隨著能源危機的日益加劇及人類生存環(huán)境的不斷惡化,開發(fā)和利用新的能源成為當(dāng)務(wù)之急,而太陽能作為一種清潔可再生的能源備受青睞。一方面,太陽能資源豐富,取之不盡;另一方面,清潔無污染。當(dāng)光照射在太陽能電池的表面,可以在沒有機械轉(zhuǎn)動或污染副產(chǎn)物產(chǎn)生的情況下,將入射光的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。在種類繁多的太陽能電池中,薄膜太陽能電池具有成本低、運輸便捷、便于建筑一體化以及可大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點,成為太陽能電池發(fā)展的必然選擇。作為薄膜太陽能電池中重要的一員,銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池自二十世紀七十年代誕生以來,受到研究者的廣泛關(guān)注。CIGS具有光電轉(zhuǎn)換效率高、抗輻射能力強、禁帶寬度可調(diào)及光吸收系數(shù)高等一系列優(yōu)良的特性,是一種理想的太陽能光電半導(dǎo)體材料。經(jīng)過不斷的優(yōu)化、選擇和發(fā)展,目前其最佳的器件結(jié)構(gòu)為鈉鈣玻璃(SLG)/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO/MgF_2,其核心功能部分是由p型半導(dǎo)體材料CIGS吸收層和N型CdS緩沖層所形成的異質(zhì)結(jié)。其主要工作機理是:在外部入射光子的激勵作用下,在CIGS吸收層中產(chǎn)生電子-空穴對,p-n結(jié)中的內(nèi)建電場會促使電子-空穴對發(fā)生分離,電子向頂電極聚集,空穴則向背電極聚集,經(jīng)由外電路形成源源不斷的電流。盡管當(dāng)前CIGS太陽能電池技術(shù)已取得長足進步,但其薄膜化的特點決定了其存在光吸收效率和載流子收集效率之間的博弈和競爭,如何在保證具有較高光吸收效率的同時又具有良好的載流子收集效率仍是進一步提升CIGS太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵問題之一。眾所周知,納米結(jié)構(gòu)具有比表面積大、光學(xué)帶隙寬化、多激子產(chǎn)生效應(yīng)、量子限域效應(yīng)等特性。近年來,硅基薄膜太陽能電池研究表明,引入有序納米結(jié)構(gòu)是解決光吸收效率和載流子收集效率兩者之間矛盾的有效方法之一。在本論文中,為進一步提升CIGS薄膜太陽能電池的性能,針對其薄膜結(jié)構(gòu)所存在的光吸收效率和載流子收集效率之間的主要矛盾和關(guān)鍵問題,采用廉價易行的膠體球刻蝕技術(shù)設(shè)計構(gòu)筑不同的微納有序結(jié)構(gòu)。在CIGS薄膜電池的不同功能層分別設(shè)計引入三種不同的有序微納結(jié)構(gòu),從增加光吸收效率以及載流子收集效率等多個角度考慮,實現(xiàn)利用微納有序結(jié)構(gòu)材料增效CIGS薄膜太陽能電池的目的。主要研究內(nèi)容如下:(1)、頂電極制備氧化鋅空腔結(jié)構(gòu)作為減反層增強光吸收:采用液面自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù),在襯底上組裝形成六角密排的PS膠體球模板。以AZO為種子層、PS微球為掩膜,調(diào)節(jié)PS微球粒徑,采用水熱生長法構(gòu)筑不同周期的有序氧化鋅(ZnO)空腔結(jié)構(gòu)。將300 nm PS微球為模板制得的氧化鋅空腔結(jié)構(gòu)作為減反層組裝到CIGS薄膜器件的表面,利用其陷光效應(yīng)來增強光吸收效率。研究結(jié)果表明:與傳統(tǒng)無納米結(jié)構(gòu)引入的CIGS薄膜電池器件相比,短路電流密度(J_(SC))和光電轉(zhuǎn)換效率有較為明顯的提高。(2)、背電極構(gòu)筑Mo納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)增大載流子收集幾率:在Mo/SLG襯底上以1.3μm PS微球為模板,利用反應(yīng)離子束刻蝕(RIE)制備非密排PS微球為掩膜,調(diào)節(jié)Mo濺射時間,甲苯超聲去除PS微球后,得到深度不同的Mo納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。將深度不同的Mo納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)用到CIGS薄膜電池中,CIGS吸收層鑲嵌在鉬納米網(wǎng)格中,減小載流子的擴散距離。研究結(jié)果表明:與無Mo納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)引入的薄膜電池相比短路電流密度(J_(SC))和光電轉(zhuǎn)換效率略有增大,但開路電壓有所降低;此外,以玻璃為基底制備鉬納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)筑雙面透光的薄膜光伏器件,光正面垂直入射時,光電轉(zhuǎn)換效率為3.52%;光由背面垂直入射時,光電轉(zhuǎn)換效率為1.78%。(3)、溶液刻蝕CIGS薄膜在異質(zhì)結(jié)處構(gòu)筑類錐型納米結(jié)構(gòu)增大電子-空穴對的分離效率:在CIGS薄膜層構(gòu)筑非密排PS微球單層模板,利用一定濃度的Br_2/CH_3OH溶液刻蝕CIGS薄膜層,去除PS微球后得到有序的類錐型納米結(jié)構(gòu)。將此結(jié)構(gòu)吸收層組裝電池器件,使異質(zhì)結(jié)的接觸面積增大,從而增強載流子的分離效果。初步研究結(jié)果顯示:經(jīng)過優(yōu)化刻蝕過程,可構(gòu)筑結(jié)構(gòu)有序的CIGS吸收層,所組配的器件與未處理的CIGS層組裝的電池器件相比,開路電壓(V_(OC))降低,短路電流密度(J_(SC))和填充因子(FF)基本保持不變,整體光電轉(zhuǎn)換效率有所減小。仍需要開展進一步工作,即對類錐形納米結(jié)構(gòu)表面進一步優(yōu)化處理,從而實現(xiàn)增大異質(zhì)結(jié)面積增強電子-空穴對分離效率的實驗構(gòu)想。
【學(xué)位單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

