郭 洪，王 琳，王 旭，楊平雄，敬承斌，2，褚君浩，3

（1.極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院），上海200241；2.華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院材料系功能材料研究所，上海200241；3.紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所），上海200083）

空芯光纖硅太陽(yáng)能電池制備及光捕獲研究

郭 洪1，王 琳1，王 旭1，楊平雄1，敬承斌1，2，褚君浩1，3

（1.極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院），上海200241；2.華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院材料系功能材料研究所，上海200241；3.紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所），上海200083）

本文提出一種空芯光纖結(jié)構(gòu)硅基太陽(yáng)能電池，并探討其制備方法和光捕獲性能.依據(jù)平面電池受光原理和空芯波導(dǎo)的限光機(jī)制提出了空芯光纖硅基太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，采用卷曲柔性平面非晶硅薄膜電池制備出圓筒形空芯光纖硅電池.通過(guò)對(duì)比研究入射光量一定的條件下平面電池和空芯光纖電池的光生電流和電壓值，評(píng)估空芯光纖電池的光捕獲效果.通過(guò)測(cè)量不同光入射角度和光照強(qiáng)度下空芯光纖電池的光生電流和電壓值，揭示光入射角度和光照強(qiáng)度對(duì)空芯光纖電池光捕獲性能的影響關(guān)系.研究表明，空芯光纖硅基電池能將入射光線限制在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)反復(fù)吸收和反射，從而在光捕獲性能方面較平面電池有所提升（～19.8%）.光線入射角度對(duì)空芯光纖電池的光捕獲性能有較大影響，在30°～50°入射時(shí)可以獲得較大的光生電壓和電流值.在0～100 000 lux的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光生電壓先隨光照度增加而增大，而后逐漸趨于恒定值.通過(guò)卷曲柔性平面硅電池獲得光捕獲效率較高的空芯光纖硅電池是可行的，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光線單次入射吸收較低的單節(jié)薄膜電池制備空芯光纖電池有望獲得更好的光捕獲效率提升效果.

太陽(yáng)能；不銹鋼空芯光纖電池；硅電池；光捕獲性能

太陽(yáng)能電池是一種實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的器件，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效利用一直是科研人員努力的方向.自從1839年法國(guó)科學(xué)家Becquerel發(fā)現(xiàn)光生伏特效應(yīng)以來(lái)，各類太陽(yáng)能電池的研究日新月異，特別是產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大的硅基太陽(yáng)能電池［1－4］.除開發(fā)新型電池和提高太陽(yáng)能電池的效率外，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的物理結(jié)構(gòu)，提高太陽(yáng)光的捕獲率也是太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，如通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出的光纖類電池［5－8］.由NASA和 Washington DC資助的 Welser等人在2015年申請(qǐng)了一種染料敏化波導(dǎo)太陽(yáng)能電池的專利，通過(guò)輻射限制，使GaAs太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到30%，提升了染料敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率［8］.中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所的王麗莉等報(bào)道了一種空心光纖式太陽(yáng)能電池［9］，其電池包括外空心光纖和內(nèi)空心光纖，一起組合成為1種染料敏化液芯光纖結(jié)構(gòu)電池.

空芯光纖結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池具有優(yōu)秀的光限制特性［9－10］，可將入射進(jìn)入空芯光纖的光線進(jìn)行多次反射與吸收，理論上可以提高入射進(jìn)入電池內(nèi)光的利用率.不銹鋼［11－14］硅基太陽(yáng)能電池是研究最深入、實(shí)用化程度最高的太陽(yáng)能電池，但基于硅基太陽(yáng)能電池的空芯光纖太陽(yáng)能電池的研究還尚未見報(bào)道.因此，本文將展開這方面太陽(yáng)能電池的研究.

1 設(shè)計(jì)與制備

圖1給出了本文設(shè)計(jì)的不銹鋼金屬空芯光纖硅基太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖.選用具有一定柔韌性的不銹鋼箔作為襯底，將其卷曲成金屬圓筒作為空芯光纖太陽(yáng)能電池的框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)該不銹鋼圓筒又充當(dāng)電池的金屬底電極.該電池的截面由外到內(nèi)依次為不銹鋼襯底（底電極）、硅基電池的光電轉(zhuǎn)換層和透明電極層.不銹鋼層、光電轉(zhuǎn)換層和透明電極層彼此緊密接觸，并與空芯部分一起構(gòu)成1個(gè)空芯光纖電池結(jié)構(gòu).

