基于硅纳米线阵列的晶硅光伏器件陷光增效技术研究

发布时间：2020-05-03 21:16

【摘要】：硅基太阳能电池可以直接将太阳光转换成电能,具有清洁、安全、高效等优点,在硅基太阳能电池中引入陷光结构能够有效提高光电转换效率,逐渐成为当前研究的热点。硅纳米线(Si NWs)作为一种陷光结构,具有特殊的纳米尺寸效应,能够增强光捕获,提高电池效率,在硅基太阳能电池的应用上展露出了巨大的优势。由于在纳米尺寸范围,形貌的改变会对电池效率造成一定的影响,因此本文通过金属辅助化学刻蚀(MACE)法制备了不同形貌的Si NWs微纳阵列结构,并制备了基于不同形貌的Si NWs微纳阵列晶硅太阳能电池,系统地研究了Si NWs形貌调控方法及不同形貌Si NWs对晶硅太阳能电池性能的影响。本文研究工作内容如下:首先利用MACE方法制备了大面积Si NWs微纳阵列结构。通过改变氢氟酸/双氧水混合溶液的刻蚀时间调控Si NWs长度,通过改变紫外-臭氧(UV-Ozone)预处理时间和5%氢氟酸处理时间调控Si NWs填充率。其次通过n型掺杂扩散、表面钝化、丝网印刷电极等工艺制备了晶硅太阳能电池,研究了Si_3N_4钝化层和SiO_2钝化层对晶硅太阳能电池性能的影响,实验结果表明以Si_3N_4作为钝化层的晶硅太阳能电池性能较优。最后,系统地研究了Si NWs长度和填充率对基于Si NWs晶硅太阳能电池光电转换效率的影响。随着Si NWs长度的增加,其反射率逐渐降低,在3000 nm时平均反射率低至1.49%。基于不同长度Si NWs的晶硅太阳能电池光电转换效率随Si NWs长度增加而变大,在Si NWs长度为3000 nm时效率达最高。随着Si NWs填充率的增加,其反射率呈先增大后减小的趋势,当Si NWs填充率为49.71%时晶硅太阳能电池的光电转换效率最高。Si NWs微纳阵列的减反效果明显优于传统的硅金字塔阵列,基于Si NWs微纳阵列的晶硅太阳能电池各项特征参数均高于基于传统硅金字塔阵列的晶硅太阳能电池。
【图文】：

填充率,阵列,晶格常数,效率

硅纳米线的光学性能解纳米线微观的物理过程对于实现高效的 Si NWs 太阳能电池是至关重要的光学性能主要考虑光吸收和光反射。吸收是决定太阳能电池效率的主要因素之一。在低能量光子有序 SiNWs 损耗较高，因此 SiNWs 阵列的整体吸收要比同量级的薄膜少。所以在制池时，需要考虑到所用材料的光学吸收特性，以优化 SiNWs 的几何参数、直径、长度等，获得更高的光吸收。07 年，Hu 和 Chen[14]利用转换矩阵方法模拟计算了规则 Si NWs 阵列光究了线径、长度和填充率对 SiNWs 阵列吸收的影响。填充率定义为 2 是纳米线的直径，a 是晶格常数。研究发现，Si NWs 在合适的填充率下膜低得多。在高频区，Si NWs 阵列比薄膜具有更高的吸收率，而在低频s 阵列吸收较少，，因此可以通过改变填充率将 Si NWs 吸收率设计成接近率。

吸收率,反射率,排布,阵列

式中 λg——与硅带隙相对应的波长；I（λ）——美国测试与材料协会在 AM 1.5 下的光谱辐照；A（λ）——吸收度。如图 1-1 所示，列出了在特定几个填充率下 SiNWs 阵列作为晶格常数的函数的最终效率。从图中可以清晰的看出，在这些填充率下，晶格常数大于 150 nm 的 SiNWs 阵列的极限效率可以超过等厚 Si 薄膜的极限效率（下方虚线为等厚 Si 薄膜的极限效率）。2010 年，Bao 和 Ruan[16]通过计算研究了三种随机结构即随机位置、长度和直径的垂直排列 SiNWs 阵列的光学特性。图 1-2（Ι）为有序和随机阵列的排布图，图 1-2（ΙΙ）为实验研究的结果。研究表明，随机位置的 SiNWs 阵列表现出轻微的吸收增强，而随机直径或长度的 SiNWs 阵列则表现出显著的吸收增强。这些结果表明，与有序硅纳米线阵列相比，结构随机的垂直 SiNWs 阵列不仅不会破坏光吸收，反而能够进一步增强光吸收。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.41;TB383.1

【相似文献】