【摘要】：薄膜非晶硅太陽能電池的活性層厚度很小(不足1微米),導致其對可見光尤其是紅光的陷光弱。非晶硅的帶隙1.7eV,導致紅外光子能量無法有效被吸收利用。上轉換發(fā)光材料是一種能夠將紅外光子能量轉換為可見光子能量的物質,但是低照度激發(fā)下其發(fā)光效率極低,限制了其在薄膜非晶硅太陽能電池中的應用。貴金屬納米結構與特定波長入射光相互作用的表面等離子體共振效應,一方面在金屬附近形成場強強度為原入射光場強數(shù)倍的局域近場,處于局域近場中的非晶硅對光的吸收將得到增強。另一方面,貴金屬等離激元能夠對上轉換發(fā)光過程起調制作用,有望有效提高上轉換材料在低照度激發(fā)下的熒光強度。本文在薄膜非晶硅太陽能電池的迎光面設計了納米銀球陣列,通過銀球對入射光散射和局域近場進一步提高電池活性層對AM1.5G中可見光能量的吸收程度。在底部設計了金納米棒陣列—上轉換材料復合襯底,用于將透射到活性層底部的AM1.5G的紅外光子能量轉換為可見輻射供活性層吸收利用。主要工作為以下幾點:(1)優(yōu)化了銀球陣列的幾何結構,使其陷光效果盡可能大。(2)探究了表面銀球陣列對薄膜非晶硅太陽能電池的電學性能提升效果,從光吸收和載流子分離的角度分析了造成提升的緣故。(3)研究了金納米棒和上轉換發(fā)光中心的相互作用過程,得出位于金納米棒附近的發(fā)光中心的熒光得到增強的環(huán)境條件。(4)設計了金納米棒陣列和上轉換材料的襯底,并仿真了其對薄膜非晶硅電池的電功率輸出的提升效果,驗證在自然光照射時上轉換材料用于光伏器件的可行性。
[Abstract]:The active layer thickness of thin film amorphous silicon solar cells is very small (less than 1 micron), which leads to the weak trapping light of visible light, especially red light. The band gap of amorphous silicon is 1.7 EV, which results in the energy of infrared photons being absorbed and utilized inefficiently. Up-conversion luminescent material is a kind of material which can convert infrared photons energy into visible photon energy. However, its luminous efficiency is very low under low illuminance excitation, which limits its application in thin film amorphous silicon solar cells. The surface plasmon resonance (SPR) effect of the interaction of noble metal nanostructures with incident light at a specific wavelength on the one hand forms a local near field with a field intensity several times the intensity of the original incident light near the metal. The optical absorption of amorphous silicon in local near field will be enhanced. On the other hand, the noble metal isoexcitators can modulate the up-conversion luminescence process, which is expected to effectively improve the fluorescence intensity of the up-conversion materials excited by low illuminance. In this paper, a nanocrystalline silver sphere array is designed on the face of thin film amorphous silicon solar cells. The absorption of visible light energy in AM1.5G is further improved by the scattering of incident light from silver spheres and local near field. A gold nanorod array-up-conversion material composite substrate was designed at the bottom to convert the infrared photon energy of AM1.5G transmitted to the bottom of the active layer into visible radiation for absorption and utilization by the active layer. The main work is as follows: (1) the geometric structure of the silver sphere array is optimized to maximize the light trapping effect. (2) the effect of the surface silver ball array on the electrical performance of the amorphous silicon solar cell is studied. From the angle of optical absorption and carrier separation, the cause of lifting is analyzed. (3) the interaction between gold nanorods and upconversion luminescence centers is studied. The environmental conditions of enhanced luminescence in the luminous center near gold nanorods are obtained. (4) the substrate of gold nanorods array and up-conversion material are designed, and the enhancement effect on the power output of thin film amorphous silicon cells is simulated. The feasibility of using upconversion materials in photovoltaic devices during natural light irradiation was verified.
【學位授予單位】：天津工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.41

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