圖1 不銹鋼空芯光纖結(jié)構(gòu)硅基太陽(yáng)能電池示意圖Fig.1 Schematic of a stainless steel hollow fiber solar cell

實(shí)驗(yàn)中采用成熟的平面薄膜硅基太陽(yáng)能電池產(chǎn)品制作空芯光纖電池樣品.盡量選用柔性的不銹鋼襯底硅基薄膜太陽(yáng)能電池片，通過(guò)卷曲法制成空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)電池.本文所用的是非晶硅薄膜電池，以柔性不銹鋼金屬箔為襯底，電池的表面（受光面）由金屬網(wǎng)格覆蓋P－N結(jié)形成頂電極.通過(guò)對(duì)多種硅基類太陽(yáng)能電池片的篩選，在考慮電池的柔韌性和幾何尺寸等因素的基礎(chǔ)上，選用北京市華興陽(yáng)光科技有限公司提供的平面不銹鋼箔襯底非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池裸片，尺寸為40 mm× 180 mm×0.5 mm，電池光電轉(zhuǎn)換層的厚度約為0.05 mm.將平面硅基太陽(yáng)能電池在寬度方向上進(jìn)行卷曲，獲得圓筒狀空芯光纖結(jié)構(gòu)，其半徑為0.8 cm.在卷曲后的空芯光纖電池中通過(guò)金屬銅導(dǎo)線引出兩個(gè)電極.試驗(yàn)中選取兩片平面硅基太陽(yáng)能電池.第1片記為1＃樣品，在對(duì)平面狀態(tài)的1＃樣品進(jìn)行測(cè)試后，將其通過(guò)卷曲法制作成空芯光纖電池，記為2＃樣品.第2片平面電池記為3＃樣品，在對(duì)3＃樣品測(cè)試后，通過(guò)卷曲法得到的空芯光纖電池記為4＃樣品.該平行試驗(yàn)可以驗(yàn)證由于平面電池片的個(gè)體差異可能造成的試驗(yàn)誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度.

2 光捕獲性能研究

2.1 入射光源的選擇與搭建

室外太陽(yáng)光經(jīng)常因?yàn)樘鞖獾母淖兌兓?，且太?yáng)光強(qiáng)度及照射角度也不斷隨時(shí)間發(fā)生變化，直接以室外太陽(yáng)光作為入射光源研究空芯光纖電池對(duì)光的捕獲能力可能使前后實(shí)驗(yàn)的光照條件不一致.因此，本研究采用XD－300氙燈搭建光源和光路系統(tǒng).氙燈輻射光色溫約為6000 K，其光譜能量分布與太陽(yáng)光相近［15］.本試驗(yàn)中需要使用點(diǎn)光源和平行光源.在XD－300氙燈出光口通過(guò)高透過(guò)率光纖對(duì)光進(jìn)行調(diào)制；在光纖出射口形成的光源可作為點(diǎn)光源.在光纖點(diǎn)光源出射口設(shè)置凹面鏡，使點(diǎn)光源處于凹面鏡的焦點(diǎn)處，經(jīng)凹面鏡調(diào)制后形成平行光.

基于搭建的光源平臺(tái)，本文主要通過(guò)3個(gè)方面探討不銹鋼空芯光纖硅基太陽(yáng)能電池的光捕獲性能.1）在平行光入射光量一定的情況下研究平面電池和空芯光纖電池的光生電壓和電流值的相對(duì)大小，評(píng)估空芯光纖結(jié)構(gòu)電池相對(duì)于平面電池在光捕獲性能方面的提升效果；2）探討光線的入射角度對(duì)不銹鋼空芯光纖電池對(duì)光捕獲性能的影響，即在平行光入射光量一定的情況下，改變?nèi)肷浣堑奈恢茫芯靠招竟饫w電池光生電壓與電流隨入射角的變化趨勢(shì)；3）研究光照強(qiáng)度對(duì)不銹鋼空芯光纖電池光捕獲性能的影響，即改變點(diǎn)光源的光照強(qiáng)度，觀察光生電壓和電流隨光照強(qiáng)度的變化關(guān)系.

