光伏电池表面微结构制备及其抗反射性能研究

【摘要】：为了降低太阳能光伏电池表面的光反射,提高太阳光的利用率,科研工作者们做出了很多有意义的工作。通常,工业生产中采用四分之一光波长法,即在光伏电池表面沉积一层抗反射薄膜。但这种方法由于不同材料之间热膨胀系数不匹配和附着力差等问题,降低了其稳定性。所以目前科研工作者主要致力于表面微结构的抗反射研究。为了寻找快速、低价、大面积的制备抗反射微结构的方法,本论文采用金属辅助刻蚀、飞秒激光诱导、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术和金属薄膜退火法,制备了一系列纳米孔洞、微锥状、纳米草状和微纳米金属小球结构,研究了不同制备参数下表面微结构的形态变化趋势和抗反射原理,并探索了这些表面微结构在光电传感、微电子器件、光伏电池等领域的应用,取得了一些有意义的结果： 1、基于金属辅助刻蚀法成功制备出一系列不同尺度的纳米孔洞结构,并在此基础上优化工艺参数,得到300-1000nm光谱范围内平均反射率低于1%的超陷光表面(国际报道为5%)；通过对腐蚀溶液的浓度、温度、银膜厚度和刻蚀时间对表面形貌和孔洞形成过程的研究,分析和总结了所制备出纳米多孔硅的最佳工艺条件；通过光纤光谱仪,考察了制备工艺参数对纳米多孔硅的表面反射光谱的影响;最后探索了纳米多孔硅在晶硅太阳能电池方面的产业化应用。 2、采用飞秒激光在六氟化硫气氛中成功制备出微锥状结构,并在此基础上考察了激光参数对微米圆锥形成的影响；通过改变飞秒激光的脉冲个数、能量密度等参数对尖锥的形态变化进行了研究,得到了制备微锥结构表面的最佳工艺参数；通过紫外-可见分光光度计,测得微结构硅200-900nm的加权平均反射率为2%(国际报道为2%-3%)。 3、基于ICP刻蚀法在硅表面成功制备出纳米草状结构,并考察了气体流量、刻蚀时间、射频功率和工作气压对硅草形成的影响,总结了硅草形成的具体参数；通过光纤光谱仪,检测了不同尺度下硅草表面的反射率；在最优化的硅草样品上,得到了300-1000nm光谱范围内平均反射率趋于0的抗反射表面(国内外公开刊物中未见报道)。 4、通过金属薄膜高温退火,系统研究退火时间、温度和薄膜厚度以及基底材料对金属粒子几何尺寸的影响,成功调控硅基体表面银颗粒的尺寸、密度和均匀性,为激发表面等离子体共振(SPR)效应所获得较理想的高密度、直径均匀细小的银颗粒是在退火时间为10min、退火温度900℃和薄膜原始厚度为10nm的工艺参数。 5、验证了一种基于金属纳米粒子-硅基接触式反应的微原电池机理,以此来建立贵金属粒子辅助钻蚀形成多孔硅结构的模型；并基于几何光学传输模式提出了多孔结构表面的陷光模型；依据光的粒子性,建立光束在孔洞结构的中的多次反射和吸收特性,阐明了多孔硅减反射效果的原因。 6、对比飞秒激光在不同背景环境下诱导硅表面微结构,验证了六氟化硫气氛中形成周期表面微锥结构的全过程；并建立了微锥结构表面抗反射效果的几何光学模型,提供了一种应用于光电子器件中的新型材料。 7、基于麦克斯韦电磁场经典理论,建立了“硅草”表面减反射效果的等效介质模型,发现表面周期性微结构对光学减反射性能和宽波段的陷光均匀性有极大的提高。 【关键词】：表面微结构 金属辅助刻蚀 飞秒激光加工 ICP刻蚀技术 陷光结构 表面等离子体共振 抗反射性能
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 光伏电池概述13-19
• 1.1.1 光伏电池发展历史13-14
• 1.1.2 光伏电池结构、组成及原理14-16
• 1.1.3 光伏电池目前所存在的问题16-19
• 1.2 表面抗反射微结构在光伏电池中的应用研究19-22
• 1.2.1 表面抗反射微结构的起源19-20
• 1.2.2 表面抗反射微结构的基本原理20-21
• 1.2.3 表面抗反射微结构在光伏电池中的重要作用21-22
• 1.3 光伏电池表面微结构制备方法22-28
• 1.3.1 光刻技术22-23
• 1.3.2 刻蚀技术23-25
• 1.3.3 纳米压印技术25-26
• 1.3.4 "探针"技术26-27
• 1.3.5 自组装技术27-28
