硅纳米线阵列的制备及光伏应用的研究

【摘要】：光伏发电技术是解决能源危机和环境污染的有效途径之一。目前,晶体硅太阳电池仍占据了大部分市场,但是较高的成本阻碍了光伏产业的发展。硅纳米线由于具有优异的光吸收性能以及高效的载流子分离性能,被认为在实现高效率、低成本的太阳电池方面具有广阔的发展前景。因此,对硅纳米线阵列的光伏应用的研究显得十分有意义。本文研究了硅纳米线阵列的减反射性质、电池性能以及表面钝化,得到以下结果： (1)金属辅助化学刻蚀(MACE)方法制备硅纳米线是通过Ag纳米颗粒薄膜的不断垂直下沉,催化刻蚀得到硅纳米线阵列的。硅纳米线阵列的长度可以通过调整刻蚀时间来调控,纳米线长度与刻蚀时间成线性关系。硅纳米线阵列在很大范围内(300-1000nm)具有很低的反射率(1%),且在研究范围内,随纳米线长度增加,减反射性能增强。同时,在保证前表面电极紧密接触的基础上,所制备的硅纳米线太阳电池的效率为8.84%,明显高于抛光片制备成的平板电池。电池效率增加的原因,除了硅纳米线阵列优异的减反射性能外,被改善的长波长太阳光的吸收导致的少子体复合减少也是另外一个原因。 (2)通过调整反应时间可以操控硅纳米线阵列的长度,硅纳米线阵列的反射率随长度增加而降低。结合热氧化与氢氟酸处理的方式可以实现对硅纳米线阵列填充率的操控,随着硅纳米线填充率不断下降,其反射率先降低后升高。通过干氧热氧化的方法可以获得硅-二氧化硅核壳纳米线阵列结构,且这种结构不仅能进一步降低硅纳米线的反射率,同时兼具有钝化表面态的作用。最后,通过将操控硅纳米线阵列的长度、填充率、核壳结构三种手段相结合,制备了优化结构下的最低反射率样品,其在400-1000nm波段内的反射率低于O.9%。 (3)采用PECVD法沉积的氮化硅薄膜,与硅纳米线阵列形成了核壳纳米线结构。对原生沉积有氮化硅薄膜的硅纳米线样品在400℃下进行热处理,可以增强氮化硅薄膜对硅纳米线阵列的钝化效果,其原因是薄膜中的Si-H键断裂,并扩散至薄膜与纳米线的界面,钝化硅纳米线表面的悬挂键。此外,氮化硅薄膜与硅纳米线阵列的界面深能级信息表明,无论在界面处陷阱的密度上还是陷阱能级的复合能力上,热处理后样品都优于原生样品。这个结果也证实了氮化硅薄膜对硅纳米线阵列的钝化作用。经氮化硅薄膜钝化后的硅纳米线阵列太阳电池的性能得到显著提高,转换效率从12.83%提高至14.47%。 【关键词】：硅纳米线阵列 金属辅助化学刻蚀 减反射 太阳电池 钝化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究的背景和意义11-12
• 1.2 本研究的目的和内容12
• 1.3 本论文的结构安排及内容提要12-15
• 第二章 文献综述15-35
• 2.1 引言15
• 2.2 硅纳米线阵列的制备15-21
• 2.2.1 化学气相沉积法(CVD)16-17
• 2.2.2 金属辅助化学刻蚀法(MACE)17-21
• 2.3 硅纳米线阵列的光吸收性质的研究21-24
• 2.3.1 硅纳米线阵列的光吸收性质的数值计算研究21-22
• 2.3.2 硅纳米线阵列的光吸收性质的实验研究22-24
• 2.4 硅纳米线的光伏应用24-30
• 2.4.1 基于硅纳米线阵列减反层的太阳能电池24-26
• 2.4.2 径向pn结硅纳米线太阳能电池26-28
• 2.4.3 轴向p-n结硅纳米线太阳能电池28-30
• 2.5 晶体硅的表面钝化的研究30-32
• 2.5.1 晶体硅的表面钝化技术30-32
• 2.5.2 黑硅的表面钝化研究32
• 2.6 本文研究方向的提出32-35
• 第三章 实验方案及测试仪器35-43
• 3.1 实验方案35-36
• 3.1.1 掺磷发射极硅纳米线阵列太阳能电池的制备与表征35
• 3.1.2 硅纳米线阵列的模版法制备、形貌操控以及减反射性能的研究35-36
• 3.1.3 硅纳米线的钝化36
• 3.2 实验设备与测试仪器36-43
• 3.2.1 扫描电子显微镜36-37
• 3.2.2 透射电子显微镜37
• 3.2.3 紫外可见吸收光谱仪37-38
• 3.2.4 电流-电压特性曲线测试系统38-39
• 3.2.5 量子效率测试系统39
• 3.2.6 直流反应磁控溅射系统39-40
• 3.2.7 电容-电压特性曲线测试系统40-41
• 3.2.8 深能级瞬态谱测试系统(DLTS)41-43
• 第四章 掺磷发射极硅纳米线阵列太阳能电池的制备与表征43-53
• 4.1 引言43-44
• 4.2 实验44-46
• 4.2.1 硅纳米线阵列的制备44
• 4.2.2 硅纳米线太阳能电池的制备与表征44-46
• 4.3 硅纳米线阵列的制备与表征46-49
• 4.3.1 硅纳米线阵列的形成过程与形貌表征46-47
• 4.3.2 不同长度硅纳米线阵列的形貌表征47-48
• 4.3.3 不同长度硅纳米线阵列的减反射性能研究48-49
• 4.4 掺磷发射极硅纳米线太阳能电池的制备与表征49-51
• 4.4.1 硅纳米线太阳能电池的Ⅰ-Ⅴ特性49-50
• 4.4.2 硅纳米线太阳能电池的量子效率50-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第五章 硅纳米线阵列的模版法制备、形貌操控以及减反射性能的研究53-69
• 5.1 引言53
• 5.2 实验53-55
• 5.2.1 阳极氧化铝模版(AAO)辅助制备硅纳米线阵列53-54
• 5.2.2 硅纳米线阵列的形貌操控以及反射率的研究54-55
• 5.3 硅纳米线阵列的AAO模版法制备与形貌表征55-58
• 5.4 硅纳米线阵列的形貌操控以及减反射性能的研究58-66
• 5.4.1 不同长度硅纳米线阵列的制备以及减反射性能的研究58-60
• 5.4.2 不同填充率的硅纳米线阵列的制备以及减反射性能的研究60-63
• 5.4.3 硅-二氧化硅核壳纳米线阵列的制备以及减反射性能的研究63-65
• 5.4.4 优化结构下的最低反射率65-66
• 5.5 结论66-69
• 第六章 氮化硅薄膜对硅纳米线阵列的钝化研究69-81
• 6.1 引言69
• 6.2 实验69-71
• 6.2.1 硅纳米线阵列的钝化效果研究69-70
• 6.2.2 钝化对硅纳米线阵列太阳电池性能的影响70-71
• 6.3 氮化硅薄膜/硅纳米线阵列的形貌表征71-73
• 6.4 氮化硅薄膜对硅纳米线阵列的钝化73-77
• 6.4.1 热处理对氮化硅薄膜钝化效果的影响73-75
• 6.4.2 氮化硅薄膜与硅纳米线阵列界面处深能级的研究75-77
• 6.5 氮化硅薄膜钝化前后电池性能的变化77-79
• 6.6 本章小结79-81
• 第七章 结论81-83
• 参考文献83-91
• 致谢91-93
• 个人简介93-95
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与取得的其它成果95

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