2.2 光線照射位置對(duì)不銹鋼空芯光纖硅基電池光捕獲性能及光電轉(zhuǎn)換效果的影響

依據(jù)光電轉(zhuǎn)化理論，光強(qiáng)度及光線照射位置對(duì)光電轉(zhuǎn)化效率有較大的影響［16］.圖2（a）為平行光以與平面呈30°角度照射在平面硅太陽(yáng)能電池上的示意圖.圖2（b）為平行光以與空芯光纖內(nèi)壁呈30°角度照射電池受光面的示意圖.如圖2所示，雖然彎曲的表面所接受的光照面積要比平面大，但考慮到本實(shí)驗(yàn)中將平面電池以較大曲率半徑卷曲而成的空芯光纖電池，且實(shí)驗(yàn)中所使用的光束光斑較?。?.5 cm2），在彎曲曲面和平面上所形成的受光面積的差異不會(huì)很大.因此，兩種電池光捕獲效果的差異主要是由于入射光在空芯光纖內(nèi)多次反射和吸收所引起的.實(shí)驗(yàn)中主要探討光線從0 cm處逐漸移動(dòng)到18 cm處時(shí)電池的光生電壓和電流的變化情況.

圖2 平行光線以固定入射角（30°）照射平面結(jié)構(gòu)電池（a）和空芯光纖結(jié)構(gòu)電池（b）的示意圖Fig.2 Schematic of planar（a）and hollow fiber（b）solar cells illuminated by parallel light under a fixed angle（30°）

在平行光光照強(qiáng)度為120 000 lux條件下，光源在長(zhǎng)度方向上移動(dòng)，測(cè)量在不同位置時(shí)電池的光生電流及光生電壓.圖3為平面硅電池樣品和空芯光纖電池樣品在不同位置處產(chǎn)生的光生電壓和光生電流曲線.由圖3（a）可知，在光斑沿x軸方向由0 cm移動(dòng)到16 cm的過(guò)程中，平面和空芯光纖電池的電壓分別在1.5和1.6 V左右，可見相比于平面結(jié)構(gòu)電池，照射在空芯光纖電池內(nèi)部的光線可以多次被反射和吸收，具有更好的光捕獲效果.當(dāng)光斑移動(dòng)到16～18 cm位置時(shí)，部分光線已處于電池受光面的有效位置之外，光生電壓減小.對(duì)于光生電流，如圖3（b）所示，當(dāng)光線照射在平面電池上的照射面積一定時(shí)，到達(dá)透明電極層上的光線被吸收和反射，位置在0～12 cm處產(chǎn)生的光生電流值約為1.05 mA.對(duì)于空芯光纖電池，當(dāng)光源在x＝0 cm處，入射進(jìn)入電池的光線一部分被電池吸收層吸收并轉(zhuǎn)化為空穴電子對(duì)；另一部分光被電池內(nèi)壁表面所反射，被反射的光一部分光被再次捕獲轉(zhuǎn)化生成空穴電子對(duì)，另一部分被再次反射.按此規(guī)律，空芯光纖電池的光生電流大于平面電池對(duì)應(yīng)位置的光生電流.隨著光線在平面和空芯光纖內(nèi)部沿x軸方向移動(dòng)距離增大（x為12～18 cm）時(shí)，空芯光纖電池和平面電池的光生電流曲線趨向于重合，如圖3（b）和（d）所示.在光線移動(dòng)到接近空芯光纖電池末端時(shí)，相對(duì)于前端電極距離較大，電池回路電阻較大.此外，越來(lái)越多的反射光線從電池末端開口逃逸，未被電池所捕獲.此時(shí)空芯光纖電池的光捕獲及光電轉(zhuǎn)換效果和平面電池越來(lái)越近似，其光生電流曲線也逐漸趨向于重合.

