【摘要】：隨著國家太空戰(zhàn)略規(guī)劃的部署,航天衛(wèi)星技術(shù)已成為21世紀(jì)世界各國爭先發(fā)展的主要領(lǐng)域,而空間電源作為航天衛(wèi)星的主要組成部分,其光電轉(zhuǎn)化效率是航天技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。制備多結(jié)層太陽能電池可有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率,但是制備工藝復(fù)雜、成本高昂,很難應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。表面微結(jié)構(gòu)可以抑制入射光線的反射,增強(qiáng)電池吸收層表面的光吸收強(qiáng)度,提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。所以,科研工作者們致力于表面微結(jié)構(gòu)的抗反射研究。本文以砷化鎵電池為研究對象,采用飛秒激光在GaAs電池表面制備減反射微結(jié)構(gòu),為提高GaAs電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供有效的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。通過合適的加工環(huán)境、優(yōu)化后的飛秒激光工藝參數(shù)對GaAs/Ge單結(jié)異質(zhì)電池表面進(jìn)行加工。同時(shí),采用飛秒激光輻照不同電池材料(GaAs/Ge單結(jié)異質(zhì)電池和砷化鎵雙結(jié)異質(zhì)電池)表面制備微結(jié)構(gòu)。分析了不同的微結(jié)構(gòu)與不同波段入射光之間的相互作用,并通過實(shí)驗(yàn)探究了不同微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。主要得出以下結(jié)論:(1)研究了不同的加工環(huán)境(空氣、乙醇、蒸餾水)對飛秒激光在GaAs/Ge單結(jié)異質(zhì)電池表面制備微結(jié)構(gòu)的影響。分別對不同加工環(huán)境中飛秒激光掃描后的表面進(jìn)行表征,結(jié)果表明在蒸餾水環(huán)境中制備出的微結(jié)構(gòu)比在空氣環(huán)境中的小1~2個(gè)數(shù)量級,且分布均勻,其深度范圍控制在100~350nm;蒸餾水環(huán)境中制備的微結(jié)構(gòu)比在乙醇環(huán)境中的更加復(fù)雜,突起結(jié)構(gòu)的數(shù)量密度較大,且在突起結(jié)構(gòu)周圍分布較多的納米孔洞。(2)在蒸餾水環(huán)境,研究了能量密度和掃描速度等飛秒激光工藝參數(shù)的改變對微結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的影響,得出最佳工藝參數(shù)(7.9J/cm~2,2.2mm/s),在GaAs/Ge單結(jié)異質(zhì)電池表面成功制備出復(fù)合納米結(jié)構(gòu)(Composite Nano-Structures,簡稱CNs)。CNs結(jié)構(gòu)由納米孔和納米突起組成,尺寸范圍控制在300~500nm。由CNs結(jié)構(gòu)覆蓋的電池表面的平均反射率(300-1700nm)由原來的30.84%降低至8.9%。CNs結(jié)構(gòu)的減反機(jī)制一方面是其對短波段入射光的多重反射,另一方面是其充當(dāng)為有效折射率層對長波段入射光的減反。(3)在空氣環(huán)境中采用飛秒激光輻照GaAs/Ge單結(jié)異質(zhì)太陽能電池表面,在表面制備出一維微納復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)(1D Micro/Nano-composite Grating Structures,簡稱1D-CGs),使電池表面的平均反射率在300-1700nm波段由30.84%降至7.17%。同時(shí),在砷化鎵雙結(jié)電池表面制備出相似的光柵結(jié)構(gòu),在相同寬波段范圍內(nèi)使雙結(jié)電池表面的平均反射率由38.36%降低至9.09%。1D-CGs結(jié)構(gòu)的減反機(jī)制是由于光捕效應(yīng)和有效介質(zhì)效應(yīng)相結(jié)合,微米級光柵結(jié)構(gòu)形成光捕效應(yīng),光柵結(jié)構(gòu)內(nèi)部的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)形成有效介質(zhì)效應(yīng)。
【圖文】：

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文能電池結(jié)構(gòu)圖。太陽能電池主要包括金屬電極、減反射膜、N電極。圖 1.1(b)示出 PN 結(jié)的空間電荷示意圖。當(dāng) N 型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩邊自由載流子濃度的差異，N 區(qū)的電子會(huì)向 P正電；P 區(qū)的空穴會(huì)向 N 區(qū)擴(kuò)散，本身帶上負(fù)電，，從而形成空P 區(qū)和 N 區(qū)之間電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢會(huì)阻礙達(dá)到平衡狀態(tài)，從而在 P 區(qū)和 N 區(qū)的接觸處形成空間電荷區(qū)，N 區(qū)為帶正電的施主離子，P 區(qū)為帶負(fù)電的受主離子，并在個(gè)內(nèi)建電場，且電場方向是由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。

池表面減反性能[21]、制備結(jié)構(gòu)色防偽[16-19]、體泄露的重油，并且已應(yīng)用到國防科技、生物。備微結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展光制備微結(jié)構(gòu)提高材料表面性能已成為科學(xué)的文獻(xiàn)報(bào)道。2004 年，哈佛大學(xué)的 M.Y. She光輻照硅表面，在電池表面制備出了周期為 5峰結(jié)構(gòu)的生長與激光脈沖持續(xù)之后產(chǎn)生的氣毛細(xì)管波紋結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步的激光刻蝕有關(guān)。這能電池效率的提高提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并對其他學(xué)機(jī)理給與很大的啟發(fā)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張偉;光伏電池表面微結(jié)構(gòu)制備及其抗反射性能研究[D];江蘇大學(xué);2012年

本文編號：2652156