【摘要】：發(fā)展可再生清潔能源一直是人類解決當前能源危機與環(huán)境污染的一個重要途徑。其中太陽能作為可再生能源的重要組成部分,因其分布廣泛、取之不竭、安全可靠、環(huán)境友好等特點,已經(jīng)成為了各國競相發(fā)展的熱點。硅基太陽能電池是光伏市場中的巨頭,占據(jù)了市場90%的份額,而硅基薄膜電池又因為其成本較低,可大規(guī)模生產(chǎn),適于分布式應用等優(yōu)勢,受到了廣泛關注。然而非晶硅材料也受限于自身長程無序的原子結(jié)構特點以及光致衰減效應等缺點,電池效率一直未能得到較大提高,限制了其進一步發(fā)展。為此,探索利用納米線結(jié)構構建三維徑向薄膜太陽能電池是一個重要的研究突破方向�；谡n題組自主創(chuàng)新的低熔點金屬催化誘導硅納米線生長技術,本論文系統(tǒng)深入地研究了在等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)系統(tǒng)中的低熔點金屬誘導氣-液-固(Vapor-Liquid-Solid,VLS)硅納米線生長模式,并制備了高效徑向結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池器件,研究了其獨特的強陷光效應、腔模式耦合以及抗光致衰減效應等特性,結(jié)合理論模擬和實驗探索提出了優(yōu)化的徑向結(jié)光電結(jié)構設計。進一步,本論文還探索將硅基徑向結(jié)電池結(jié)構與無機銫系鈣鈦礦量子點相結(jié)合,首次實現(xiàn)了性能優(yōu)異的硅基超快、高靈敏日盲紫外探測器件,為大面積硅基紫外探測應用提供了一個新的方向。本論文具體的創(chuàng)新點如下:一、深入研究并優(yōu)化了在新的PECVD系統(tǒng)環(huán)境中利用低熔點金屬錫(tin)催化的硅納米線VLS生長制備技術。系統(tǒng)探索了前期氫處理條件、催化金屬薄膜厚度、生長時間/溫度、摻雜濃度調(diào)控等關鍵實驗參數(shù)對硅納米線形貌的影響。針對徑向結(jié)薄膜電池制備需求,成功穩(wěn)定制備出長度均勻約為1 μm,平均直徑為30～40nm,密度精確控制在3×108/cm2的優(yōu)化納米線陣列結(jié)構。在硅納米線形貌調(diào)控基礎上,進一步制備了高效徑向結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池,并較為系統(tǒng)地研究了納米線摻雜、窗口層的摻雜、本征吸收層厚度、納米線密度以及退火溫度對電池性能的影響。通過系統(tǒng)參數(shù)摸索,制備了開路電壓Voc=0.8V,填充因子FF=66%,短路電流Jsc=16mA/cm2,轉(zhuǎn)換效率在8%以上的高效單結(jié)徑向結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池,也為后續(xù)光電探測器件應用奠定了基礎。二、通過有限元分析和數(shù)值模擬,對單結(jié)非晶硅徑向結(jié)薄膜太陽能電池的獨特光場耦合、吸收及其分布特性進行了探索研究。尤其針對隨機納米線陣列結(jié)構特性,研究了徑向結(jié)電池陣列傾斜角度對整體光電轉(zhuǎn)換和吸收特性進行了深入模擬分析。研究發(fā)現(xiàn),在納米線密度適當?shù)那闆r下,直徑與光波長相比擬的徑向結(jié)電池結(jié)構本身的隨機取向以及自遮蔽效應并不構成限制問題,依然能夠獲得和豎直納米線陣列一樣的光吸收性能。這為利用低成本隨機VLS生長納米線陣列制備高性能徑向結(jié)電池提供了關鍵的理論依據(jù)。三、探索了一種新穎高效的無機銫系鈣鈦礦量子點(Inorganic perovskite CsPbX3,IPQDs)與硅納米線徑向結(jié)(Silicon Nanowire Radial p-i-n Junction)雜化薄膜日盲探測器件構架,其中IPQDs量子點具有優(yōu)異的紫外光電吸收和量子轉(zhuǎn)化效率。將其均勻布置在三維(3D)構架的硅納米線徑向結(jié)薄膜電池結(jié)構的表面,可將日盲信號直接轉(zhuǎn)化為徑向非晶硅p-i-n結(jié)區(qū)最優(yōu)化波長(-500 nm附近)實現(xiàn)靈敏吸收探測。另外,針對快速探測需求,徑向結(jié)中本征結(jié)區(qū)厚度可從平面結(jié)的300 nnn降到僅僅80 nnn優(yōu)化,從而有利于光生載流子的快速吸收和響應。基于此技術,最終實現(xiàn)了可大面積低成本制備和應用的硅基薄膜日盲探測器件:在200nm深紫外獲得了50mA/W的響應度,目前已經(jīng)實現(xiàn)了較快的日盲光電探測(上升和下降時間沿為0.48ms/1.03ms),并還有較大進一步提升空間。同時,由于采用無機銫系量子點結(jié)構,探測器件不需要特殊封裝即可穩(wěn)定工作1000小時以上,為大幅度降低成本和規(guī)�；瘧猛茝V奠定了關鍵基礎。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.42

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本文編號：2346116