圖3（c）和（d）分別為3＃平面硅基太陽(yáng)能電池和4?？招竟饫w硅基太陽(yáng)能電池在x軸移動(dòng)時(shí)，在不同位置處產(chǎn)生的光生電壓圖和光生電流圖.市面上出售的平面電池裸片的質(zhì)量有個(gè)體差異，且在采用蜷曲法制備空芯光纖電池過(guò)程中，也存在金屬電極脫落、電池的內(nèi)部膜層間剝離等風(fēng)險(xiǎn).如果僅做一個(gè)樣品，其反映出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律容易受到電池潛在缺陷的影響.通過(guò)平行制備兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，并得到近似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律，可以驗(yàn)證卷曲制備空芯光纖電池的工藝以及對(duì)相關(guān)性能研究的探索是可行和可重復(fù)的.圖3（c）和（d）與圖3（a）和（b）呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了雖然平面電池樣品個(gè)體可能存在差異，但通過(guò)卷曲法工藝制備成空芯光纖電池具有較好的可重復(fù)性.

上述研究表明，空芯光纖電池的光生電流和光生電壓值和光線入射條件（如位置）相關(guān)，在較佳入射條件下空芯光纖電池的光生電壓和電流分別為1.6 V和1.256 mA，平面電池的光生電壓和電流分別是1.52 V和1.103 mA，對(duì)應(yīng)空芯光纖電池比平面電池的光捕獲效率提升比例約為19.8%.由此判斷空芯光纖電池相較于平面電池性能提升比例范圍約為19.8%.考慮實(shí)驗(yàn)中所使用的平面非晶薄膜硅基太陽(yáng)能電池具有多達(dá)13層膜的3節(jié)疊加電池，且表面具有減反膜結(jié)構(gòu)，光線單次入射吸收較高，空芯波導(dǎo)對(duì)入射光線二次或多次反射與吸收的潛力還未充分發(fā)揮出來(lái).如果采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、無(wú)減反膜的單節(jié)電池，則光捕獲性能還有較大的提升空間.

圖3 平行光線照射平面硅電池和空芯光纖電池時(shí)的光生電壓（（a），（c））和電流（（b），（d））曲線Fig.3 Photovoltage（（a），（c））and photocurrent（（b），（d））curves of flat and hollow fiber silicon solar cells illuminated by parallel light

2.3 光線入射角度對(duì)不銹鋼空芯光纖硅基太陽(yáng)能電池光捕獲性能及光電轉(zhuǎn)換效果的影響

圖4（a）為2＃和4＃樣品在平行光光照強(qiáng)度為70 000 lux條件下，以不同角度在電池一端進(jìn)行入射，測(cè)得不同入射角度下的光生電壓曲線.圖4（b）則為對(duì)應(yīng)條件下所測(cè)得的光生電流曲線.由圖4（a）可知，當(dāng)平行光以θ（－80°＜θ＜80°）角度入射時(shí)，空芯光纖橫截面的面積即為進(jìn)入空芯光纖的光量的面積.現(xiàn)在考慮由不銹鋼空芯光纖電池橫截面中心以θ角入射的一束光線，探討其在空芯光纖內(nèi)的相對(duì)反射次數(shù)（n），其中空芯光纖長(zhǎng)（L）18 cm，內(nèi)直徑（d）1.3 cm.

由式（1）可知，當(dāng)光線以30°入射時(shí)，其在空芯光纖內(nèi)吸收并反射的次數(shù)約為6.5次，50°入射時(shí)吸收并反射的次數(shù)約為13.5次.在該范圍內(nèi)，當(dāng)光線在空芯光纖電池內(nèi)的反射吸收次數(shù)為6.5～13.6次時(shí)，可以產(chǎn)生較大的光生電壓與電流.當(dāng)入射光角度大于50°時(shí)，光在空芯內(nèi)的反射次數(shù)增加，但經(jīng)過(guò)多次反射的光，在能量幾乎被吸收殆盡的情況下，使電池的后半部分沒(méi)有發(fā)揮光電轉(zhuǎn)化的作用，且可能會(huì)消耗掉一些電池的前半部分產(chǎn)生的電流，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效果的降低，如圖4（a）和（b）所示.當(dāng)入射角度小于30°時(shí)，光線在樣品內(nèi)的反射次數(shù)減少，有部分光線從光纖電池的另一端逃逸，未被電池充分吸收和利用，所產(chǎn)生的光生電壓和電流值也較小.綜上分析可以得到，當(dāng)平行光線以30°至50°入射時(shí)，可以獲得較大的光生電壓和光生電流值.

