基于新型微纳减反结构的硅基太阳能电池研究

【摘要】：随着薄膜技术的进步和微纳制造技术的发展,可把薄膜技术、微纳制造技术与硅基太阳能电池结合,形成新型微纳结构的硅基薄膜太阳能电池。 近年来,氢化纳米晶硅薄膜太阳能电池备受瞩目,逐渐成为研究的热点。通过控制工艺条件,可实现带隙大小调节,从而调控有效利用光谱的响应范围。论文提出利用纳米晶硅薄膜和设计微纳减反结构,研究新型微纳减反结构的硅基太阳能电池。通过大量的实验和仿真研究得到以下结论： 一、通过对纳米晶硅薄膜生长机理的研究,经过大量的纳米晶硅薄膜制备实验,初步得到了薄膜沉积时硅烷浓度、沉积速率、射频功率、直流偏压、衬底温度、反应室压强对所制备纳米晶硅薄膜晶粒的尺寸、以及薄膜光学带隙存在的内在关系；通过大量的掺杂实验,得到了本征纳米晶硅掺硼和掺磷时,射频功率、直流偏压、衬底温度、反应室压强等对生成P型纳米晶硅薄膜和N型纳米晶硅薄膜的性能影响；采用AMPS一1D软件对薄膜光学带隙、前端势垒高度①B0、界面层缺陷态、本征层厚度和本征层缺陷态密度进行了仿真,给出了相应的仿真参数,为高性能电池制备工艺的制定提供参考。 二、从理论上阐述了微纳结构的减反效应,并建立了相关光学几何研究模型。采用OptiFDTD.V8.0软件对纳米线或纳米孔减反结构进行了仿真,给出了对应的纳米线或纳米孔的宽度、相邻的间距和深度等优化的结构参数,为制备纳米硅线减反层提供理论支撑；通过化学刻蚀的方法制备并表征了体硅纳米线,在采用飞秒激光烧蚀法纳米硅薄膜制备薄膜纳米线时,需控制飞秒激光的功率不能超过晶相和非晶相的等离子气化阈值,否则会出现烧蚀击穿现象。 三、探明了纳米复合薄膜减反射的机理。纳米金属粒子对入射光线产生核外电子云,并发生振荡,产生局域表面等离子激元,等离子激元与光子相互作用,在适当条件下可以产生前散射,进而起到减反射的作用。 四、制备出两种石墨烯复合薄膜。一是,在石墨烯薄膜上增加TiO2纳米颗粒涂层,形成复合薄膜,其既可以作为电极增加收集载流子能力,又可以作为减反层。二是,在石墨烯薄膜中添加纳米银颗粒,形成Ag/NPs/RGO复合薄膜,既可以作为电极,也可以作为减反层。通过对两种复合薄膜进行了性能表征,发现这两种电极具有优异的电学性能和光学性能,为制备微纳减反结构的纳米硅基电池提供依据。 五、制备出两种新型微纳减反结构的硅基太阳能电池：硅纳米线微纳减反结构电池和基于石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙电池。其中,石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙电池,因采用两种不同结构的石墨烯复合薄膜作为减反层,从而形成了不同结构的纳米硅基渐变带隙薄膜电池：采用二氧化钛为减反层的渐变带隙电池和采用石墨烯中沉积纳米银颗粒为减反层的渐变带隙电池。以二氧化钛复合薄膜为减反层的电池效率为4.97%左右,以纳米银颗粒复合薄膜为减反层的电池效率为4.59%,高于没有采用减反层的“基体”电池效率2.82%。分析了影响这些电池效率的主要因素：在沉积纳米硅薄膜时,薄膜沉积的表面不是很平整,导致在涂石墨烯复合薄膜时,难以做到石墨烯与硅薄膜表面很好结合,影响了载流子的收集,降低了短路电流和开路电压,其填充因子也受到很大制约。此外,还有石墨烯在提拉的过程中,薄膜厚度不均匀也会影响入射光线,进而影响吸收有效的光子数量。在硅纳米线微纳减反电池中,经检测有减反层的电池性能明显优于没有减反层的电池性能。 【关键词】：太阳能电池 纳米晶硅薄膜 硅纳米线 飞秒激光 减反射 光学模型 光学带隙 渐变带隙 石墨烯 二氧化钛
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 太阳能电池研究背景、现状及意义15-20
• 1.1.1 能源短缺的现实危机15-17
• 1.1.2 太阳能利用的状况和发展前景17
• 1.1.3 太阳能电池的特点和分类17-18
• 1.1.4 国内外太阳能电池的研究现状和进展18-20
• 1.2 硅基太阳能电池分类及研究现状20-22
• 1.2.1 硅基太阳能电池的分类20-21
• 1.2.2 硅基太阳能电池的研究现状21-22
• 1.3 当前硅基太阳能电池存在的问题及解决方案22-23
• 1.3.1 当前硅基太阳能电池存在的问题22
• 1.3.2 硅基太阳能电池存在的问题的解决方案22-23
• 1.4 当前硅基电池减反结构现状23-26
• 1.4.1 高效单晶硅电池减反结构23-24
• 1.4.2 高效多晶硅电池减反结构24-25
• 1.4.3 本论文研究的新型微纳减反结构25-26
• 1.5 本论文研究内容和结构26-31
• 1.5.1 论文的研究内容26-27
• 1.5.2 论文的结构安排27-31
• 第二章 实验原理与实验设备及仿真软件31-39
• 2.1 实验室研究设备、薄膜的相关表征技术31-34
• 2.1.1 拉曼测试与分析原理31-32
