硅基太阳能电池表面减反射结构的制备与表征

【摘要】：随着传统化石能源的日益紧缺及其对生态环境的严重破坏,人们迫切需要一种对环境友好的清洁可再生能源。而太阳能电池直接将光能转化成电能,清洁无污染,其研发对改善生态环境、促进低碳经济的发展具有重要意义。因此,本论文针对当前太阳能电池的低效率问题,设计制备硅太阳能电池表面减反射结构以减少效率损失,为新一代高效太阳能电池的设计提供依据。 开展硅太阳能电池表面减反射结构研究,采用贵金属辅助化学刻蚀的方法,设计制备硅表面纳米结构。在深入研究贵金属粒子催化机理及硅表面纳米结构的减反射机理的基础上,通过离子溅射及银镜反应在硅表面沉积纳米银粒子后,再利用其催化性能实现硅的酸刻蚀;另外,采用单步全溶液法直接实现硅的酸刻蚀。制备了硅表面的纳米结构—多孔结构、纳米簇结构及纳米线结构,并对纳米结构的反射光谱进行测试,研究分析其减反射性能。 一方面,研究了不同的沉积工艺条件对硅表面纳米银粒子的形貌及分布规律的影响,掌握了硅表面纳米银粒子的可控沉积工艺;另一方面,在纳米银粒子的催化作用下,通过改变纳米银粒子的形态结构、酸性刻蚀液的成分及刻蚀时间等参数对硅衬底进行刻蚀,获得这些参数对硅表面刻蚀形貌的影响规律;最后,从贵金属辅助刻蚀的机理着手,深入分析了硅表面微结构的形成机制。 制备的纳米结构在300～1000 nm光谱范围内的平均反射率可降至2%。由于其结构尺寸小,不但能有效减小表面载流子的复合,同时不会影响太阳能电池的后续制作工艺。我们创新性地采用银镜反应实现了硅表面不同形态的纳米银粒子的沉积,并通过刻蚀得到了不同的硅纳米结构。而单步全溶液法,由于成本低、可操作性强,刻蚀后的减反射效果(4%)明显低于传统的碱刻蚀(11%),非常有希望取代目前工业生产中的碱刻蚀表面制绒方法。 【关键词】：硅太阳能电池 减反射 纳米银粒子 纳米结构 金属辅助刻蚀
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 太阳能电池的研究现状11-14
• 1.2.1 太阳能11
• 1.2.2 太阳光谱11-12
• 1.2.3 光伏发电历史及现状12-13
• 1.2.4 太阳能电池的种类13-14
• 1.3 太阳能电池的基本原理14-16
• 1.3.1 硅及其基本性质14-15
• 1.3.2 硅太阳能电池的原理15-16
• 1.4 太阳能电池的减反射层16-24
• 1.4.1 太阳能电池效率的损失16-19
• 1.4.2 湿法碱性刻蚀19-20
• 1.4.3 湿法酸性刻蚀20-24
• 1.5 主要研究内容24-25
• 第2章 实验材料与方法25-31
• 2.1 制备工艺技术与理论依据25-27
• 2.1.1 表面减反射结构的现有制备工艺25-26
• 2.1.2 硅表面微结构减反射特性的理论依据26-27
• 2.2 实验方法27-29
• 2.2.1 硅片的切割和预处理27
• 2.2.2 纳米银粒子的制备27-28
• 2.2.3 离子溅射沉积纳米银粒子后辅助硅酸刻蚀28
• 2.2.4 银镜反应沉积纳米银粒子后辅助硅酸刻蚀28-29
• 2.2.5 单步法刻蚀29
• 2.3 实验试剂仪器设备29-31
• 2.3.1 实验试剂29-30
• 2.3.2 实验仪器设备30-31
• 第3章 离子溅射沉积纳米银粒子及其辅助酸刻蚀31-40
• 3.1 引言31
• 3.2 纳米银粒子的表面形貌31-32
• 3.3 多孔硅的制备32-34
• 3.4 多孔金字塔结构的制备34-37
• 3.4.1 硅的碱刻蚀34-35
• 3.4.2 金字塔结构上的酸刻蚀35-37
• 3.5 硅表面微结构的减反射效果37-39
• 3.5.1 多孔结构的减反射效果分析37-38
• 3.5.2 多孔金字塔结构的减反射效果分析38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 银镜反应沉积银粒子及其辅助酸刻蚀40-52
• 4.1 引言40
• 4.2 银镜反应制备纳米银粒子40-45
• 4.2.1 单分散纳米银粒子的制备40-43
• 4.2.2 疏松状纳米银镀层的制备43-44
• 4.2.3 硅表面纳米银粒子的表面成分分析44-45
• 4.3 酸刻蚀后硅的形貌结构45-49
• 4.3.1 硅表面多孔结构的制备45-47
• 4.3.2 硅纳米簇结构的制备47-49
• 4.4 刻蚀后硅的减反射性能49-51
• 4.4.1 多孔硅的减反射性能49-50
• 4.4.2 硅纳米簇的减反射性能50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第5章 单步法酸刻蚀制备硅表面微结构52-64
• 5.1 引言52
• 5.2 刻蚀硅的表面结构52-59
• 5.2.1 反应初始阶段硅的表面形貌53-54
• 5.2.2 短时间刻蚀后硅的形貌54-56
• 5.2.3 长时间刻蚀后硅的形貌56-57
• 5.2.4 孔径及孔深随刻蚀时间的变化57-58
• 5.2.5 硅纳米线的形貌特征58-59
• 5.3 刻蚀后硅的减反射效果分析59-61
• 5.3.1 多孔硅的减反射效果59-61
• 5.3.2 硅纳米线的减反射效果61
• 5.4 多孔硅的吸收光谱61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第6章 微结构的形成机制及纳米银粒子的增透机理64-69
• 6.1 引言64
• 6.2 贵金属辅助化学刻蚀的机理分析64-65
• 6.3 硅表面微结构的形成机制65-67
• 6.4 纳米银粒子的异常增透机理67-68
• 6.5 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-78
• 致谢78

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