圖4 空芯光纖硅基太陽(yáng)能電池的光入射角度－光生電壓（a）和光入射角度－光生電流（b）曲線Fig.4 The curves of incident angle?photovoltage（a）and incident angle?photocurrent（b）of hollow fiber silicon solar cells

2.4 光照強(qiáng)度對(duì)不銹鋼空芯光纖硅基電池光捕獲性能及光電轉(zhuǎn)換效果的影響

圖5（a）是在平面結(jié)構(gòu)硅基太陽(yáng)能電池一端（0 cm處）以點(diǎn)光源入射，點(diǎn)光源距平面結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的距離為0.8 cm.圖5（b）中空芯光纖結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的半徑為0.8 cm，將點(diǎn)光源放在空芯光纖太陽(yáng)能電池一端（0 cm處）橫截面的圓點(diǎn)，對(duì)空芯光纖太陽(yáng)能電池進(jìn)行光注入實(shí)驗(yàn).該方法中要求點(diǎn)光源到平面太陽(yáng)能電池和空芯光纖結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的距離相等.2.2小節(jié)中的研究已經(jīng)表明，單束平行光照射平面和空芯光纖電池時(shí)，空芯光纖電池有較高的光捕獲能力.由于點(diǎn)光源可以看成是很多不同方向的單束光，該光源照射空芯光纖電池并相較于平面電池有更好的光捕獲效果.因此，在本部分研究中只分析討論不同光照條件下對(duì)空芯光纖電池的影響.

圖5 平面結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池（a）和空芯光纖結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池（b）點(diǎn)光源入射示意圖Fig.5 Schematic of planar（a）and hollow fiber（b）solar cells illuminated with point light source

對(duì)空芯光纖結(jié)構(gòu)硅基太陽(yáng)能電池，將點(diǎn)光源放在電池端口處入射，通過(guò)改變點(diǎn)光源的強(qiáng)度，研究不同光照強(qiáng)度下電池的光生電壓與光生電流值的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖6所示.圖6中2＃、4＃為兩個(gè)不同樣品，在0～100 000 lux光照度范圍內(nèi)，其光生電壓隨著光照強(qiáng)度的增加迅速增大.根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)理論，在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光生電壓隨光照強(qiáng)度的增加而增加.但光生電壓不會(huì)隨著入射光強(qiáng)度增大而無(wú)限增大，它的最大值是使得P－N結(jié)的勢(shì)壘高度為零時(shí)的電壓值.P－N結(jié)的勢(shì)壘是由電池材料的帶隙、摻雜水平等本征特性決定的.因此，在0～100 000 lux的光照度范圍內(nèi)，光生電壓先隨光照度增加而增大，而后逐漸接近電池P－N結(jié)的勢(shì)壘高度并趨于恒定值.

由圖6（b）可知，隨著光照強(qiáng)度增加，空芯光纖電池光生電流也在不斷增加，光照強(qiáng)度的增加使更多的光子轉(zhuǎn)化為空穴電子對(duì)，進(jìn)入外電路的電流量增大.隨著光照強(qiáng)度的持續(xù)增加，光生電流增加速度變慢.當(dāng)光照強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，空穴電子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，導(dǎo)致部分空穴電子還未來(lái)得及分開就因激烈的運(yùn)動(dòng)而相互湮滅，則移向兩極的空穴和電子數(shù)量減少，表現(xiàn)為圖6（b）中光生電流增加減緩.

