用于提升光伏电池捕光性能的半导体纳米材料与结构研究

发布时间：2018-05-23 13:20

本文选题：太阳能电池 + 光吸收　；参考：《中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）》2014年博士论文

【摘要】：对于高效太阳能电池，光吸收过程是光电转换的关键的第一步，直接影响光电转换的效率，因此，增加光的吸收对提高太阳能电池转换效率具有重要的意义。表面植绒与氮化硅减反射膜是目前晶硅太阳电池降低表面反射率的常用手段，但是依然不能为电池提供宽波段、全角度的低反射率。半导体纳米线可以提供较低的表面反射，但是由于工艺问题，纳米线电池的转换效率不如块体电池。本文中，我们提出利用半导体纳米结构优异的光学特性，研究设计与光伏电池可兼容的纳米材料与结构来提升光伏电池对光的吸收能力。我们研究并获得了可进一步降低商品晶硅太阳电池表面反射的纳米棒减反射层，并首次提出纳米棒减反射层的尺寸需求与衬底表面植绒结构的关系。通过一种简单的低温水热生长手段在植绒的商品硅电池表面制备了一层氧化锌纳米棒减反射层，该方法对原有的电池结构没有任何损伤，可以在原电池的基础上进一步降低电池表面的反射率。我们研究了该减反射层的可控制备以及其尺寸和形貌对减反射效果的影响。应用纳米棒减反射层后，不论是对于单晶硅还是多晶硅电池，其在380-1100nm范围内的减反射效果十分显著，加权平均反射可以降低~50%，从而使电池的短路电流得以有效提升，如多晶硅电池的短路电流增加了3.64%。在没有氮化硅减反射层的裸硅电池上，该增强效果更明显，可由裸硅电池的33.55增加到36.49mA/cm2，相对提高8.76%。我们研究了该方法在生产上的实用性，发现用ZnO或AZO替代SiNx层直接生长于裸硅电池上，可得到同样优异的减反射效果，电池的短路电流可达到37mA/cm2，高于同样条件下氮化硅减反膜电池；同时，实验表明该纳米棒阵列减反射层可以应用于大面积电池中。进一步，由于单晶硅电池与多晶硅电池的表面植绒结构的差异，我们研究发现两种表面对减反射层中纳米棒的需求有非常大的差别：对于多晶硅电池而言，粗而长的纳米棒具有较好的减反射效果，对于单晶硅电池而言，细而短的纳米棒会更好。同时，我们研究得到了该减反射层的减反射机理。进一步，我们应用复合结构来降低表面反射。我们发展了利用一锅水热法制备纳米球@纳米棒杂化结构，该制备方法简单可控，能够在一锅中实现任何衬底表面的生长，且Er元素被成功地融入纳米球中，而纳米棒仍为氧化锌。我们研究了该杂化结构的可控制备，实现了通过反应条件如反应温度、时间、前驱液浓度以及Zn源与Er源的投料比等对杂化结构形貌和尺寸的调控。我们研究得到了该杂化结构的生长机理，这有利于其应用于表面减反射；最后，我们研究了该杂化结构的的减反射效果，该结构能提供几乎全角度的减反射效果，表面绝对反射低于1%，而且纳米球与纳米棒的尺寸和结构都会影响减反射效果。由于氧化锌纳米棒在紫外区域吸收强烈，使得电池在380nm以下的光电转化效率几乎为0。我们提出利用氧化锌硫化的方式，拓宽氧化锌减反射层的透射光谱范围。我们研究了硫化条件对该减反射层表面反射的影响。发现氧化锌减反射层经过硫化后，电池在330-380波段的量子效率明显提升，如375nm处由原来的约0%提升至19%，而其他波段的量子效率几乎没有发生变化；其次，由于纳米棒对紫外光的吸收以及硅电池本身在紫外区域相对较低的量子效率，我们利用ZnSe:Mn下转换量子点将紫外光转换成可见光，在长有ZnO/ZnS核壳结构纳米棒的硅电池上得到了一定的转换效果。长有氧化锌纳米阵列减反射层的太阳能电池通过ZnSe量子点的表面修饰后在300-370nm之间的量子效率明显高于原来经过ZnO纳米棒修饰后的电池，可达到20%，与在原电池上利用量子点修饰的结果相当，甚至略高。表明利用下转换量子点可以达到弥补氧化锌在紫外区域吸收的缺陷。最后，我们研究利用原子层沉积技术制备表面钝化膜来降低电池中光生载流子的复合从而提高光的利用率。与以往表面钝化研究基于抛光硅电池不同，我们在植绒结构的硅片上研究了氧化铝薄膜的钝化效果，与实际生产应用更接近。我们利用原子层沉积制备三氧化二铝薄膜，通过选择合适的薄膜厚度以及退火温度，可以使硅片的少子寿命增加约300倍，达到150μs以上。我们的实验得到，对于植绒的p型硅片，，利用原子层沉积制备3-5nm的氧化铝且在500-550℃之间退火后可以得到最优的钝化效果。在硅电池中应用氧化铝钝化后，其在400-1200nm范围的量子效率都有较明显的提升，表明通过表面钝化确实可以有效增加电池对光的利用效率。
[Abstract]:For high efficiency solar cells , the light absorption process is the key first step of photoelectric conversion , which directly affects the efficiency of photoelectric conversion . Therefore , it is important to increase the absorption of light to improve the conversion efficiency of solar cells .

This paper studies and obtains the nanometer rod antireflection layer which can further reduce the surface reflection of the commodity crystal silicon solar cell , and the relationship between the size requirement of the nano rod antireflection layer and the surface flocking structure of the substrate is firstly proposed .
At the same time , the experiment shows that the nano rod array antireflection layer can be applied to a large area cell . Further , due to the difference between the surface flocking structure of the single crystal silicon battery and the polycrystalline silicon cell , we have found that the two surfaces have a great difference to the requirement of the nanorods in the antireflection layer . For the polycrystalline silicon cell , the coarse and long nanorods will be better . At the same time , the antireflection mechanism of the antireflection layer is obtained .

Further , we have developed a hybrid structure using a composite structure to reduce the surface reflection . We have developed a hybrid structure using one - pot hydrothermal method . The preparation method is simple and controllable , can realize the growth of the surface of any substrate in one pot , and the nanorods are still zinc oxide . We have studied the controllable preparation of the hybrid structure , and realized the growth mechanism of the hybrid structure by reaction conditions such as reaction temperature , time , precursor concentration and the ratio of Zn source and Er source .
Finally , we studied the antireflection effect of the hybrid structure , which can provide almost full - angle antireflection effect , the absolute reflection of the surface is less than 1 % , and the size and structure of the nanosphere and the nanorods can influence the antireflection effect .

The effect of curing conditions on the surface reflection of the antireflection layer is studied . The effect of curing conditions on the surface reflection of the antireflection layer is widened . The effect of curing conditions on the surface reflection of the antireflection layer is widened . The quantum efficiency of the cells in the 330 - 380 wavelength band is obviously improved , as at 375nm from about 0 % to 19 % , while the quantum efficiency of other bands has little change .
Second , due to the absorption of the nanorods to ultraviolet light and the relatively low quantum efficiency of the silicon cell itself in the ultraviolet region , we have obtained a certain conversion effect on the silicon cell with ZnO / ZnS core - shell structure nanorods .

in that end , we study the passivation effect of the surface passivation film by atomic layer deposition technique to reduce the recombination of photo - generated carriers in the battery so as to improve the utilization ratio of the light .
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

【参考文献】