【摘要】：太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體光電子器件,由于光能來源的廣泛,太陽能電池被世界各國所重視。目前,硅基材料在半導(dǎo)體工業(yè)中被大量使用,而且地殼中硅的含量高達(dá)25%左右,所以硅基太陽能電池在光伏行業(yè)中有著舉足輕重的地位。但由于晶體硅高昂的制備成本,如何在大幅減少硅基材料厚度的情況下,仍然保證硅基薄膜太陽能電池(Thin Film Solar Cell,TFSC)具有較為可觀的光吸收效率和光生載流子收集效率是目前亟待解決的兩大難題。隨著微納制造技術(shù)的發(fā)展,在微納尺度上的結(jié)構(gòu)設(shè)計為提升硅基薄膜太陽能電池的光電性能提供了一種可行的方法。根據(jù)光波導(dǎo)耦合理論、亞波長尺度下的幾何平均介質(zhì)理論以及肖克萊-萊德-霍爾復(fù)合理論等,本文設(shè)計了硅基薄膜太陽能電池的四種界面微納結(jié)構(gòu)。利用時域有限差分方法(FDTD)和有限元法(FEM),理論上計算了所設(shè)計的界面微納結(jié)構(gòu)太陽能電池的光吸收效率和相關(guān)的輸出性能參數(shù)。通過對所設(shè)計的界面微納結(jié)構(gòu)參數(shù)的掃描優(yōu)化,確定了輸出性能參數(shù)提升的幅度。根據(jù)光波導(dǎo)理論、幾何光學(xué)知識以及電磁場空間分布的特點等,探討了所設(shè)計的界面微納結(jié)構(gòu)提高硅基薄膜太陽電池的光吸收效率和載流子收集效率的相關(guān)機理。本文的研究為研發(fā)高性能的硅基薄膜太陽能電池提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。主要研究工作和成果總結(jié)如下:1)將晶硅薄膜太陽能電池的底層Ag光柵設(shè)計成由具有高度差Δh的雙層Ag柵條組成的微納光柵結(jié)構(gòu)。利用FDTD數(shù)值計算方法,研究了Ag柵條高度差Δh對晶硅薄膜太陽能電池光吸收效率以及光生電流密度J_(ph)所產(chǎn)生的影響。利用FEM方法,對太陽能電池中的半導(dǎo)體部分進(jìn)行光電耦合計算,得出所設(shè)計的雙層Ag柵條結(jié)構(gòu)晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)。研究表明:雙層Ag柵條微納結(jié)構(gòu)能有效提高晶硅薄膜太陽能電池的光吸收效率。2)根據(jù)光波導(dǎo)理論,在晶硅層的在晶硅層的底部設(shè)計了由交替排列的Ag柵條和AZO柵條共同組成的混合光柵(Hybrid Grating,HG)結(jié)構(gòu)。利用FDTD方法計算了這種微納光柵的光吸收效率增強譜,并與理論計算的光波導(dǎo)模式的色散圖進(jìn)行了對比分析。將底層混合光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)用到共形雙層光柵晶硅薄膜太陽能電池中,并對光吸收效率和輸出性能參數(shù)進(jìn)行了研究分析。研究表明:底層混合光柵結(jié)構(gòu)能在長波段有效提升晶硅薄膜太陽能電池的光吸收效率。3)根據(jù)亞波長尺度下的幾何介質(zhì)理論,在晶硅層和AZO覆層的界面處設(shè)計了亞波長尺度的界面光子晶體(Interface Photonic Crystal,IPC)結(jié)構(gòu)。利用光在兩種介質(zhì)界面的反射率及透射率的公式推導(dǎo)出T_(in)=T_1?T_2的透射率近似計算公式,并依據(jù)該公式和幾何平均介電常數(shù)公式計算出了IPC結(jié)構(gòu)的尺寸長度。通過FDTD數(shù)值計算,發(fā)現(xiàn)IPC結(jié)構(gòu)能有效地提高晶硅層對段波段(300 nm 600 nm)入射光的吸收。通過FEM數(shù)值計算發(fā)現(xiàn):加上IPC結(jié)構(gòu)后能有效提高晶硅薄膜太陽能電池的輸出性能參數(shù)。4)對200 nm厚度的非晶硅薄膜太陽能電池的非晶硅層中光生載流子的空間分布進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)近36%的光生載流子集中在非晶硅層頂部和底部約20 nm厚度的重?fù)诫s區(qū)域中。根據(jù)光生載流子在本征非晶硅區(qū)域中的復(fù)合率要遠(yuǎn)低于在重?fù)诫s非晶硅區(qū)域的結(jié)論,設(shè)計了間斷摻雜(Internal Doping,ID)結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽能電池。通過對光生載流子分布的研究,發(fā)現(xiàn)間斷摻雜結(jié)構(gòu)將原來頂部和底部20 nm厚重?fù)诫s區(qū)域中一半以上的光生載流子轉(zhuǎn)移到了本征非晶硅區(qū)域中。其中,頂部柵條結(jié)構(gòu)的“光聚焦”效應(yīng)起到了增加非晶硅層中光生載流子占比的作用。根據(jù)非晶硅層中懸掛鍵缺陷和帶尾態(tài)缺陷的分布曲線,建立了由這兩種缺陷構(gòu)成的復(fù)合中心所導(dǎo)致的光生載流子的SHR復(fù)合模型。通過對間斷摻雜結(jié)構(gòu)非晶硅薄膜太陽能電池的載流子收集效率的研究,發(fā)現(xiàn)間斷摻雜方法能有效提高非晶硅薄膜太陽能電池的電學(xué)內(nèi)量子效率。
【圖文】：