圖6 空芯光纖硅基太陽(yáng)能電池的光照度－光生電壓（a）及光照度－光生電流（b）曲線Fig.6 Light intensity?photovoltage （a） and light intensity?photocurrent；（b）curves of hollow fiber silicon solar cells

從圖3、4和圖6的結(jié)果可知，在相同條件下空芯光纖結(jié)構(gòu)硅基太陽(yáng)能電池的光生電壓、光生電流與平面結(jié)構(gòu)相比有所增加，但效果不是很突出.實(shí)驗(yàn)中注意到，所購(gòu)買的不銹鋼平面硅基太陽(yáng)能電池片在出廠前已對(duì)受光面進(jìn)行了減小反射處理，從而使二次反射光的量不高，由此降低了空芯光纖電池可將二次反射的光多次反射和吸收的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為光生電壓和光生電流沒(méi)有非常顯著地增加.在實(shí)際應(yīng)用中，為了保持空芯光纖電池與太陽(yáng)一直保持較好的光線注入角度，需要借助追日系統(tǒng).目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)光室內(nèi)照明應(yīng)用的追日系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，通常采用多鏡頭陣列形式，與空芯波導(dǎo)電池配對(duì)后亦可實(shí)現(xiàn)集成化和規(guī)模化，可降低單個(gè)電池的發(fā)電成本.此外，為了盡可能增加平面電池對(duì)光的捕獲效果，以往市售平面電池通常采用多節(jié)薄膜電池疊加并在受光面外加減反射膜的復(fù)雜電池結(jié)構(gòu).如本文中所能買到的柔性電池就是多達(dá)13層膜結(jié)構(gòu)的三節(jié)疊加硅薄膜電池，該電池通過(guò)復(fù)雜結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分入射光的一次性捕獲.本研究表明，空芯波導(dǎo)電池可以對(duì)入射光進(jìn)行多次吸收和反射，相應(yīng)的電池做成簡(jiǎn)單的單節(jié)電池即可（共3～4層膜結(jié)構(gòu)，無(wú)需減反射層），且吸收層還可以做得更薄，大幅度降低現(xiàn)有平面薄膜電池的制作成本.對(duì)于該種平面電池，大部分入射光不能被電池一次反射所捕獲，但可以被對(duì)應(yīng)的空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)電池通過(guò)多次反射和吸收所捕獲，有望更明顯地提升電池效率.此外，通常平面電池的受光面直接裸露在自然環(huán)境中，需要定期清潔和保養(yǎng)，空芯波導(dǎo)電池的受光面相對(duì)封閉，無(wú)需投入這方面的維護(hù)費(fèi)用.

空芯光纖電池是通過(guò)將入射光限制在波導(dǎo)內(nèi)多次反射和吸收提高對(duì)光的捕獲效率.其他薄膜電池，如能被制備成空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，原則上也可以提升光的捕獲效率.即使對(duì)一些吸收系數(shù)較大的電池，使用吸收層較薄的電池制備空芯波導(dǎo)電池也可以增大電池對(duì)光捕獲效率的提升比例.

綜合考慮上述各種效應(yīng)和成本因素，空芯波導(dǎo)硅電池可以為更好地利用太陽(yáng)能提供新的思路.

3 結(jié) 論

以柔性硅基薄膜太陽(yáng)能電池為基礎(chǔ)，通過(guò)卷曲法制備了空芯光纖結(jié)構(gòu)硅基太陽(yáng)能電池，探討了光線照射位置對(duì)不銹鋼平面硅電池和空芯光纖電池的光捕獲性能及光電轉(zhuǎn)換效果的影響.研究表明，空芯光纖結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑷肷涔庀拗圃诓▽?dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)多次反射和吸收，可以產(chǎn)生更高的光生電壓和電流，具有更好的光捕獲性能.本文還探討了入射光角度和光照強(qiáng)度對(duì)不銹鋼空芯光纖硅電池光捕獲性能的影響關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)平行光線以30°至50°入射時(shí)，可以獲得較大的光生電壓和光生電流值；在0～100 000 lux光照度范圍內(nèi)，光生電壓隨著光照強(qiáng)度的增加先迅速增大，而后受P－N結(jié)能級(jí)的影響，光生電壓增加緩慢并趨于一恒定值.

