宽波段宽角度新型太阳能电池吸收层的设计与制备的研究

发布时间：2020-03-28 00:07

【摘要】：近年来,薄膜太阳能电池的应用已成为人们关注的焦点。吸收层作为产生电子空穴对的主要场所,是整个薄膜太阳能电池的核心。铜锌锡硫(CZTS)因其具有资源丰富,且光吸收系数高、禁带宽度适中等优势,所以被作为吸收层理想的候选材料。然而薄膜结构中光吸收和载流子重组会导致电子的损失增多,为了使光和电流沿不同路径传输,提高吸收层的吸收效率和节约制作成本。因此,本论文提出在薄膜太阳能电池中引入径向PN结纳米结构,将低成本、高产出的纳米微球掩模板刻蚀技术与CZTS薄膜制备工艺相结合。在保证薄膜质量的同时,高纵横比的纳米结构能够提供更直接的电荷传输通道,有利于电荷的收集效率和吸收效率,从而得到高性能的纳米线结构CZTS吸收层。本论文通过时域有限差分法(FDTD)仿真设计了纳米线阵列结构,通过优化占空比、柱高度等参数设定纳米线直径400nm、高度2μm,实现了其在300~2000nm宽波段范围内反射率的降低。在斜入射情况下,光吸收特性随着入射角度增大而增强,实现了0~60°入射角度的延展。论文中采用提拉法的自组装技术制备掩模板,确定铺展剂水与乙醇1:2的配比、表面活性剂4 wt%的浓度、静置平衡2分钟后再提拉、用塑料滴管滴加微球悬浊液等参数后得到了规整排列的单层聚苯乙烯微球掩模板。利用感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)在其掩模板上通过改变刻蚀时间等条件制备得到尺寸可控的SiO_2纳米柱阵列,实现平面衬底的替代。利用磁控溅射制备CZTS预制层,在溅射气压3mTorr、溅射功率120W、衬底温度300℃等实验条件下得到的薄膜较为致密,且薄膜的化学元素比约为2:1:1:4。再经过硫化热处理,确定在硫化温度为550℃时,形成单一相的CZTS薄膜。本论文最后得到的纳米线阵列结构CZTS吸收层在可见光区域具有相对较高的吸收率,且在宽波段范围的光吸收性高于平面薄膜,从而提升了太阳能电池器件的光学性能。
【图文】：

光谱图,太阳光谱,地球表面

可实现光和电流沿不同路径进行传输的同时，缩短吸少衬底材料的消耗，兼具优异的光电特性，因此考虑在薄膜太阳能构的吸收层。纳米结构在太阳能电池领域的优势较为明显，主要体的反射率，以及提高载流子的聚集效率，，进而在宽波段范围内得到优异的吸收效果。而太阳能电池转换效率的提高，很大程度上取决地表光谱的吸收程度。阳光谱不同波段里所含的能量来说，其分布并不均匀，因此光照射的光子数量也就不同。到达地球表面的光谱图如图 1.2 所示，当太面时，受各种宇宙行星的影响以及大气中分子引起的瑞利散射、空和尘埃的吸收和反射等因素，使得最终到达地面的太阳辐射能量远全球平均 45%），大气层的吸收导致红外光谱区（>760nm）能量 43%上升到 52%左右，可见光谱区（400～760nm）所占有能量的到 43%左右，在紫外光谱区（<400nm）到达地球表面的太阳能光谱不面上观测的太阳辐射波段范围大约为 0.295～2.5μm。如何把这些丰起来以便实现对其最大利用，是科学家们为之努力的方向。

示意图,铜锌,晶体结构,示意图

新型 CZTS 薄膜太阳能电池.1 CZTS 薄膜的性质铜锌锡硫（CZTS）属于 I-II-IV-VI 族四元半导体化合物材料，具有锌黄锡矿结 1.3 所示。结构特征是阳离子层 CuSn、CuZn、CuSn 和 CuZn 交替排列在 1/2 和 3/4 处。采用 Schottky-Queisser 理论计算，CZTS 的理论最高转换效4%，其短路电流（Jsc）为 29.6 mA/cm2，开路电压（Voc）为 1.23 V，填充因子（9.9%。晶格常数 a=0.54nm，c=1.09nm[4]，计算得到 CZTS 的密度约为 4.6g/cmS 作为直接带隙的半导体材料，仅由丰富且无毒的元素组成，禁带宽度 1.4～的光吸收系数约 104cm-1，这种高吸收系数和接近最优的带隙能量，使得只量级厚度的材料就能实现大部分太阳光的吸收，因此 CZTS 成为制备低成本能电池吸收层的理想材料[6]。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4

【参考文献】