• 1.4 本课题研究的主要内容28-31
• 第二章 光伏电池表面纳米多孔结构的制备31-49
• 2.1 引言31-33
• 2.1.1 多孔硅材料概述31
• 2.1.2 金属粒子诱导钻蚀的基本原理31-33
• 2.2 实验部分33-36
• 2.2.1 实验材料和试剂33
• 2.2.2 主要实验设备33-34
• 2.2.3 实验方法与流程34-36
• 2.3 结果与讨论36-48
• 2.3.1 不同刻蚀温度对硅表面微结构及反射率的影响36-38
• 2.3.2 不同刻蚀时间对硅表面微结构及反射率的影响38-41
• 2.3.3 不同膜厚的金属对硅表面微结构及反射率的影响41-43
• 2.3.4 不同浓度的腐蚀液对硅表面微结构及反射率的影响43-45
• 2.3.5 多孔硅表面微结构的抗反射作用45-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 光伏电池表面尖锥状微结构的制备49-73
• 3.1 飞秒激光简介49-59
• 3.1.1 飞秒激光的特点49-51
• 3.1.2 飞秒激光诱导材料表面微结构的研究进展51-59
• 3.2 实验装置的及样品的前处理59-61
• 3.2.1 实验装置59-61
• 3.2.2 样品前处理61
• 3.3 实验方法与步骤61-63
• 3.4 结果与分析63-71
• 3.4.1 不同加工速度对微观形貌的影响64-66
• 3.4.2 不同激光能量对微观形貌的影响66-67
• 3.4.3 不同背景环境下对微观形貌的影响67-68
• 3.4.4 微结构硅表面的光学性能表征68-69
• 3.4.5 黑硅表面的减反效果与陷光模型69-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第四章 光伏电池表面草状微结构的制备73-93
• 4.1 引言73-77
• 4.1.1 等离子体刻蚀概述73-74
• 4.1.2 等离子体(化学)刻蚀的基本原理74-76
• 4.1.3 电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术76-77
• 4.2 实验部分77-79
• 4.2.1 实验材料和试剂77
• 4.2.2 主要实验设备77
• 4.2.3 实验步骤77-79
• 4.3 结果与讨论79-91
• 4.3.1 SF6/O2气体流量比对硅表面形貌的影响79-81
• 4.3.2 工作气压对硅表面形貌的影响81-83
• 4.3.3 刻蚀时间对硅表面形貌的影响83-85
• 4.3.4 RF功率对硅表面形貌的影响85-87
• 4.3.5 "硅草"表面的减反射效果与等效介质理论87-91
• 4.4 本章小结91-93
• 第五章 光伏电池表面金属微纳米结构的抗反射研究93-109
• 5.1 引言93-96
• 5.1.1 表面等离子体共振(SPR)效应93-95
• 5.1.2 金属颗粒表面等离子体共振在光伏电池中的应用95-96
• 5.2 实验部分96-100
• 5.2.1 主要实验设备96-97
• 5.2.2 实验原料97-98
• 5.2.3 实验方法和工艺流程98-99
• 5.2.4 金属银薄膜处理后产物的表征方式99-100
• 5.3 结果与讨论100-107
• 5.3.1 Si/SiO2基体表面银颗粒的制备100-101
• 5.3.2 基底材料对纳米结构形貌的影响101-102
• 5.3.3 温度对纳米结构形貌的影响102-104
• 5.3.4 时间对纳米结构形貌的影响104-106
• 5.3.5 不同尺寸下的银颗粒的光学吸收增强效应106-107
• 5.4 本章小结107-109
• 第六章 总结与展望109-113
• 6.1 总结109-110
• 6.2 本论文创新点110-111
• 6.3 进一步研究与展望111-113
• 参考文献113-119
• 致谢119-121
• 攻读学位期间发表的学术论文及参研项目121-122

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