［1］OH Jihun，YUAN Haochih，BRANZ Howard M.An 18.2%?efficientblack?silicon solarcellachieved through control of carrier recombination in nanostructures［J］.Nature Nanotechnology， 2012（7）：743－748.DOI：10.1038/nnano.2012.166.

［2］LING Wei，ZHAO Tianyu，JIN Hong，et al.Energy?saving technology of vent in passive solar wall of rural house of severe cold region［J］.Journal of Harbin Institute of Technology（New Series），2014，21（4）：30－36.DOI：10.11916/j.issn.1005－9113.2014.04.005.

［3］鄧慶維，黃永光，朱洪亮.25%效率晶體硅基太陽(yáng)能電池的最新進(jìn)展［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015（11）：15－22.DOI：10.3788/lop52.110002.DENG Qingwei，HUANG Yongguang，ZHU Hongliang.Newest achievement of more than 25% conversion efficiency with crystalline silicon?base solar cell［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2015（11）：15－22.DOI：10.3788/lop52.110002.

［4］方家，陳澤，白立沙，等.基于BZO襯底的高效非晶硅及非晶/微晶硅疊層太陽(yáng)電池［C］//太陽(yáng)能學(xué)報(bào)：第14屆中國(guó)光伏大會(huì)（CPVC14）論文集.北京：中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)，2015，36（6）：1511－1516.FANG Jia，CHEN Ze，BAI Lisha，et al.Tandam cell of high efficiency amorphous silicon and amorphous/microcrystalline silicon based BZO substrates［C］//Acta Energiae Solaris Sinica：The 14th China PV Conference（CPVC14）proceedings，2015，36（6）：1511－1516.

［5］劉雨欣，唐宏哲.染料敏化太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2015（5）：27－30.doi：10.3969/j.issn.1673－5587.2015.05.011.LIU Yuxin，TANG Hongzhe.Dye?sensitised solar cells research progress ［J］.Modern Manufacturing Technology and Equipment，2015（5）：27－30.doi：10.3969/j.issn.1673－5587.2015.05.011.

［6］LI Yuan.Three dimensional solar cells based on optical confinement geometries［M］.USA：Wake Forest University，2014，4：10－55.DOI：10.1007/978－1－4614－5699－5.

［7］林瀚琪，郭輝，黃海栗，等.基于GaN納米線三維結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池及其制備方法：201510030070.6［P］.2015－04－29.LIN Hanqi，GUO Hui，HUANG Haili，et al.Solar cells based on three?dimensional GaN nanowires structure and a preparation method［Patent］.Application number：CN 201510030070.6，2015－04－29.

［8］WELSER Roger E，SOOD Ashok K.High efficiency quantum well waveguide solar cells and methods for constructing the same：US 8921687［P］.2014－12－30.

［9］王麗莉，孔德鵬，郭邵龍，等.一種空心光纖式太陽(yáng)能電池：CN 200810150310.6［P］.2010－01－13.WANG Lili，KONG Depeng，GUO Shaolong，et al.Hollow opticalfiber type solarcell［P］： CN 200810150310.6［P］.2010－01－13.

［10］JING Chengbin， GUO Hong， HU Zhigao，etal.Metallic attenuated total reflection infrared hollow fibers for robust optical transmission systems［J］.Applied Physics Letters，2014，105：011102.DOI：10.3969/j.issn.1007－4252.2011.02.006.http：//dx.doi.org/10.1063/1.4887002.

［11］劉成，周麗華，葉曉軍，等.n型層對(duì)柔性襯底微晶硅太陽(yáng)電池特性的影響［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2011.17（2），151－155.DOI：10.3969/j.issn.1007－4252.2011.02.006.LIU Cheng，ZHOU Lihua，YE Xiaojun，et al.The influence of n?layer on properties of microcrystalline silicon solar cells on flexible substrates［J］.Journal of Functional Materials and Devices，2011.17（2）：151－155.DOI：10.3969/j.issn.1007－4252.2011.02.006.

［12］邢佶慧，史一劍，吳超，等.建筑用熱軋奧氏體304不銹鋼管力學(xué)性能［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，46（2）：78－84.DOI：10.11918/j.issn.0367－6234.2014.02.015.XING Jihui，SHI Yijian，WU Chao，et al.Mechanics properties ofhotrolled seamlessAustenitic 304 stainless steel pipe［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2014，46（2）：78－84.DOI：10.11918/j.issn.0367－6234.2014.02.015.

