【摘要】：硅基光伏器件現在面臨的主要挑戰(zhàn)是硅材料對于太陽光來說不是強吸收體,提高硅吸收層的光吸收是實現高效率硅基太陽能電池的關鍵。由于納米結構具有獨特的光管理能力,在硅前表面制備基于電介質材料的亞波長納米結構成為一個有效的陷光策略。亞波長納米結構的主要陷光方式是把光通過局部共振模式和波導共振模式耦合到晶硅太陽能電池的活性區(qū),從而增加光吸收性能。本課題選用銀納米顆粒(Ag NPs)和多壁碳納米管(MWCNT)陣列為基本陷光材料,制備了具有納米顆粒陣列結構和周期性亞波長光柵結構的晶硅太陽能電池,對其進行光學性能和光伏性能的測試,同時利用Comsol和Matlab軟件進行亞波長結構陣列的仿真計算,并結合局域表面等離子體激元特性和導波光學效應探討光伏性能增強的機理。首先,通過磁控濺射法在p-n晶硅表面制備了超薄二氧化鈦(TiO_2)電介質層和銀(Ag)膜,再通過燒結和退火一步法制備出復合結構的Ag NPs/TiO_2平面晶硅太陽能電池,考察了不同粒徑尺寸的銀納米顆粒陣列對晶硅太陽能電池光伏性能的影響。實驗研究發(fā)現,當粒徑為160 nm的銀納米顆粒陣列與二氧化鈦電介質層復合時,其效率可提高9.9%,短路電流密度可提高7.7%。光伏性能的提升除了局域表面等離激元共振作用外,二氧化鈦電介質層也起到重要作用。通過Comsol和Matlab軟件進行仿真和計算以進一步研究陷光增效機理,仿真結果與實驗結果較吻合。其次,通過Fluent軟件仿真反應室內氣體流場環(huán)境,進而研究氣體流場對生長多壁碳納米管陣列的影響。通過磁控濺射法和旋涂轉移法制備鎳催化劑,采用化學氣相沉積法制備得到定向多壁碳納米管陣列。比較了兩種催化劑制備方法的區(qū)別以及催化劑對碳納米管陣列形貌和取向性的影響。碳納米管陣列由于具有納米尺度空隙,因而減反射性能顯著,在光伏陷光增效方面表現出巨大的應用潛力。再次,通過Comsol仿真考察了具有光柵結構的MWCNT、MWCNT@TiO_2和MWCNT@Ag晶硅太陽能電池的光學性能,研究發(fā)現當管徑為70 nm,間距在75nm-125 nm范圍內,且包覆層厚度分別在40 nm和60 nm時具有較強的減反射性能和較高的光吸收增強效果。利用Matlab軟件對具有這些陷光結構的晶硅太陽能電池的光伏性能進行了理論計算,結果表明具有最優(yōu)結構參數的兩種復合陷光結構都可以顯著提高晶硅太陽能電池的理想效率和短路電流密度。最后,通過磁控濺射法制備了具有光柵陷光結構的MWCNT@TiO_2和MWCNT@Ag晶硅太陽能電池,研究發(fā)現這兩種復合陷光結構的晶硅太陽能電池光伏性能均有一定程度提高,且Ag包覆的電池性能優(yōu)于TiO_2包覆的電池性能。亞波長光柵結構通過法布里-珀羅微腔共振可以增強晶硅太陽能電池光吸收性能,而金屬光柵利用法布里-珀羅微腔共振和局域表面等離激元共振的耦合作用,可進一步增強晶硅太陽能電池的光吸收,從而實現陷光增效。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4;TB383.1
【圖文】：

第 1 章 緒 論全球人口數量的增長以及經濟的發(fā)展，人類對能源的需求也越來主要依賴的常規(guī)化石能源的消耗急劇增大，這種有限的資源在未能源的大量需求。根據權威機構的預測，全球煤炭資源僅能供人資源僅能供人類再用 40-60 年，而核能也是有限的資源，能供人類國的常規(guī)能源形勢更不容樂觀，預測在 80 年以內我國的常規(guī)能源 1-1 所示[1]。此外，由于人類長期大量使用化石能源，造成了二氧放，致使全球氣候變暖，而且目前中國面臨的霧霾問題，也主要成的。所以從全球范圍來看，找到能夠替代常規(guī)能源的可再生能太陽能具有清潔、豐富的特點，可以說是“取之不盡，用之不竭，從長遠來看，太陽能是一種潛在的能夠供人類大規(guī)模利用的可

太陽能電池的發(fā)展美國貝爾實驗室成功制備出世界上第一個可以實際應用以“用沙子的成分(硅)制出了電池，用它可以取得無窮無該項研究成果，引起了巨大的轟動。1960 年，由于晶硅為柵線電極，此時晶硅太陽能電池的效率可達到 14%[4]的全球能源恐慌，使得美國、歐洲各國和日本等國家紛之中，進一步促進了晶硅太陽能電池的發(fā)展。 世紀 90 年代初期，以日本和德國為代表的發(fā)達國家首先的一系列商業(yè)補貼政策之后，有效推動了晶硅太陽能電。1998 年，被譽為“太陽能之父”的新南威爾士大學的 出當時世界上效率最高的單晶硅太陽能電池，即鈍化發(fā)RL)[5]，其效率高達 24.4%，其結構如圖 1-2 所示。

圖 1-3 異質結叉指背接觸電池橫截Fig. 1-3 The cross-section schematic o今世界范圍來看，高效晶硅太陽能電池技制備技術主要可分為單晶和多晶的鈍化發(fā)接觸電池(TOPCon)、叉指背接觸電池(IBC池(HBC)等。圖 1-4 為近年來各種晶硅太陽

【參考文獻】

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1 練澎;張小鳳;;碳納米管制備方法的研究進展[J];當代化工;2015年04期

2 李洪敬;;金屬光柵用于增強非晶硅薄膜太陽能電池光吸收率研究[J];應用光學;2014年03期

3 郭瑞超;黃洪濤;陳小源;朱本鵬;李東棟;;等離子體硅基薄膜太陽能電池光電仿真研究進展[J];電子元件與材料;2014年02期

4 應隆安;;吸收邊界條件和完美匹配層[J];數學年刊A輯(中文版);2010年02期

5 李剛;周明;馬偉偉;蔡蘭;;高溫氨預處理對單晶硅襯底上鎳薄膜顯微結構的影響[J];材料熱處理學報;2009年05期

6 席珍強,楊德仁,吳丹,張輝,陳君,李先杭,黃笑容,蔣敏,闕端麟;單晶硅太陽電池的表面織構化[J];太陽能學報;2002年03期

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1 居冬泉;表面等離激元微腔共振特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

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1 李洪昊;單晶硅太陽能電池表面織構制備方法研究[D];大連理工大學;2010年

本文編號：2747664