發(fā)布時間：2020-06-09 11:47

【摘要】：太陽能電池是一種將光能轉換成電能的半導體光電子器件,由于光能來源的廣泛,太陽能電池被世界各國所重視。目前,硅基材料在半導體工業(yè)中被大量使用,而且地殼中硅的含量高達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。隨著微納制造技術的發(fā)展,在微納尺度上的結構設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。根據光波導耦合理論、亞波長尺度下的幾何平均介質理論以及肖克萊-萊德-霍爾復合理論等,本文設計了硅基薄膜太陽能電池的四種界面微納結構。利用時域有限差分方法(FDTD)和有限元法(FEM),理論上計算了所設計的界面微納結構太陽能電池的光吸收效率和相關的輸出性能參數(shù)。通過對所設計的界面微納結構參數(shù)的掃描優(yōu)化,確定了輸出性能參數(shù)提升的幅度。根據光波導理論、幾何光學知識以及電磁場空間分布的特點等,探討了所設計的界面微納結構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的理論基礎和科學依據。主要研究工作和成果總結如下:1)將晶硅薄膜太陽能電池的底層Ag光柵設計成由具有高度差Δh的雙層Ag柵條組成的微納光柵結構。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)所產生的影響。利用FEM方法,對太陽能電池中的半導體部分進行光電耦合計算,得出所設計的雙層Ag柵條結構晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)。研究表明:雙層Ag柵條微納結構能有效提高晶硅薄膜太陽能電池的光吸收效率。2)根據光波導理論,在晶硅層的在晶硅層的底部設計了由交替排列的Ag柵條和AZO柵條共同組成的混合光柵(Hybrid Grating,HG)結構。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模式的色散圖進行了對比分析。將底層混合光柵結構應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)進行了研究分析。研究表明:底層混合光柵結構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)根據亞波長尺度下的幾何介質理論,在晶硅層和AZO覆層的界面處設計了亞波長尺度的界面光子晶體(Interface Photonic Crystal,IPC)結構。利用光在兩種介質界面的反射率及透射率的公式推導出T_(in)=T_1?T_2的透射率近似計算公式,并依據該公式和幾何平均介電常數(shù)公式計算出了IPC結構的尺寸長度。通過FDTD數(shù)值計算,發(fā)現(xiàn)IPC結構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結構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厚度的重摻雜區(qū)域中。根據光生載流子在本征非晶硅區(qū)域中的復合率要遠低于在重摻雜非晶硅區(qū)域的結論,設計了間斷摻雜(Internal Doping,ID)結構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)間斷摻雜結構將原來頂部和底部20 nm厚重摻雜區(qū)域中一半以上的光生載流子轉移到了本征非晶硅區(qū)域中。其中,頂部柵條結構的“光聚焦”效應起到了增加非晶硅層中光生載流子占比的作用。根據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成的復合中心所導致的光生載流子的SHR復合模型。通過對間斷摻雜結構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內量子效率。
【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為吸收層介質晶硅學角度來說，對于入射進入介質晶硅的光只需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。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
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.42

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

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本文編號：2704640