［13］陳玉偉，楊蓉.晶硅太陽(yáng)能電池片彎曲研究進(jìn)展［J］.科技資訊，2013（30）：1－3.DOI：10.3969/j.issn.1672－3791.2013.30.001.CHEN Yuwei，YANG Rong.Research progress in the bow of silicon solar cells［J］.Science＆ Technology Information，2013（30）：1－3.DOI：10.3969/j.issn.1672－3791.2013.30.001.

［14］郝智聰，徐杰，單德彬，等.SUS304不銹鋼封裝板微沖壓工藝研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2015，23（3）：12－17.DOI：10.11951/j.issn.1005－0299.20150303.HAO Zhicong，XU Jie，SHAN Debin，et al.Research on micro?stamping process of SUS304 stainless steelpackage substrate［J］.Materials Science and Technology，2015，23（3）：12－17.DOI：10.11951/j.issn.1005－0299.20150303.

［15］陳大華.氙燈的技術(shù)特性及其應(yīng)用［J］.光源與照明，2002（4）：18－20.CHEN Dahua.Technical characteristics and application of Xenon lamps［J］.Lamps＆ Lighting，2002（4）：18－20.

［16］韓新月，屈健，郭永杰.溫度和光強(qiáng)對(duì)聚光硅太陽(yáng)電池特性的影響研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2015，36（7）：1585－1590.HAN Xinyue，QU Jian，GUO Yongjie.Dependence of silicon concentrator solar cells parameters on temperature and light Intensity［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2015，36（7）：1585－1590.

Fabrication and light capturing performance of stainless steel hollow fiber silicon solar cells

GUO Hong1，WANG Lin1，WANG Xu1，YANG Pingxiong1，JING Chengbin1，2，CHU Junhao1，3
（1.Key Laboratory of Polar Materials and Devices，Ministry of Education（Department of Electronic Engineering，East China Normal University），Shanghai 200241，China；2.Institute of Functional Materials，Department of Materials，School of Physics and Materials Science，East China Normal University，Shanghai 200241，China；3.State Key Laboratory of Infrared Physics（Shanghai Institute of Technology and Physics，Chinese Academy of Sciences），Shanghai 200083，China）

A stainless steel hollow fiber silicon solar cell was proposed in this work.The fabrication and light capturing performance（LCP）of this cell were investigated.The hollow fiber silicon solar cell was designed based on the light absorption principle of flat batteries and the light capture mechanism of a hollow waveguide.A cylindrical hollow fiber silicon battery was fabricated by rolling a flexible flat amorphous silicon thin film solar cell.The LCP of the hollow fiber cell was evaluated by comparing its photo?current and photo?voltage to a flat solar cell under the same light incident conditions.The photo?current and photo?voltage of the battery was measured under different light incidence angle and illumination intensity to reveal their influence on LCP.Results indicate that the hollow fiber can constraint the incident light in the hollow waveguide for repeated absorption and reflection to improve the LCP（～19.8%）.The light incidence angle has great influence on the LCP and relatively high photo?current and photo?voltage can be obtained at the light incidence angle of 30°～50°.The photo?voltage goes up when the light intensity increases in the range of 0～100 000 lux，and gradually becomes a constant value if light intensity further increases.It is possible to improve LCP by rolling flexible planar silicon cells to form a hollow fiber structure.Higher LCP could be achieved via a hollow fiber silicon solar cell fabricated with a simple flat structured and low absorption thin film cell.

solar energy；stainless steel hollow fiber solar cells；silicon solar cells；light capturing performance

TM914.4＋1

A

1005－0299（2017）05－0048－07

2016－09－30.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017－09－18.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61275100，61474045）.

郭 洪（1991—），男，碩士研究生；褚君浩（1945—），男，教授，中國(guó)科學(xué)院院士.

敬承斌，E?mail：cbjing＠ee.ecnu.edu.cn.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160344

（編輯 呂雪梅）