應(yīng)用更為廣泛。1.2 太陽能電池簡介1.2.1 太陽能電池工作原理“光生伏特效應(yīng)”是太陽能電池的工作基礎(chǔ)[11]，即太陽能電池是一種將光能轉(zhuǎn)換能的半導(dǎo)體裝置，當(dāng)其受到太陽光照射時，電子吸收能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶形成-空穴對。在內(nèi)部自建電場的作用下，電子-空穴對發(fā)生分離，電子向 n 區(qū)移動，空 p 區(qū)移動，在 n 區(qū)、p 區(qū)分別存在過剩的電子和空穴，產(chǎn)生光生電動勢，在接入負情況下，會在外部電路中形成光生電流。硅太陽電池的結(jié)構(gòu)和能帶簡化圖如圖 1-1 ，空間電荷區(qū)能帶彎曲程度決定內(nèi)建電場強度，與同質(zhì)結(jié)兩邊的摻雜濃度直接相關(guān)當(dāng)電子-空穴對在耗盡層邊界一個擴散長度以外時則容易發(fā)生復(fù)合。因此，光吸收少子壽命和擴散長度對電池器件性能起著關(guān)鍵的作用。

圖 1-2 太陽能電池實驗室最高光電轉(zhuǎn)換效率發(fā)展趨勢圖為減小原材料損耗、降低生產(chǎn)成本，薄膜太陽能電池進入人們的視野，成為研究的熱點。薄膜電池一般以低成本的柔性材料或玻璃為襯底，由吸光層、半導(dǎo)體層、窗口層背電極層組成，其核心組成部分是由半導(dǎo)體層和吸光層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)。吸收層的首選材料是具有高光吸收系數(shù)的直接帶隙半導(dǎo)體材料，因此絕大部分太陽光被吸收僅需要幾微米的厚度，與硅電池相比成本低、材料耗費少。此外，大面積的薄膜太陽能電池可以整體制備，不需要額外的組裝過程，操作方便。但由于薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率低于晶體硅電池且生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致其市場占比較低。圖 1-2 展示了 1976-2018 年太能電池實驗室最高轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展趨勢圖。目前，實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)最具潛力的電池是非晶硅(a-Si)、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)電池。盡管非晶硅電池技術(shù)較為成熟，在薄膜電池市場占主導(dǎo)地位，但其目前效率最低，其發(fā)展受到一定的制約；CdTe 在工業(yè)生產(chǎn)上發(fā)展迅速且生產(chǎn)成本較低，但 Cd 有毒，對環(huán)境及人體都有很大的損害，其發(fā)展因此受到限制；CIGS 薄膜電池具有抗輻射性能好、帶隙可調(diào)、對環(huán)境友好且轉(zhuǎn)換效率高

圖 1-3 CIGS 黃銅礦結(jié)構(gòu)圖膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)組成及工作原理要是以玻璃為襯底、鉬(Mo)作為背電極，CI緩沖層、本征氧化鋅(i-ZnO)和摻鋁氧化鋅(ZF2)組成[16]。每一層的功能和最佳厚度如圖 1-

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2 林┏

本文編號：2833747