微阵列结构减反膜及其在太阳能电池中的应用

发布时间：2020-03-22 06:51

【摘要】：太阳能由于在缓解当前的能源危机和环境污染问题上的优势,被认为是最具前景的可再生能源之一。太阳能电池可以直接进行光电转换将太阳能转换为电能,但是目前并没有得到广泛的应用,究其原因主要是太阳能电池的生产成本过高和转换效率过低。因此,在未来的研究中,提高太阳电池的转换效率和降低成本是研究的主要目标。而微纳结构减反膜的应用能够及大地减小光在电池前表面的反射,从而提高太阳能电池的光电转换效率。因此在太阳能光伏产业中,对微纳结构减反膜的研究和应用具有十分重要的意义。本文以太阳能电池的微纳结构减反膜为研究对象,从形态和制备方法上分别改进设计出了仿生河豚皮肤纳米刺聚合物减反射膜,以及模板复制与聚二甲基硅氧烷(PDMS)收缩相结合制备减反射膜的工艺方法。并对所得的实验样品的光学减反特性和太阳能器件的电学性能进行了研究。本文的主要研究内容和结果如下:第一,我们采用时域有限差分方法(FDTD)方法设计了仿生苯环型河豚皮肤纳米刺(DSNT)结构,采用非接触无掩模直接激光刻写光刻工艺制作,通过调节激光功率来减小晶硅太阳能电池的上表面反射,使DSNT高度最大化。采用软压印技术将环氧树脂DSNT薄膜从光刻胶模板转移到平面Si基底的表面。我们研究了硅衬底中苯环型环氧树脂DSNT薄膜的反射率。苯环型环氧树脂DSNT薄膜显著降低了硅衬底的上表面反射。除减反射性能外,我们发现环氧树脂DSNT薄膜具有疏水性和自清洁能力。因此,在晶硅太阳能电池的顶部添加环氧树脂DSNT薄膜,可以有效减少其上表面的反射。另外,实验测量的光电特性一致表明,环氧树脂DSNT薄膜可以显著地抑制晶硅太阳能电池的上表面反射损耗,从而显著改善光电转换效率(PCE),因此,环氧树脂DSNT薄膜可以作为当下降低光电器件上表面反射的良好选择。第二,为了简化晶硅太阳能电池减反膜的制作工艺,我们提出了一种具有低反射损失的减反膜的制备方法。使用激光直写光刻方法制备六角密排微米柱阵列模板,将微米结构图案模版复制到预先拉伸的透明PDMS薄膜上,在应力释放后,PDMS收缩使得微米织构图案的周期减小、深宽比提高,并且产生了一些纳米褶皱结构。实验结果显示:与未收缩微米结构的减反膜相比,收缩的微纳结构减反膜将太阳能电池在300-1000 nm入射光范围的反射率从15.5%减小到13.24%,相对反射率降低了17.1%,太阳能电池相对光电转化效率提高了5.51%。另外,所制备的微纳结构PDMS减反膜可以提高太阳能电池表面的疏水性和自清洁能力。
【图文】：

对比图,能源消耗,全球,对比图

第一章绪论研究背景由于人口增长和工业发展，世界能源需求显著增加。值得注意的是，世界人口在一代人的时间里增加了 20 亿，而发展中国家的人口增长占了很大比例[1]。因此，预防能源危机已成为了 21 世纪世界性重要问题之一。化石燃料目前依然是世界能源结构的主体部分，并且通常用于满足世界的能源需求。图 1-1 为全球燃料一次性能源消耗对比图。可以看出，石油、煤炭和天然气等化石燃料仍然是世界各国的燃料功能主体。而可再生能源在能源结构的占比不大。

原理图,光伏效应,太阳能电池,原理

能电池原理原理统的太阳能利用主要是利用光热效应供暖，而太阳能光伏是太阳能形式。光伏是太阳能光伏发电的缩写。光伏发电的重要器件是太阳电池可以被认为是由 P 型半导体和 N 型半导体的组合构成的 PN 原理如图 1-2 所示。太阳能电池的光伏效应原理主要分为三个过程射吸收过程、电子-空穴对激发过程以及光生载流子分离过程。首射太阳能电池的表面，并且透射的光量子能量积聚在电池内的半导光子的能量高于半导体材料的禁带宽度 Eg时，这些光子可以在半子空穴。在电池中的 p 型半导体区域中产生大量的电子-空穴对。电源，在 p-n 结的内建电场的影响下，带负电的电子移动到 n 型半穴则保留在 p 型半导体区域中。当接通外部电路后，，电子沿电路从动到 p 型区，形成电流。
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4

【参考文献】