本文選題：太陽能電池 + 光吸收　； 參考：《中國科學院研究生院（上海技術物理研究所）》2014年博士論文

【摘要】：對于高效太陽能電池，光吸收過程是光電轉換的關鍵的第一步，直接影響光電轉換的效率，因此，增加光的吸收對提高太陽能電池轉換效率具有重要的意義。表面植絨與氮化硅減反射膜是目前晶硅太陽電池降低表面反射率的常用手段，但是依然不能為電池提供寬波段、全角度的低反射率。半導體納米線可以提供較低的表面反射，但是由于工藝問題，納米線電池的轉換效率不如塊體電池。本文中，我們提出利用半導體納米結構優(yōu)異的光學特性，研究設計與光伏電池可兼容的納米材料與結構來提升光伏電池對光的吸收能力。 我們研究并獲得了可進一步降低商品晶硅太陽電池表面反射的納米棒減反射層，并首次提出納米棒減反射層的尺寸需求與襯底表面植絨結構的關系。通過一種簡單的低溫水熱生長手段在植絨的商品硅電池表面制備了一層氧化鋅納米棒減反射層，該方法對原有的電池結構沒有任何損傷，可以在原電池的基礎上進一步降低電池表面的反射率。我們研究了該減反射層的可控制備以及其尺寸和形貌對減反射效果的影響。應用納米棒減反射層后，不論是對于單晶硅還是多晶硅電池，其在380-1100nm范圍內(nèi)的減反射效果十分顯著，加權平均反射可以降低~50%，從而使電池的短路電流得以有效提升，如多晶硅電池的短路電流增加了3.64%。在沒有氮化硅減反射層的裸硅電池上，該增強效果更明顯，可由裸硅電池的33.55增加到36.49mA/cm2，相對提高8.76%。我們研究了該方法在生產(chǎn)上的實用性，發(fā)現(xiàn)用ZnO或AZO替代SiNx層直接生長于裸硅電池上，可得到同樣優(yōu)異的減反射效果，電池的短路電流可達到37mA/cm2，高于同樣條件下氮化硅減反膜電池；同時，實驗表明該納米棒陣列減反射層可以應用于大面積電池中。進一步，由于單晶硅電池與多晶硅電池的表面植絨結構的差異，我們研究發(fā)現(xiàn)兩種表面對減反射層中納米棒的需求有非常大的差別：對于多晶硅電池而言，粗而長的納米棒具有較好的減反射效果，對于單晶硅電池而言，細而短的納米棒會更好。同時，我們研究得到了該減反射層的減反射機理。 進一步，我們應用復合結構來降低表面反射。我們發(fā)展了利用一鍋水熱法制備納米球@納米棒雜化結構，該制備方法簡單可控，能夠在一鍋中實現(xiàn)任何襯底表面的生長，且Er元素被成功地融入納米球中，而納米棒仍為氧化鋅。我們研究了該雜化結構的可控制備，實現(xiàn)了通過反應條件如反應溫度、時間、前驅液濃度以及Zn源與Er源的投料比等對雜化結構形貌和尺寸的調(diào)控。我們研究得到了該雜化結構的生長機理，這有利于其應用于表面減反射；最后，我們研究了該雜化結構的的減反射效果，該結構能提供幾乎全角度的減反射效果，表面絕對反射低于1%，而且納米球與納米棒的尺寸和結構都會影響減反射效果。 由于氧化鋅納米棒在紫外區(qū)域吸收強烈，使得電池在380nm以下的光電轉化效率幾乎為0。我們提出利用氧化鋅硫化的方式，拓寬氧化鋅減反射層的透射光譜范圍。我們研究了硫化條件對該減反射層表面反射的影響。發(fā)現(xiàn)氧化鋅減反射層經(jīng)過硫化后，電池在330-380波段的量子效率明顯提升，如375nm處由原來的約0%提升至19%，而其他波段的量子效率幾乎沒有發(fā)生變化；其次，由于納米棒對紫外光的吸收以及硅電池本身在紫外區(qū)域相對較低的量子效率，我們利用ZnSe:Mn下轉換量子點將紫外光轉換成可見光，在長有ZnO/ZnS核殼結構納米棒的硅電池上得到了一定的轉換效果。長有氧化鋅納米陣列減反射層的太陽能電池通過ZnSe量子點的表面修飾后在300-370nm之間的量子效率明顯高于原來經(jīng)過ZnO納米棒修飾后的電池，可達到20%，與在原電池上利用量子點修飾的結果相當，甚至略高。表明利用下轉換量子點可以達到彌補氧化鋅在紫外區(qū)域吸收的缺陷。 最后，我們研究利用原子層沉積技術制備表面鈍化膜來降低電池中光生載流子的復合從而提高光的利用率。與以往表面鈍化研究基于拋光硅電池不同，我們在植絨結構的硅片上研究了氧化鋁薄膜的鈍化效果，與實際生產(chǎn)應用更接近。我們利用原子層沉積制備三氧化二鋁薄膜，通過選擇合適的薄膜厚度以及退火溫度，可以使硅片的少子壽命增加約300倍，達到150μs以上。我們的實驗得到，對于植絨的p型硅片，，利用原子層沉積制備3-5nm的氧化鋁且在500-550℃之間退火后可以得到最優(yōu)的鈍化效果。在硅電池中應用氧化鋁鈍化后，其在400-1200nm范圍的量子效率都有較明顯的提升，表明通過表面鈍化確實可以有效增加電池對光的利用效率。
[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 .
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（上海技術物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4

【參考文獻】

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本文編號：1924893