飞秒激光辐照GaAs太阳能电池表面微纳结构制备对减反射性能影响研究

发布时间：2020-05-07 00:59

【摘要】：随着国家太空战略规划的部署,航天卫星技术已成为21世纪世界各国争先发展的主要领域,而空间电源作为航天卫星的主要组成部分,其光电转化效率是航天技术发展的关键因素。制备多结层太阳能电池可有效提高电池的光电转换效率,但是制备工艺复杂、成本高昂,很难应用于工业生产。表面微结构可以抑制入射光线的反射,增强电池吸收层表面的光吸收强度,提高电池的光电转换效率。所以,科研工作者们致力于表面微结构的抗反射研究。本文以砷化镓电池为研究对象,采用飞秒激光在GaAs电池表面制备减反射微结构,为提高GaAs电池的光电转换效率提供有效的实验基础。通过合适的加工环境、优化后的飞秒激光工艺参数对GaAs/Ge单结异质电池表面进行加工。同时,采用飞秒激光辐照不同电池材料(GaAs/Ge单结异质电池和砷化镓双结异质电池)表面制备微结构。分析了不同的微结构与不同波段入射光之间的相互作用,并通过实验探究了不同微结构的形成机理。主要得出以下结论:(1)研究了不同的加工环境(空气、乙醇、蒸馏水)对飞秒激光在GaAs/Ge单结异质电池表面制备微结构的影响。分别对不同加工环境中飞秒激光扫描后的表面进行表征,结果表明在蒸馏水环境中制备出的微结构比在空气环境中的小1~2个数量级,且分布均匀,其深度范围控制在100~350nm;蒸馏水环境中制备的微结构比在乙醇环境中的更加复杂,突起结构的数量密度较大,且在突起结构周围分布较多的纳米孔洞。(2)在蒸馏水环境,研究了能量密度和扫描速度等飞秒激光工艺参数的改变对微结构形态变化的影响,得出最佳工艺参数(7.9J/cm~2,2.2mm/s),在GaAs/Ge单结异质电池表面成功制备出复合纳米结构(Composite Nano-Structures,简称CNs)。CNs结构由纳米孔和纳米突起组成,尺寸范围控制在300~500nm。由CNs结构覆盖的电池表面的平均反射率(300-1700nm)由原来的30.84%降低至8.9%。CNs结构的减反机制一方面是其对短波段入射光的多重反射,另一方面是其充当为有效折射率层对长波段入射光的减反。(3)在空气环境中采用飞秒激光辐照GaAs/Ge单结异质太阳能电池表面,在表面制备出一维微纳复合光栅结构(1D Micro/Nano-composite Grating Structures,简称1D-CGs),使电池表面的平均反射率在300-1700nm波段由30.84%降至7.17%。同时,在砷化镓双结电池表面制备出相似的光栅结构,在相同宽波段范围内使双结电池表面的平均反射率由38.36%降低至9.09%。1D-CGs结构的减反机制是由于光捕效应和有效介质效应相结合,微米级光栅结构形成光捕效应,光栅结构内部的复合纳米结构形成有效介质效应。
【图文】：

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江苏大学硕士学位论文能电池结构图。太阳能电池主要包括金属电极、减反射膜、N电极。图 1.1(b)示出 PN 结的空间电荷示意图。当 N 型半导体接触时，由于两边自由载流子浓度的差异，N 区的电子会向 P正电；P 区的空穴会向 N 区扩散，本身带上负电，，从而形成空P 区和 N 区之间电子和空穴的扩散运动而产生的电动势会阻碍达到平衡状态，从而在 P 区和 N 区的接触处形成空间电荷区，N 区为带正电的施主离子，P 区为带负电的受主离子，并在个内建电场，且电场方向是由 N 区指向 P 区。

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池表面减反性能[21]、制备结构色防伪[16-19]、体泄露的重油，并且已应用到国防科技、生物。备微结构研究进展光制备微结构提高材料表面性能已成为科学的文献报道。2004 年，哈佛大学的 M.Y. She光辐照硅表面，在电池表面制备出了周期为 5峰结构的生长与激光脉冲持续之后产生的气毛细管波纹结构被进一步的激光刻蚀有关。这能电池效率的提高提供实验基础，并对其他学机理给与很大的启发。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】