm到300nm間隨機變化，由圖34(b)介電質反射器的反射率曲線，可看出頻寬波 長介於400nm到1000nm，覆蓋了整個可用的光譜範圍，甚至能夠超過1000nm。在頻寬 外的反射率峰值，是因為輻射共振的關係，但是其共振強度會比頻寬內的耦合強度要來 的弱。在反射頻譜中，反射率驟降，是因為在反射鏡結構中是以Bloch傳播模式(Bloch propagation modes)在傳遞[70]。當漫反射鏡的反射率頻寬不更夠時，只要在波傳遞方向 上增加散射位置點，也等於是增加固定的折射率比值的數量，便能增加寬度，因此通過 增加油漆反射器的厚度，能使光子因為碰到更多的漫介質而更加散射。但這種作法不適 用於週期性的結構，例如DBR或是週期性漫反射器。
積分吸收率如圖34(a)，AInt是積分吸收率的最大值，因此這裡的最佳結構，和最佳 反射頻率的結構略有不同，因為反射率作圖是為了呈現出漫反射鏡優異的反射能力。漫 反射器的太陽能電池，經過幾何形狀最佳化後能得到積分吸收率的最大值。在這裡分別 在兩種不同厚度的矽吸收層，進行金屬背反射器的最佳化分析，以得到最大積分吸收率。
在300nm的薄吸收層時，Λ=624nm、tARC=97nm、D=553nm、L=277nm、dh=70nm、FF=0.62、
hg=135nm；在30μm厚吸收層時，Λ=359nm、tARC=126nm、D=244nm、L=376nm、dh=115nm、
FF=0.45、hg=89nm。
表 2則比較了AM1.5頻譜下的太陽能電池搭配不同金屬背反射層與介電反射鏡的 積分吸收率的量質，在下個章節中會繼續進行討論。
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(a) (b)
圖 34(a) 油漆漫反射器的太陽能電池吸收光譜。(b) 油漆漫反射器的反射率。
3.3.2 金屬反射器
這一節是為了比較介電反射鏡和傳統的金屬反射鏡，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。在圖35和表 2中呈現其反射率與太陽能電池積 分吸收率。我們選擇使用3.1.2太陽能電池反射器模擬方法中，所討論的圖26(a)平面金屬 加上光柵介電質隔離層的金屬反射鏡，作為太陽能電池的反射器配置，以達到最大吸光 效果，並進行幾何形狀最佳化，來得到最大積分吸收率。
圖35顯示出圖26(a)金屬背反射器的反射率，他雖然涵蓋了400-1000nm整個可用的光 譜範圍，但在整個頻譜中呈現顯著的電漿吸收，即使上方有介電質隔離層光柵在金屬上 方，仍擋不住電漿吸收的損失。接著將圖26(a)的金屬反射器結構，太陽能電池的反射器 配置，分別在兩種不同厚度的矽吸收層，進行金屬背反射器的最佳化分析，以得到最大 積分吸收率。在300nm薄吸收層時，Λ=539nm、tARC=59nm、FF=0.38、hg=194nm；在30μm 厚吸收層時，Λ=400nm、tARC=98nm、FF=0.77、hg=88nm、tds=82nm，其結構參數如圖 24與圖27所示。並將結果紀錄在
，比較了AM1.5頻譜下的太陽能電池搭配不同金屬背反射層與介電反射鏡的積分吸 收率的量，發現在厚吸收層的情況下，金屬反射器太陽能電池有較大的積分吸收率，但 在薄吸收層時卻會小於漫反射器太陽能電池，這是因為金屬反射器會因電漿吸收而造成 損失。但兩者的積分吸收率差異不大，說明圖26(a)最佳金屬結構中，平面金屬半導體的
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表面，只有微弱的金屬吸收。
(a) (b)
圖 35 (a)金屬反射器的太陽能電池吸收率頻譜圖 (b)金屬鏡的反射率與金屬吸收率
表 2、使用不同反射器的太陽能電池，其最大積分吸收率(AInt)的比較表 Mirror Type WP Mirror
(300nm)
Metallic (300nm)
WP Mirror (30μm)
Metallic (30μm) AInt 0.588 0.543 0.971 0.988