• 2.1.2 X射线衍射测试晶粒尺寸(XRD)原理32
• 2.1.3 原子力显微镜(AFM)32-33
• 2.1.4 四探针(FTP)电阻测试仪33
• 2.1.5 紫外—可见光光谱(UV-VIS)33
• 2.1.6 薄膜的光暗电导率33-34
• 2.1.7 OES谱(等离子体光谱)34
• 2.2 仿真软件介绍34-37
• 2.2.1 AMPS-1D仿真软件34-36
• 2.2.2 OptiFDTD仿真软件36-37
• 2.3 本章小结37-39
• 第三章 纳米硅薄膜的制备39-75
• 3.1 纳米薄膜制备的方法39-40
• 3.1.1 物理气相沉积方法39
• 3.1.2 化学气相沉积法39-40
• 3.2 纳米硅薄膜制备及其生长机理研究40-46
• 3.2.1 射频等离子体增强化学气相沉积法制备薄膜40-42
• 3.2.2 纳米硅薄膜生长机理分析42-46
• 3.2.3 纳米硅薄膜生长模型简述46
• 3.3 生长工艺条件对制备纳米硅薄膜的影响46-57
• 3.3.1 硅烷浓度对纳米硅薄膜整体性能以及特性的影响46-49
• 3.3.2 反应室压强对纳米硅薄膜整体性能以及特性的影响49-52
• 3.3.3 高频功率对纳米硅薄膜整体性能以及特性的影响52-54
• 3.3.4 衬底温度对纳米硅薄膜整体性能以及特性的影响54-57
• 3.4 纳米硅薄膜掺杂工艺的研究57-62
• 3.4.1 纳米硅薄膜掺硼工艺的研究57-60
• 3.4.2 纳米硅薄膜掺磷工艺60-62
• 3.5 纳米硅薄膜光学性能的研究62-63
• 3.6 纳米硅薄膜工艺参数对电池性能的影响仿真研究63-75
• 3.6.1 AMPS-1D仿真软件的主要物理模型63-66
• 3.6.2 渐变带隙薄膜电池结构参数的优化66-73
• 3.6.3 电池其它参数对性能的影响73-74
• 3.6.4 本章小结74-75
• 第四章 硅纳米线微纳减反结构设计、仿真与制备75-93
• 4.1 微纳减反结构设计的理论依据75-77
• 4.1.1 光在半导体材料中的传播与吸收过程75-77
• 4.2 硅纳米线微纳减反射结构模型设计、仿真77-81
• 4.2.1 纳米线减反射结构的几何模型77-78
• 4.2.2 硅纳米线微纳减反射结构的仿真78-81
• 4.3 硅纳米孔微纳减反射结构模型与仿真81-83
• 4.3.1 纳米孔微纳减反射结构的几何模型81-82
• 4.3.2 硅纳米孔微纳减反射结构的模型仿真82-83
• 4.4 微纳减反结构硅纳米线的制备83-91
• 4.4.1 体硅纳米线的制备84-87
• 4.4.2 薄膜硅纳米线的制备87-91
• 4.5 本章小结91-93
• 第五章 石墨烯复合薄膜微纳减反结构及电极的研究93-113
• 5.1 微纳结构的石墨烯复合薄膜减反射的理论依据93
• 5.2 石墨烯概况93-97
• 5.2.1 石墨烯简史93-94
• 5.2.2 石墨烯的基本特性94-97
• 5.3 石墨烯的制备方法97-100
• 5.3.1 石墨层间插层法97
• 5.3.2 微机械剥离法97
• 5.3.3 外延生长法97-98
• 5.3.4 化学气相沉积法98-99
• 5.3.5 胶体溶液法99-100
• 5.4 石墨烯制备的实验步骤和结果分析100-103
• 5.4.1 实验器材和实验步骤100-101
• 5.4.2 氧化石墨烯和石墨烯样品的表征101-103
• 5.5 石墨烯复合薄膜的制备103-111
• 5.5.1 试剂和仪器103-104
• 5.5.2 样品的制备104-105
• 5.5.3 测试与表征105
• 5.5.4 结果与讨论105-111
• 5.6 本章小结111-113
• 第六章 两种新型微纳减反结构硅基太阳能电池的性能研究113-125
• 6.1 微纳构造对电池性能的影响113
• 6.2 硅纳米线微纳减反结构电池研究113-116
• 6.2.1 结构设计113
• 6.2.2 硅纳米线微纳减反结构电池的制备113-114
• 6.2.3 性能仿真测试114-116
• 6.3 基于石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙电池的研究116-123
• 6.3.1 结构设计116
• 6.3.2 石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙电池的制备116-118
• 6.3.3 纳米硅薄膜本征层性能表征以及电池性能测试118-122
• 6.3.4 结果与讨论122-123
• 6.9 本章小结123-125
• 第七章 总结与展望125-129
• 7.1 总结125-126
• 7.2 展望126-129
• 参考文献129-139
• 致谢139-141
• 攻读学位期间发表的论文和参研项目141

