硅基径向结薄膜太阳能电池及其光电探测应用

发布时间：2018-11-20 21:39

【摘要】：发展可再生清洁能源一直是人类解决当前能源危机与环境污染的一个重要途径。其中太阳能作为可再生能源的重要组成部分,因其分布广泛、取之不竭、安全可靠、环境友好等特点,已经成为了各国竞相发展的热点。硅基太阳能电池是光伏市场中的巨头,占据了市场90%的份额,而硅基薄膜电池又因为其成本较低,可大规模生产,适于分布式应用等优势,受到了广泛关注。然而非晶硅材料也受限于自身长程无序的原子结构特点以及光致衰减效应等缺点,电池效率一直未能得到较大提高,限制了其进一步发展。为此,探索利用纳米线结构构建三维径向薄膜太阳能电池是一个重要的研究突破方向。基于课题组自主创新的低熔点金属催化诱导硅纳米线生长技术,本论文系统深入地研究了在等离子体增强化学气相淀积(PECVD)系统中的低熔点金属诱导气-液-固(Vapor-Liquid-Solid,VLS)硅纳米线生长模式,并制备了高效径向结非晶硅薄膜太阳能电池器件,研究了其独特的强陷光效应、腔模式耦合以及抗光致衰减效应等特性,结合理论模拟和实验探索提出了优化的径向结光电结构设计。进一步,本论文还探索将硅基径向结电池结构与无机铯系钙钛矿量子点相结合,首次实现了性能优异的硅基超快、高灵敏日盲紫外探测器件,为大面积硅基紫外探测应用提供了一个新的方向。本论文具体的创新点如下:一、深入研究并优化了在新的PECVD系统环境中利用低熔点金属锡(tin)催化的硅纳米线VLS生长制备技术。系统探索了前期氢处理条件、催化金属薄膜厚度、生长时间/温度、掺杂浓度调控等关键实验参数对硅纳米线形貌的影响。针对径向结薄膜电池制备需求,成功稳定制备出长度均匀约为1 μm,平均直径为30～40nm,密度精确控制在3×108/cm2的优化纳米线阵列结构。在硅纳米线形貌调控基础上,进一步制备了高效径向结非晶硅薄膜太阳能电池,并较为系统地研究了纳米线掺杂、窗口层的掺杂、本征吸收层厚度、纳米线密度以及退火温度对电池性能的影响。通过系统参数摸索,制备了开路电压Voc=0.8V,填充因子FF=66%,短路电流Jsc=16mA/cm2,转换效率在8%以上的高效单结径向结非晶硅薄膜太阳能电池,也为后续光电探测器件应用奠定了基础。二、通过有限元分析和数值模拟,对单结非晶硅径向结薄膜太阳能电池的独特光场耦合、吸收及其分布特性进行了探索研究。尤其针对随机纳米线阵列结构特性,研究了径向结电池阵列倾斜角度对整体光电转换和吸收特性进行了深入模拟分析。研究发现,在纳米线密度适当的情况下,直径与光波长相比拟的径向结电池结构本身的随机取向以及自遮蔽效应并不构成限制问题,依然能够获得和竖直纳米线阵列一样的光吸收性能。这为利用低成本随机VLS生长纳米线阵列制备高性能径向结电池提供了关键的理论依据。三、探索了一种新颖高效的无机铯系钙钛矿量子点(Inorganic perovskite CsPbX3,IPQDs)与硅纳米线径向结(Silicon Nanowire Radial p-i-n Junction)杂化薄膜日盲探测器件构架,其中IPQDs量子点具有优异的紫外光电吸收和量子转化效率。将其均匀布置在三维(3D)构架的硅纳米线径向结薄膜电池结构的表面,可将日盲信号直接转化为径向非晶硅p-i-n结区最优化波长(-500 nm附近)实现灵敏吸收探测。另外,针对快速探测需求,径向结中本征结区厚度可从平面结的300 nnn降到仅仅80 nnn优化,从而有利于光生载流子的快速吸收和响应。基于此技术,最终实现了可大面积低成本制备和应用的硅基薄膜日盲探测器件:在200nm深紫外获得了50mA/W的响应度,目前已经实现了较快的日盲光电探测(上升和下降时间沿为0.48ms/1.03ms),并还有较大进一步提升空间。同时,由于采用无机铯系量子点结构,探测器件不需要特殊封装即可稳定工作1000小时以上,为大幅度降低成本和规模化应用推广奠定了关键基础。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.42

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本文编号：2346116