3.3.3 油漆反射器與金屬反射器角度輻射比較
在圖36和圖37中，畫出不同背反射器的太陽能電池在λ=1μm長波長角度輻射圖。圖 36(a)和(c)以及表 3，可以看出圖36(c)純金屬光柵結構，可提供更強的光散射量，以及 更大的光散射角θscatt，但相對的，金屬吸收率卻也相當大，如表 3所示，因此純金屬光 柵無法獲得極大的積分吸光度。圖36(a)的配置中，使用了平面的金屬半導體界面，讓金 屬吸收散失率變得很小，同時得到較大的積分吸收度。另一方面，經常被拿來進行太陽 能電池實驗的圖36(b)，其散射角與金屬吸收率，介於結構(a)和(c)之間。對於介電質鏡，
其散射角度呈現在圖37，而表 3中列出散射角度。通常一般會認為，電介質奈米粒子的 光散射效率，應該要比電漿散射來的低，但這裡可以發現，沒有電漿激發的漫反射器，
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也具有優異的散射性質。
儘管游介電反射鏡和金屬鏡的散射和光捕捉機制綜合來看，介電反射鏡的積分吸收 度會比較高，因為介電反射鏡不會因為電漿吸收而造成損失。然而，表 2卻顯示出介電 反射鏡和金屬鏡的積分吸收度是相似的，這是因為圖36(a)最佳金屬結構中，平面金屬半 導體的表面，只有微弱的金屬吸收，也可以從表 3數據證明，平面金屬加上光柵介電質 隔離層的結構中，金屬吸收率是金屬結構中最小的。
雖然介電反射鏡和最佳結構金屬鏡，都可以達到光捕捉的效應，其積分吸收率也相 同，但相比較之下，介電質具有優異的附加功能，是金屬鏡無法比擬的，包含低成本、
低溫製成、高產出的優點[12, 13]。又因介電反射鏡提供不會造成電漿吸收損失，對於超 薄太陽能電池或是多接面太陽能電池的分光，有更大的利用價值。就分光的情況下，必 須多一個窄帶率光反射鏡，金屬鏡即使是使用最好的結構設計，依舊會因累積的金屬吸 收損失，而使特性變差。
圖 36 金屬反射鏡在波長 λ=1μm 時的角度輻射圖，屬於長波長角度輻射圖。(a)平面金屬 鏡堆疊上光柵介電質隔離層 (b)金屬光柵反射鏡加上介電質包覆住光柵 (c)純金屬光柵 鏡
圖 37 漫反射鏡在波長 λ=1μm 時的角度輻射圖，屬於長波長角度輻射圖。
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表 3、比較不同介電反射鏡和金屬鏡在λ=1μm，長波長散射角度，其中散射角度越大，
會有越強的光散射。
Mirror Type WP Mirror
Planar Metallic With Grated Dielectric Spacer
Grated Metallic Wrapped by a Dielectric Spacer
Bare Metallic with Grating
θscarr 42.8° 26.5° 32.5° 39.2°
Metallic
Absorbance (%) 0 1.4 12.3 23.3
3.3.4 結論
介電反射鏡提供超高頻寬的反射率，只要透過適當的非週期性變化或是隨機的結構，
設計出介電反射鏡，便能讓頻寬變得比傳統介電反射鏡大，可以應用在需要光捕捉效應 的太陽能電池上。另外，分別取不同介電反射鏡與金屬鏡，做成最佳結構的太陽能電池，
並拿來做比較，發現介電反射鏡較適合應用在薄膜太陽能電池上。
單位時間的角度輻射波印廷向量圖，證明出儘管介質鏡不會產生電漿輻射，仍然可 以提供高效率的光散射。也能觀察到金屬鏡和介電反射鏡兩者都有相同的光捕捉能力，
但太陽光電系統未來應該選用介電反射鏡，因為成本低、低溫製成、高產出、沒有電漿 吸收損失的優點，而這些優點是金屬反射鏡所無法達到的。
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Cleaned by Acetone Deposit a-Si Deposit ITO and defined area
HDP Etch a-Si ITO as a mask
Deposit Reflector
I-V curve