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

VHF-PECVD制备微晶硅材料及电池    张晓丹,赵颖,朱锋,魏长春,高艳涛,孙健,侯国付,薛俊明,耿新华,熊绍珍

渐变带隙结构在Ⅲ-Ⅴ族太阳电池中的应用    彭华,周之斌,崔容强,叶庆好,庞乾骏,陈鸣波,赵亮

纳米级羟基磷灰石粒子的可控制备    郭广生,孙玉绣,王志华,郭洪猷

太阳能电池研究和发展现状    毛爱华

氧化锌晶须的制备及生长机理研究    税安泽;王书媚;刘平安;曾令可;王慧;程小苏;

纳米带的研究进展    杨枣;彭坤;袁缓;刘富生;胡爱平;

硅纳米线的制备与生长机理    裴立宅,唐元洪

热蒸发铜粉法制备硅纳米线的研究    刘建刚,范新会,陈建,于灵敏,严文

PECVD法制备纳米硅薄膜材料    曾祥斌,徐重阳,王长安,墙威,周雪梅,赵伯芳,戴永兵

掺杂硅纳米线的研究进展    裴立宅,唐元洪,陈扬文,张勇

光伏电池表面微结构制备及其抗反射性能研究    张伟

射频溅射Si膜的微结构与光学性质研究    宋学萍;王佩红;孙兆奇;

含硅一维纳米材料的研究动向    高后秀,王炜娜,陈泉水,刘双翼

纳米硅薄膜光学性质的测定与研究    钟立志,张维佳,崔敏,吴小文,李国华,丁琨

薄膜太阳电池的最新进展    王育伟;刘小峰;陈婷婷;姜春萍;王瑞林;

气体压强对磷掺杂a-Si∶H薄膜电学性能的影响    陈宇翔;李伟;金鑫;蒋亚东;廖乃镘;蔡海洪;李志;龚宇光;

C元素对N型a-Si∶H薄膜微结构及电学特性的影响    金鑫;李伟;蒋亚东;廖乃镘;陈宇翔;陈德鹅;

磁控溅射中工艺参数对ZnO:Al薄膜性能的影响    徐玮;于军;王晓晶;袁俊明;雷青松;

