薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池亞微米周期陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】：薄膜太陽(yáng)能電池作為下一代光伏器件最具有競(jìng)爭(zhēng)力的角色,它們具有低成本、可實(shí)現(xiàn)柔性襯底上沉積以及易于發(fā)展光伏建筑一體化(BIPV)等特點(diǎn)。最近幾年,特別是微晶硅(μc-Si：H)太陽(yáng)能電池已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。最高穩(wěn)定效率為10.3%的薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)研制成功。但是,因?yàn)槲⒕Ч杼?yáng)能電池的厚度的非常薄,典型的厚度僅有0.8-1.5μm,且在長(zhǎng)波長(zhǎng)(600nm-1100nm)范圍的吸收系數(shù)很低。為了增加薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池長(zhǎng)波長(zhǎng)波段光吸收,有效地陷光結(jié)構(gòu)是非常必要的。如何得到最佳的陷光結(jié)構(gòu),改善薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池的性能具有很現(xiàn)實(shí)的意義。 本文在集成隨機(jī)織絨陷光結(jié)構(gòu)的薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池模型基礎(chǔ)上,采用亞微米周期結(jié)構(gòu)(一維三角光柵)作為微晶硅太陽(yáng)能電池的陷光結(jié)構(gòu),通過(guò)數(shù)值計(jì)算優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu),分析光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段相關(guān)性能的影響并獲得合適的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段在鋁基底上自組裝形成亞微米周期凹槽型結(jié)構(gòu),分析該結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì),探索其作為薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池的背表面反射器的潛在陷光性能。主要工作內(nèi)容及結(jié)論如下： 第一部分提出用于薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池陷光結(jié)構(gòu)的亞微米周期性結(jié)構(gòu),即1D亞微米三角光柵。采用嚴(yán)格耦合波理論(RCWA)分析光柵的光學(xué)性質(zhì),研究光柵參數(shù)對(duì)其漫反射特性的影響。調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù),包括光柵周期和高度,得到漫反射性能較好的光柵參數(shù)。利用所得光柵結(jié)構(gòu)參數(shù),采用時(shí)域有限差分(FDTD)法評(píng)估不同的光柵周期和高度在600nm-1100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池的光吸收、量子效率、短路電流的影響,并與平面結(jié)構(gòu)作比較。最后得到光柵周期在800nm,高度為300nm時(shí),微晶硅太陽(yáng)能電池的短路電流值最大,相比于平面結(jié)構(gòu)增加了3.8 mA/cm2。相比于微米級(jí)矩形光柵結(jié)構(gòu),最大短路電流提高了11.6個(gè)百分點(diǎn),證明了一維亞微米三角光柵的陷光性能更有效。 第二部分采用鋁陽(yáng)極氧化方法,成功地在鋁基底上自組裝了亞微米周期凹槽型結(jié)構(gòu),并將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池背表面反射陷光結(jié)構(gòu),分析其潛在的陷光性能。通過(guò)改變陽(yáng)極氧化電壓,得到三組不同周期的背表面反射器。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌和微結(jié)構(gòu),得到凹槽周期和深度大小。通過(guò)紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)測(cè)量了樣品的漫反射性質(zhì),分析了樣品周期大小與背表面反射結(jié)構(gòu)光散射特性包括絨度系數(shù)、角散射分布等的關(guān)系。最后得到,隨著周期的增大,樣品的光散射特性越好；當(dāng)凹槽周期為600nm時(shí),光散射強(qiáng)度甚至超過(guò)Asahi-U型結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果顯示,使用大周期凹槽結(jié)構(gòu)作為薄膜太陽(yáng)能電池背表面反射器時(shí),將呈現(xiàn)出更加優(yōu)越的陷光性能,更有效地改善薄膜太陽(yáng)能電池的性能。 【關(guān)鍵詞】：薄膜太陽(yáng)能電池 微晶硅 陷光 量子效率 背表面反射器
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目錄8-10
• 1. 緒論10-18
• 1.1. 世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀10-13
• 1.2. 薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3. 論文主要研究?jī)?nèi)容及意義16-18
• 2. 改善薄膜太能電池性能的陷光結(jié)構(gòu)及研究方法18-31
• 2.1. 太陽(yáng)能電池主要技術(shù)參數(shù)及影響因素18-21
• 2.2. 改善薄膜太陽(yáng)能電池性能的陷光結(jié)構(gòu)21-25
• 2.3. 評(píng)價(jià)陷光效應(yīng)常用的計(jì)算方法25-30
• 2.3.1. 嚴(yán)格耦合波方法(RCWA)25-29
• 2.3.2. 時(shí)域有限差分法(FDTD)29
• 2.3.3. 有限元方法(FEM)29-30
• 2.4. 本章小結(jié)30-31
• 3. 薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池亞微米周期陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)31-48
• 3.1. 引言31-32
• 3.2. 研究的基本結(jié)構(gòu)模型32-35
• 3.3. 光柵分析35-37
• 3.4. 陷光結(jié)構(gòu)對(duì)電池吸收的影響37-44
• 3.5. 陷光結(jié)構(gòu)對(duì)電池短路電流的影響44-46
• 3.6. 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較46-47
• 3.7. 本章小結(jié)47-48
• 4. 薄膜微晶硅太陽(yáng)能電池背表面陷光結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究48-60
• 4.1. 引言48-49
• 4.2. 背表面反射器實(shí)驗(yàn)制備49-53
• 4.2.1. 基本結(jié)構(gòu)及制備方法49-50
• 4.2.2. 實(shí)驗(yàn)樣品、試劑及主要儀器50-51
• 4.2.3. 實(shí)驗(yàn)裝置和流程51-53
• 4.2.4. 表征和測(cè)試儀器53
• 4.3. 結(jié)果與討論53-58
• 4.3.1. 背表面反射器微結(jié)構(gòu)及表面形貌53-55
• 4.3.2. 背表面反射器光學(xué)特性55-58
• 4.4. 本章小結(jié)58-60
• 5. 總結(jié)與展望60-62
• 致謝62-63
• 參考文獻(xiàn)63-69

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