一維納米材料與光伏器件研究

【摘要】：晶體硅光伏電池是一類重要的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換器件,其關(guān)鍵的研究課題是如何提高電池的轉(zhuǎn)換效率。近年來隨著納米科技的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)具有特殊理化性質(zhì)的納米材料或技術(shù)可大幅提高晶硅光伏電池的性能。本論文研究了幾種納米結(jié)構(gòu)技術(shù)在改善晶硅電池性能中的作用,采取的主要方法為減少反射、降低串并聯(lián)電阻、改善表面/體鈍化、減少表面復(fù)合等,提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。另外,為了利用碳原子鏈和石墨烯片改進(jìn)光伏電池的結(jié)構(gòu),從理論上研究了其性質(zhì)。研究工作取得了如下具體進(jìn)展:首先,用電弧放電法制備了單壁碳納米管并對(duì)其性能進(jìn)行了表征。用旋涂技術(shù)將表面處理后的碳納米管均勻涂覆在晶硅電池表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層可大幅提高電池的各種性能,具體與碳納米管的濃度和分散性有關(guān)。當(dāng)碳管濃度為360tube/μm2時(shí),電池的相對(duì)效率可提高3.92%,短路電流提高1.71%。主要原因是單壁碳納米管具有高導(dǎo)電性和光吸收特性,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有陷光作用減少了光的反射,高導(dǎo)電性提高了載流子的表面?zhèn)鬏斝阅芴岣?即降低了表面電阻),另外具有一維納米結(jié)構(gòu)的碳管在電池表面可產(chǎn)生激子效應(yīng),提高了光的利用率。由于Ni納米線具有高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性,本論文用肼還原法在磁場(chǎng)誘導(dǎo)下制備了ni納米線并進(jìn)行了性能表征。用旋涂技術(shù)將表面處理后的ni線涂覆在晶硅電池表面,形成ni納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ni網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也可以提高電池性能,當(dāng)濃度為200mg/m2時(shí),電池的絕對(duì)效率提高0.75%,表面電阻下降5Ω/sq。可見,ni納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層在一定程度上降低表面電阻從而提高電池性能,但與碳管相比,因直徑較大,表面有很多缺陷,以及分布均勻性的影響等,使得性能提高的幅度不大。采用射頻濺射法在晶硅電池表面制備了摻雜al的zno(azo)納米薄膜并進(jìn)行了性能表征。發(fā)現(xiàn)azo納米薄膜可提高晶硅電池的綜合性能,當(dāng)azo薄膜厚度約為100nm時(shí),電池的絕對(duì)效率可提高0.67%,填充因子提高3.16%。這是由于azo薄膜與電池表面的sinx層形成了新型減反層,減少了光反射,同時(shí)其良好的導(dǎo)電性也提高了載流子的傳輸性能,降低了串聯(lián)電阻,使得電池性能有所改善。采用第一性原理計(jì)算研究了石墨烯二維碳基納米材料的性質(zhì)與尺寸的關(guān)系,結(jié)果表明石墨烯納米片的能隙隨著尺寸的增加逐漸減小,室溫下比熱容也隨尺寸的增加而減小。引入缺陷后,石墨烯納米片的性質(zhì)依賴于尺寸,缺陷比越高,影響越大。本文也模擬計(jì)算了碳原子鏈的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)具有polyyne形態(tài)的一維碳原子鏈有極高的軸向強(qiáng)度(1304.19gpa),且表現(xiàn)為金屬特性;另一種cumulene形態(tài)的碳原子鏈則具有半導(dǎo)體性質(zhì)(eg=1.859ev)。摻雜硫原子的碳原子鏈的計(jì)算結(jié)果表明摻雜后的碳原子鏈也具有優(yōu)異的物理特性,而且摻雜量會(huì)影響碳原子鏈的性質(zhì)。這些理論計(jì)算結(jié)果表明,石墨烯納米片和碳原子鏈都具有優(yōu)異的物理特性,用于光伏電池后有望提高電池性能。 【關(guān)鍵詞】：光伏電池 單壁碳納米管 Ni納米線 ZnO納米線 碳原子鏈 石墨烯納米片
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914;TB383.1
【目錄】：