半导体器件芯片焊接方法及控制    潘茹;李明娟;吴坚;刘英坤;

喇曼光谱研究硅烷体积分数对Si薄膜结构影响    张乾;高杨;张建新;阎殿然;安雪川;张志彬;王师;

衬底温度对ZnO:Al薄膜结构和性能的影响    徐玮;于军;王晓晶;袁俊明;雷青松;

新型电池隔膜的研究现状及发展前景    孙亚颇;焦晓宁;

纳米硅薄膜太阳电池工艺参数的优化与制备    赵而敬;张维佳;沈燕龙;张静;林军;杨东杰;Havugimana Jean Jacques;

非线性相变动力学和孤子模型    张一方;

一维纳米材料的制备方法研究    李俊寿;许并社;郭焕升;李靓;王建江;

P-nc-Si:H薄膜材料研究及其在微晶硅薄膜太阳电池上的应用    朱锋;张晓丹;赵颖;任慧志;孙建;张德坤;熊绍珍;耿新华;

退火温度对ZnO:Al透明导电薄膜结构和性能的影响    王晓晶;徐玮;雷青松;于军;

集成硅纳米线制造技术及其电学性质研究    刘文平;宋达;李铁;李昕欣;王跃林;

Pd/Graphene/堇青石整体式催化剂的制备与性能研究    朱玉超;周永华;叶红齐;

石墨烯及氧化石墨烯包覆二氧化硅高效液相色谱固定相的制备及其保留机理研究    张晓琼;丁明玉;

射频功率对透光P型非晶硅薄膜性能的影响    张原斌;赵青南;董玉红;

太阳能电动车关键技术研究    李春芳

ZnO/Si异质结构晶界行为及其载流子输运机制研究    刘秉策

硅基薄膜的制备及其在锂离子电池中的应用    秦艳丽

元素添加对铁基非晶非晶形成能力、晶化及性能的影响    马海健

石墨烯纳米结构电子输运的调制    谢月娥

基于Z源网络的光伏并网逆变系统的研究    刘鸿鹏

纯金属及合金磁性纳米线的制备及微结构研究    杨薇

无序合金的电子输运性质和热学性质研究    田勇

新型电极材料光/电催化降解有机污染物及污染物化学能的综合利用    刘艳彪

理想金属玻璃的团簇共振模型    韩光

ZrCu基大块非晶态合金的制备及其热力学性能的研究    郭金柱

静电纺丝技术制备稀土离子掺杂GGG低维纳米材料与表征    刘莹

块体Zr基非晶合金过冷液相区中变形及扩散连接性能研究    葛永能

单晶硅太阳电池扩散工艺和绒面制备的研究    潘峰

饮用水中藻毒素和内分泌干扰物深度处理技术    周勤

磁控溅射法制备氮化硅薄膜及其性能研究    高峰

100KPa多晶硅纳米膜压力芯片研究    孙瑞

硫化镉敏化二氧化钛纳米棒阵列的制备及其光电特性研究    陈会

还原石墨烯氧化物的第一性原理研究    谢声意

TiO_2/α-Fe_2O_3纳米阵列复合材料的制备及性能研究    赵辉

四脚状氧化锌晶须—特性、应用和制备    游贤贵,黄学超

等离子体-热丝CVD技术制备多晶硅薄膜    刘丰珍,朱美芳,冯勇,刘金龙,汪六九,韩一琴

半导体物理研究新进展    孙连亮,李树深,张荣,何杰

太阳电池中CdS多晶薄膜的微结构及性能    李卫,冯良桓,蔡亚平,张静全,郑家贵,蔡伟,黎兵,武莉莉,雷智

VHF-PECVD制备微晶硅材料及电池    张晓丹,赵颖,朱锋,魏长春,高艳涛,孙健,侯国付,薛俊明,耿新华,熊绍珍

掺磷纳米硅薄膜的微结构    于晓梅,王金良,江兴流,王天民

高品质四针状氧化锌晶须的结构及生长机理    戴英,张跃,方圆,黄秀颀,李杰

太阳能电池研究和发展现状    毛爱华

ZnO晶须及其树脂基复合材料的研究进展    周祚万,彭卫明,客绍瑛

离子交换树脂法制备氧化锌晶须    李彦生,关敏

基于新型微纳减反结构的硅基太阳能电池研究    祝俊