基于硅納米線陣列的晶硅光伏器件陷光增效技術(shù)研究
發(fā)布時間：2020-05-03 21:16
【摘要】：硅基太陽能電池可以直接將太陽光轉(zhuǎn)換成電能,具有清潔、安全、高效等優(yōu)點,在硅基太陽能電池中引入陷光結(jié)構(gòu)能夠有效提高光電轉(zhuǎn)換效率,逐漸成為當前研究的熱點。硅納米線(Si NWs)作為一種陷光結(jié)構(gòu),具有特殊的納米尺寸效應(yīng),能夠增強光捕獲,提高電池效率,在硅基太陽能電池的應(yīng)用上展露出了巨大的優(yōu)勢。由于在納米尺寸范圍,形貌的改變會對電池效率造成一定的影響,因此本文通過金屬輔助化學刻蝕(MACE)法制備了不同形貌的Si NWs微納陣列結(jié)構(gòu),并制備了基于不同形貌的Si NWs微納陣列晶硅太陽能電池,系統(tǒng)地研究了Si NWs形貌調(diào)控方法及不同形貌Si NWs對晶硅太陽能電池性能的影響。本文研究工作內(nèi)容如下:首先利用MACE方法制備了大面積Si NWs微納陣列結(jié)構(gòu)。通過改變氫氟酸/雙氧水混合溶液的刻蝕時間調(diào)控Si NWs長度,通過改變紫外-臭氧(UV-Ozone)預處理時間和5%氫氟酸處理時間調(diào)控Si NWs填充率。其次通過n型摻雜擴散、表面鈍化、絲網(wǎng)印刷電極等工藝制備了晶硅太陽能電池,研究了Si_3N_4鈍化層和SiO_2鈍化層對晶硅太陽能電池性能的影響,實驗結(jié)果表明以Si_3N_4作為鈍化層的晶硅太陽能電池性能較優(yōu)。最后,系統(tǒng)地研究了Si NWs長度和填充率對基于Si NWs晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響。隨著Si NWs長度的增加,其反射率逐漸降低,在3000 nm時平均反射率低至1.49%�；诓煌L度Si NWs的晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率隨Si NWs長度增加而變大,在Si NWs長度為3000 nm時效率達最高。隨著Si NWs填充率的增加,其反射率呈先增大后減小的趨勢,當Si NWs填充率為49.71%時晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高。Si NWs微納陣列的減反效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的硅金字塔陣列,基于Si NWs微納陣列的晶硅太陽能電池各項特征參數(shù)均高于基于傳統(tǒng)硅金字塔陣列的晶硅太陽能電池。
【圖文】：
硅納米線的光學性能解納米線微觀的物理過程對于實現(xiàn)高效的 Si NWs 太陽能電池是至關(guān)重要 的光學性能主要考慮光吸收和光反射。吸收是決定太陽能電池效率的主要因素之一。在低能量光子有序 SiNWs 損耗較高，因此 SiNWs 陣列的整體吸收要比同量級的薄膜少。所以在制池時，需要考慮到所用材料的光學吸收特性，以優(yōu)化 SiNWs 的幾何參數(shù)、直徑、長度等，獲得更高的光吸收。07 年，Hu 和 Chen[14]利用轉(zhuǎn)換矩陣方法模擬計算了規(guī)則 Si NWs 陣列光究了線徑、長度和填充率對 SiNWs 陣列吸收的影響。填充率定義為 2 是納米線的直徑，a 是晶格常數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，Si NWs 在合適的填充率下膜低得多。在高頻區(qū)，Si NWs 陣列比薄膜具有更高的吸收率，而在低頻s 陣列吸收較少，，因此可以通過改變填充率將 Si NWs 吸收率設(shè)計成接近率。
式中 λg——與硅帶隙相對應(yīng)的波長；I（λ）——美國測試與材料協(xié)會在 AM 1.5 下的光譜輻照；A（λ）——吸收度。如圖 1-1 所示，列出了在特定幾個填充率下 SiNWs 陣列作為晶格常數(shù)的函數(shù)的最終效率。從圖中可以清晰的看出，在這些填充率下，晶格常數(shù)大于 150 nm 的 SiNWs 陣列的極限效率可以超過等厚 Si 薄膜的極限效率（下方虛線為等厚 Si 薄膜的極限效率）。2010 年，Bao 和 Ruan[16]通過計算研究了三種隨機結(jié)構(gòu)即隨機位置、長度和直徑的垂直排列 SiNWs 陣列的光學特性。圖 1-2（Ι）為有序和隨機陣列的排布圖，圖 1-2（ΙΙ）為實驗研究的結(jié)果。研究表明，隨機位置的 SiNWs 陣列表現(xiàn)出輕微的吸收增強，而隨機直徑或長度的 SiNWs 陣列則表現(xiàn)出顯著的吸收增強。這些結(jié)果表明，與有序硅納米線陣列相比，結(jié)構(gòu)隨機的垂直 SiNWs 陣列不僅不會破壞光吸收，反而能夠進一步增強光吸收。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.41;TB383.1
【圖文】：
硅納米線的光學性能解納米線微觀的物理過程對于實現(xiàn)高效的 Si NWs 太陽能電池是至關(guān)重要 的光學性能主要考慮光吸收和光反射。吸收是決定太陽能電池效率的主要因素之一。在低能量光子有序 SiNWs 損耗較高，因此 SiNWs 陣列的整體吸收要比同量級的薄膜少。所以在制池時，需要考慮到所用材料的光學吸收特性，以優(yōu)化 SiNWs 的幾何參數(shù)、直徑、長度等，獲得更高的光吸收。07 年，Hu 和 Chen[14]利用轉(zhuǎn)換矩陣方法模擬計算了規(guī)則 Si NWs 陣列光究了線徑、長度和填充率對 SiNWs 陣列吸收的影響。填充率定義為 2 是納米線的直徑，a 是晶格常數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，Si NWs 在合適的填充率下膜低得多。在高頻區(qū)，Si NWs 陣列比薄膜具有更高的吸收率，而在低頻s 陣列吸收較少，，因此可以通過改變填充率將 Si NWs 吸收率設(shè)計成接近率。
式中 λg——與硅帶隙相對應(yīng)的波長；I（λ）——美國測試與材料協(xié)會在 AM 1.5 下的光譜輻照；A（λ）——吸收度。如圖 1-1 所示，列出了在特定幾個填充率下 SiNWs 陣列作為晶格常數(shù)的函數(shù)的最終效率。從圖中可以清晰的看出，在這些填充率下，晶格常數(shù)大于 150 nm 的 SiNWs 陣列的極限效率可以超過等厚 Si 薄膜的極限效率（下方虛線為等厚 Si 薄膜的極限效率）。2010 年，Bao 和 Ruan[16]通過計算研究了三種隨機結(jié)構(gòu)即隨機位置、長度和直徑的垂直排列 SiNWs 陣列的光學特性。圖 1-2（Ι）為有序和隨機陣列的排布圖，圖 1-2（ΙΙ）為實驗研究的結(jié)果。研究表明，隨機位置的 SiNWs 陣列表現(xiàn)出輕微的吸收增強，而隨機直徑或長度的 SiNWs 陣列則表現(xiàn)出顯著的吸收增強。這些結(jié)果表明，與有序硅納米線陣列相比，結(jié)構(gòu)隨機的垂直 SiNWs 陣列不僅不會破壞光吸收，反而能夠進一步增強光吸收。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.41;TB383.1
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