高效陷光结构玻璃基片研究及其在薄膜太阳能电池中的应用

【摘要】：薄膜太阳能电池结构一般可以在价格低廉的玻璃基板上生长,可以用PECVD、溅射等方法实现大面积制备,与体硅太阳能电池相比,具有可大面积制备、成本低等优势。光子在约小于2μm厚度的吸收层里不能被完全吸收,而薄膜电池吸收层厚度通常在几百纳米至一微米,使得平板薄膜电池对光的吸收率不高。尤其是长波段光子在薄膜吸收层的有限光路里吸收率较低,增强长波段光子在薄膜吸收层里的吸收至关重要。为了提高光子在薄膜结构中的吸收率,通常考虑在表面反射低的前提下延长光子在吸收层的光路,需要增强进入吸收层的光衍射,尤其是高次衍射,这样有利于陷光增强。雾度是以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示,是透明或半透明材料光学透明性的重要参数,而雾度的大小表征了薄膜结构对光的散射能力。微纳光散射光学结构具有优异的光学陷光作用,这个突出的特点能在薄膜太阳能电池中得到重要应用。通过表面图形化方法在玻璃基片上制备微纳光散射表面结构可以实现高雾度,此玻璃基片在薄膜电池中的应用可以有效增强陷光。本文利用玻璃表面的掩膜和氢氟酸对玻璃的各向同性刻蚀实现玻璃基片表面织构化,得到三种具有光散射结构的玻璃表面结构。利用严格耦合波分析方法计算了脊形表面结构、半球凹坑表面结构和圆锥形表面结构玻璃基片的各个结构参数对雾度谱分布的影响,并分别得到了整体高雾度的结构参数优化配置,此外还研究了优化结构参数配置下的雾度谱与入射角之间的关系,为玻璃基在薄膜太阳能电池的高效陷光应用研究提供了参考。针对半球凹坑表面结构中凹坑间距与雾度谱分布的关系,利用玻璃基片表面掩膜和氢氟酸各向同性刻蚀得到紧凑型半球凹坑表面结构。通过设计“交叉式”结构对紧凑型半球凹坑结构进行数值计算。利用时域有限差分方法对紧凑型半球凹坑表面结构玻璃基片的透射场进行计算,发现紧凑型半球凹坑结构可以有效散射垂直入射光。将具有紧凑型半球凹坑表面结构的玻璃基片应用在非晶硅薄膜太阳能电池中,利用RCWA方法计算了薄膜电池的光反射率和吸收率,并得到了较为优化的结构参数配置,优化结构下的薄膜电池与平板结构薄膜电池相比,光吸收率明显得到提高,为高陷光玻璃基片在薄膜太阳能电池的应用研究提供了参考。 【关键词】：散射 玻璃基片 模拟 陷光 薄膜太阳能电池
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太阳能电池的原理与制备11-14
• 1.2.1 太阳能电池的基本原理11-13
• 1.2.2 太阳能电池的制备技术13-14
• 1.3 薄膜太阳能电池及其结构陷光14-21
• 1.3.1 薄膜太阳能电池介绍14-16
• 1.3.2 结构陷光及研究近况16-21
• 1.4 论文的整体结构和主要内容21-23
• 参考文献23-25
• 第二章 玻璃基片表面织构化及雾度特性研究25-47
• 2.1 雾度25
• 2.2 光的吸收、色散和散射25-28
• 2.3 玻璃表面织构化28-29
• 2.4 数值研究方法29-35
• 2.4.1 严格耦合波分析方法（RCWA）29-31
• 2.4.2 时域有限差分方法（FDTD）31-35
• 2.5 玻璃表面结构的雾度特性研究35-46
• 2.5.1 脊形表面结构35-38
• 2.5.2 半球凹坑表面结构38-41
• 2.5.3 圆锥表面结构41-46
• 2.6 本章小结46
• 参考文献46-47
• 第三章 紧凑型半球凹坑玻璃基在非晶硅薄膜电池的陷光应用研究47-61
• 3.1 紧凑型半球凹坑玻璃基47-54
• 3.2 紧凑型半球凹坑玻璃基薄膜电池陷光应用研究54-59
• 3.3 本章小结59-60
• 参考文献60-61
• 第四章 结论与展望61-63
• 4.1 全文总结61-62
• 4.2 前景展望62-63
• 致谢63-64
• 攻读硕士学位期间发表或收录的论文64

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