基于银和碳纳米管阵列的晶硅电池仿真、制备及性能研究

发布时间：2020-07-09 15:50

【摘要】：硅基光伏器件现在面临的主要挑战是硅材料对于太阳光来说不是强吸收体,提高硅吸收层的光吸收是实现高效率硅基太阳能电池的关键。由于纳米结构具有独特的光管理能力,在硅前表面制备基于电介质材料的亚波长纳米结构成为一个有效的陷光策略。亚波长纳米结构的主要陷光方式是把光通过局部共振模式和波导共振模式耦合到晶硅太阳能电池的活性区,从而增加光吸收性能。本课题选用银纳米颗粒(Ag NPs)和多壁碳纳米管(MWCNT)阵列为基本陷光材料,制备了具有纳米颗粒阵列结构和周期性亚波长光栅结构的晶硅太阳能电池,对其进行光学性能和光伏性能的测试,同时利用Comsol和Matlab软件进行亚波长结构阵列的仿真计算,并结合局域表面等离子体激元特性和导波光学效应探讨光伏性能增强的机理。首先,通过磁控溅射法在p-n晶硅表面制备了超薄二氧化钛(TiO_2)电介质层和银(Ag)膜,再通过烧结和退火一步法制备出复合结构的Ag NPs/TiO_2平面晶硅太阳能电池,考察了不同粒径尺寸的银纳米颗粒阵列对晶硅太阳能电池光伏性能的影响。实验研究发现,当粒径为160 nm的银纳米颗粒阵列与二氧化钛电介质层复合时,其效率可提高9.9%,短路电流密度可提高7.7%。光伏性能的提升除了局域表面等离激元共振作用外,二氧化钛电介质层也起到重要作用。通过Comsol和Matlab软件进行仿真和计算以进一步研究陷光增效机理,仿真结果与实验结果较吻合。其次,通过Fluent软件仿真反应室内气体流场环境,进而研究气体流场对生长多壁碳纳米管阵列的影响。通过磁控溅射法和旋涂转移法制备镍催化剂,采用化学气相沉积法制备得到定向多壁碳纳米管阵列。比较了两种催化剂制备方法的区别以及催化剂对碳纳米管阵列形貌和取向性的影响。碳纳米管阵列由于具有纳米尺度空隙,因而减反射性能显著,在光伏陷光增效方面表现出巨大的应用潜力。再次,通过Comsol仿真考察了具有光栅结构的MWCNT、MWCNT@TiO_2和MWCNT@Ag晶硅太阳能电池的光学性能,研究发现当管径为70 nm,间距在75nm-125 nm范围内,且包覆层厚度分别在40 nm和60 nm时具有较强的减反射性能和较高的光吸收增强效果。利用Matlab软件对具有这些陷光结构的晶硅太阳能电池的光伏性能进行了理论计算,结果表明具有最优结构参数的两种复合陷光结构都可以显著提高晶硅太阳能电池的理想效率和短路电流密度。最后,通过磁控溅射法制备了具有光栅陷光结构的MWCNT@TiO_2和MWCNT@Ag晶硅太阳能电池,研究发现这两种复合陷光结构的晶硅太阳能电池光伏性能均有一定程度提高,且Ag包覆的电池性能优于TiO_2包覆的电池性能。亚波长光栅结构通过法布里-珀罗微腔共振可以增强晶硅太阳能电池光吸收性能,而金属光栅利用法布里-珀罗微腔共振和局域表面等离激元共振的耦合作用,可进一步增强晶硅太阳能电池的光吸收,从而实现陷光增效。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【图文】：

储量预测,常规能源,世界,和中

第 1 章绪论全球人口数量的增长以及经济的发展，人类对能源的需求也越来主要依赖的常规化石能源的消耗急剧增大，这种有限的资源在未能源的大量需求。根据权威机构的预测，全球煤炭资源仅能供人资源仅能供人类再用 40-60 年，而核能也是有限的资源，能供人类国的常规能源形势更不容乐观，预测在 80 年以内我国的常规能源 1-1 所示[1]。此外，由于人类长期大量使用化石能源，造成了二氧放，致使全球气候变暖，而且目前中国面临的雾霾问题，也主要成的。所以从全球范围来看，找到能够替代常规能源的可再生能太阳能具有清洁、丰富的特点，可以说是“取之不尽，用之不竭，从长远来看，太阳能是一种潜在的能够供人类大规模利用的可

结构图,太阳能电池,单晶硅,结构图

太阳能电池的发展美国贝尔实验室成功制备出世界上第一个可以实际应用以“用沙子的成分(硅)制出了电池，用它可以取得无穷无该项研究成果，引起了巨大的轰动。1960 年，由于晶硅为栅线电极，此时晶硅太阳能电池的效率可达到 14%[4]的全球能源恐慌，使得美国、欧洲各国和日本等国家纷之中，进一步促进了晶硅太阳能电池的发展。世纪 90 年代初期，以日本和德国为代表的发达国家首先的一系列商业补贴政策之后，有效推动了晶硅太阳能电。1998 年，被誉为“太阳能之父”的新南威尔士大学的出当时世界上效率最高的单晶硅太阳能电池，即钝化发RL)[5]，其效率高达 24.4%，其结构如图 1-2 所示。

示意图,接触电,异质结,横截面

图 1-3 异质结叉指背接触电池横截Fig. 1-3 The cross-section schematic o今世界范围来看，高效晶硅太阳能电池技制备技术主要可分为单晶和多晶的钝化发接触电池(TOPCon)、叉指背接触电池(IBC池(HBC)等。图 1-4 为近年来各种晶硅太阳

【参考文献】