• 摘要6-9
• abstract9-15
• 第一章 緒論15-26
• 1.1 晶硅光伏電池簡(jiǎn)介15-21
• 1.1.1 晶硅光伏電池的發(fā)展15-16
• 1.1.2 晶硅電池的工作原理16-20
• 1.1.3 影響晶硅電池性能的主要因素20-21
• 1.2 納米技術(shù)在晶硅電池中的應(yīng)用21-24
• 1.2.1 納米材料的特性及其在光伏電池中的應(yīng)用21-22
• 1.2.2 納米材料性能的理論計(jì)算方法22-24
• 1.3 一維納米材料的特性及其在光伏電池中的應(yīng)用研究24-25
• 1.4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容25-26
• 第二章 單壁碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)及其在晶硅電池中的應(yīng)用研究26-35
• 2.1 碳納米管簡(jiǎn)介26-28
• 2.1.1 碳納米管的發(fā)現(xiàn)26
• 2.1.2 單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)26-28
• 2.2 單壁碳納米管的制備及性能28-31
• 2.3 單壁碳納米管晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的制備31-32
• 2.4 單壁碳納米管晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的性能研究32-34
• 2.5 本章小結(jié)34-35
• 第三章 Ni納米線的制備及其在晶硅電池中的應(yīng)用研究35-41
• 3.1 Ni納米材料簡(jiǎn)介35
• 3.2 Ni納米線的肼還原法制備及表征35-36
• 3.3 Ni納米線晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的制備36-38
• 3.4 Ni納米線晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的性能研究38-41
• 3.5 本章小結(jié)41
• 第四章 Zn O納米線/膜的制備及其在晶硅電池中的應(yīng)用研究41-54
• 4.1 ZnO納米材料簡(jiǎn)介41-42
• 4.2 ZnO納米線的制備42-44
• 4.3 ZnO納米線陣列的低溫熏蒸法制備及性能表征44-47
• 4.3.1 ZnO納米線陣列的制備44-45
• 4.3.2 ZnO納米線陣列的理論分析45-47
• 4.4 ZnO薄膜的射頻磁控濺射制備及性能表征47-48
• 4.5 納米ZnO晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的制備48-49
• 4.6 納米ZnO晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的性能研究49-53
• 4.7 本章小結(jié)53-54
• 第五章 碳原子鏈及石墨烯納米片性能的理論模擬54-68
• 5.1 碳原子鏈54-63
• 5.1.1 碳原子鏈簡(jiǎn)介54-55
• 5.1.2 碳原子鏈的模擬計(jì)算方法55-57
• 5.1.3 碳原子鏈的力、熱、電性能的理論計(jì)算結(jié)果57-60
• 5.1.4 摻雜S的碳原子鏈理論計(jì)算方法及結(jié)果60-63
• 5.2 石墨烯納米片63-67
• 5.2.1 石墨烯簡(jiǎn)介63
• 5.2.2 石墨烯納米片的理論模擬計(jì)算方法63-65
• 5.2.3 石墨烯納米片的電、熱性能的理論計(jì)算結(jié)果65-67
• 5.3 本章小結(jié)67-68
• 第六章 全文總結(jié)與展望68-72
• 6.1 主要結(jié)論68-71
• 6.1.1 單壁碳納米管晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池68
• 6.1.2 Ni納米線晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池68-69
• 6.1.3 納米ZnO晶硅復(fù)合結(jié)構(gòu)電池69
• 6.1.4 ZnO納米線及納米線陣列69-70
• 6.1.5 碳原子鏈與石墨烯納米片70-71
• 6.2 展望71-72
• 參考文獻(xiàn)72-81
• 致謝81-82
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文82

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