圖 1.1 晶硅的光吸收系數(shù)[16]Fig 1.1 Optical absorbance of c-Si[16]次穿過介質(zhì)的光線來說，光吸收效率遵守 Beer-Lambert 定( )( ) 1 elA .1 可以看出，對于波長 λ = 1100 nm 的光來說，吸收系數(shù) 系數(shù)帶入公式(1.1)中可得：ln[1 (1100)](1100)(1100)Al 1100 nm 波長的光的吸收效率達(dá)到 99%的近完全吸收的程1100)≥13200 m。同理，要使 800nm 波長的光能近乎完全度 l(1100) ≥ 52 m。lonovitch證明在幾何光學(xué)尺度下，表面隨機分布的紋理能將增加為單次穿越光程的4n2倍[31]，其中n為吸收層介質(zhì)晶硅學(xué)角度來說，對于入射進(jìn)入介質(zhì)晶硅的光只需264 μm的厚

圖 1.2 利用貴金屬的等離子諧振增加薄膜太陽能電池光吸收的四種機制[11,46]：(a)貴金屬粒的后向散射；(b)貴金屬顆粒的 LSPR；(c)貴金屬光柵的 SPP；(d)貴金屬的熱電子效應(yīng)。Fig 1.2 Nobel metal particle’s four plasmonic mechanisms to improve thin film solar cell’s opticabsorption efficiency[11,46]: (a) nobel metal particle’s backward scattering; (b) nobel metal particlelocal surface plasmonic resonance; (c) nobel metal grating’s surface plasmon polaritons; (d) nobmetal’s hot electron effect近幾年，，隨著 plasmonics 學(xué)科的興起[36]，研究人員將 plasmonics 方法也用膜太陽能電池減反與陷光的研究中[37-45]。這些方法主要用到的機理有以下四種1) 貴金屬納米顆粒的后向散射（如圖 1.2(a)所示）；2) 貴金屬納米顆粒的局域表面等離子諧振（Local surface plasmonic resonanSPR）（如圖 1.2(b)所示）；3) 貴金屬與介質(zhì)界面的表面等離子體激元模式（Surface plasmon polariton, SP如圖 1.2(c)所示）；4) 貴金屬納米顆粒激發(fā)的熱電子[46]（如圖 1.2(d)所示）。但這四種方法都無法避免貴金屬本身對光的寄生吸收[33]，而在長波段（800
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.42

【參考文獻(xiàn)】

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1 江澤民;;對中國能源問題的思考[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2008年03期

2 于靜;車俊鐵;張吉月;;太陽能發(fā)電技術(shù)綜述[J];世界科技研究與發(fā)展;2008年01期

3 成志秀;王曉麗;;太陽能光伏電池綜述[J];信息記錄材料;2007年02期

4 俞遠(yuǎn)高;侯國付;王銳;薛俊明;趙穎;耿新華;楊瑞霞;;微晶硅材料及其在太陽能電池中的應(yīng)用[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2006年08期

5 蔣長榮,劉樹勇;愛因斯坦和光電效應(yīng)[J];首都師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年04期

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1 華夏;新型硅基異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D];上海交通大學(xué);2014年

本文編號：2704640