飞秒激光制备GaAs太阳能电池吸收层表面微结构及其抗反射性能研究

【摘要】：GaAs太阳能电池作为Ⅲ-Ⅴ族半导体电池中的代表,与硅太阳能电池相比,除了其具有较高的光电转换效率外,还具有较好的耐高温性能、较强抗辐射性能等,被视为21世纪宇航卫星的主电源,目前空间电源领域中有超过90%的电池都是GaAs太阳能电池。电池的光电转换效率是卫星太阳能最主要的性能指标。本文以GaAs太阳能电池为研究对象,对飞秒激光扫描GaAs太阳能电池吸收层表面来制备具有抗反射性能的微结构的实验过程及微结构形成的相关机制进行研究,为GaAs太阳能电池光电转换效率的提高提供一种可靠且坚实的实验依据。本文利用飞秒激光对GaAs太阳能电池吸收层表面进行扫描试验,研究不同单脉冲能量参数和不同加工环境对GaAs太阳能电池吸收层表面微结构形貌形成的影响。通过对微结构的表面形貌SEM和拉曼光谱分析以及太阳光谱反射率的测量,得出在不同环境中可以制备出具有显著抗反射效果微结构的实验参数,并从理论上研究抗反射微结构对太阳光线的强吸收机制,取得的主要研究成果如下:(1)A介质环境中,飞秒激光以30μJ的单脉冲能量扫描GaAs太阳能电池吸收层表面,制备出形貌理想的矩形光栅结构,该结构可以将300-1000nm波段的表面平均反射率由原先未受扫描时的33%降低到23.6%,此外受扫描区域的晶膜质量和晶格组成在30μJ时未受到破坏。(2)B介质环境中,以15μJ的单脉冲能量制备出类圆锥状草状微纳米结构,此种结构最为均匀整齐,使表面在300-2000nm波段内的平均反射率保持在3.0%左右,与未受扫描的平面在此波段内的平均反射率22.5%相比降低19.5%,抗反射效果非常显著。(3)C介质环境中,以15μJ的单脉冲能量扫描电池表面吸收层制备出具有特殊形貌的波浪状微纳米结构,此种结构形貌在其他文献中尚未见报道,可以将电池表面在300-2000nm内的平均反射率降低至17.3%,相比未受扫描的平面在此波段内22.5%的平均反射率,降低5%。 【关键词】：飞秒激光 GaAs太阳能电池 反射率 抗反射微结构
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 GaAs太阳能电池的发展及研究状况11-15
• 1.2.1 GaAs太阳能电池的发展11-13
• 1.2.2 太阳能电池的组成结构与工作原理13-14
• 1.2.3 GaAs太阳能电池的应用14-15
• 1.3 抗反射微结构在GaAs太阳能电池中的应用研究15-18
• 1.3.1 抗反射微结构的起源与基本原理15-16
• 1.3.2 GaAs太阳能电池中抗反射微结构的制备方法与应用16-18
• 1.4 本论文的内容安排与研究意义18-19
• 第二章 实验材料、仪器19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 实验材料和试剂19-21
• 2.2.1 实验材料19-21
• 2.2.2 实验试剂21
• 2.3 飞秒脉冲激光系统21-25
• 2.3.1 飞秒激光的特点21-22
• 2.3.2 飞秒激光诱导材料表面微结构的原理与研究进展22-25
• 2.4 检测分析方法25-28
• 2.4.1 非接触光学轮廓仪25-26
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析26-27
• 2.4.3 太阳能光谱反射率测量27
• 2.4.4 拉曼光谱分析27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 GaAs太阳能电池吸收层矩形光栅微结构的制备29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 实验装置及样品的前处理29-31
• 3.2.1 实验装置29-30
• 3.2.2 样品前处理30-31
• 3.3 实验方案与步骤31-35
• 3.3.1 实验方案31-33
• 3.3.2 实验步骤33-35
• 3.4 结果与分析35-45
• 3.4.1 非接触光学轮廓仪对样品表面形貌结构分析35-37
• 3.4.2 扫描电子显微镜分析（SEM）37-42
• 3.4.3 拉曼光谱分析42-44
• 3.4.4 太阳光谱反射率测量结果分析44-45
• 3.5 小结45-47
• 第四章 GaAs太阳能电池吸收层表面波浪状微结构和草状微结构的制备47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 实验方案与实验步骤47-49
• 4.2.1 实验方案47-49
• 4.2.2 实验步骤49
• 4.3 结果与分析49-58
• 4.3.1 GaAs太阳能电池表面微结构形貌分析49-53
• 4.3.2 GaAs太阳能电池表面微结构抗反射性能分析53-58
• 4.4 不同形貌微结构抗反射性能分析58-59
• 4.5 小结59-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 5.1 总结61-62
• 5.2 展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 攻读学位期间发表的论文及其他科研成果68

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