硅納米線陣列的制備及光伏應(yīng)用的研究

【摘要】：光伏發(fā)電技術(shù)是解決能源危機和環(huán)境污染的有效途徑之一。目前,晶體硅太陽電池仍占據(jù)了大部分市場,但是較高的成本阻礙了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。硅納米線由于具有優(yōu)異的光吸收性能以及高效的載流子分離性能,被認為在實現(xiàn)高效率、低成本的太陽電池方面具有廣闊的發(fā)展前景。因此,對硅納米線陣列的光伏應(yīng)用的研究顯得十分有意義。本文研究了硅納米線陣列的減反射性質(zhì)、電池性能以及表面鈍化,得到以下結(jié)果： (1)金屬輔助化學(xué)刻蝕(MACE)方法制備硅納米線是通過Ag納米顆粒薄膜的不斷垂直下沉,催化刻蝕得到硅納米線陣列的。硅納米線陣列的長度可以通過調(diào)整刻蝕時間來調(diào)控,納米線長度與刻蝕時間成線性關(guān)系。硅納米線陣列在很大范圍內(nèi)(300-1000nm)具有很低的反射率(1%),且在研究范圍內(nèi),隨納米線長度增加,減反射性能增強。同時,在保證前表面電極緊密接觸的基礎(chǔ)上,所制備的硅納米線太陽電池的效率為8.84%,明顯高于拋光片制備成的平板電池。電池效率增加的原因,除了硅納米線陣列優(yōu)異的減反射性能外,被改善的長波長太陽光的吸收導(dǎo)致的少子體復(fù)合減少也是另外一個原因。 (2)通過調(diào)整反應(yīng)時間可以操控硅納米線陣列的長度,硅納米線陣列的反射率隨長度增加而降低。結(jié)合熱氧化與氫氟酸處理的方式可以實現(xiàn)對硅納米線陣列填充率的操控,隨著硅納米線填充率不斷下降,其反射率先降低后升高。通過干氧熱氧化的方法可以獲得硅-二氧化硅核殼納米線陣列結(jié)構(gòu),且這種結(jié)構(gòu)不僅能進一步降低硅納米線的反射率,同時兼具有鈍化表面態(tài)的作用。最后,通過將操控硅納米線陣列的長度、填充率、核殼結(jié)構(gòu)三種手段相結(jié)合,制備了優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的最低反射率樣品,其在400-1000nm波段內(nèi)的反射率低于O.9%。 (3)采用PECVD法沉積的氮化硅薄膜,與硅納米線陣列形成了核殼納米線結(jié)構(gòu)。對原生沉積有氮化硅薄膜的硅納米線樣品在400℃下進行熱處理,可以增強氮化硅薄膜對硅納米線陣列的鈍化效果,其原因是薄膜中的Si-H鍵斷裂,并擴散至薄膜與納米線的界面,鈍化硅納米線表面的懸掛鍵。此外,氮化硅薄膜與硅納米線陣列的界面深能級信息表明,無論在界面處陷阱的密度上還是陷阱能級的復(fù)合能力上,熱處理后樣品都優(yōu)于原生樣品。這個結(jié)果也證實了氮化硅薄膜對硅納米線陣列的鈍化作用。經(jīng)氮化硅薄膜鈍化后的硅納米線陣列太陽電池的性能得到顯著提高,轉(zhuǎn)換效率從12.83%提高至14.47%。 【關(guān)鍵詞】：硅納米線陣列 金屬輔助化學(xué)刻蝕 減反射 太陽電池 鈍化
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• 第一章 緒論11-15
• 1.1 研究的背景和意義11-12
• 1.2 本研究的目的和內(nèi)容12
• 1.3 本論文的結(jié)構(gòu)安排及內(nèi)容提要12-15
• 第二章 文獻綜述15-35
• 2.1 引言15
• 2.2 硅納米線陣列的制備15-21
• 2.2.1 化學(xué)氣相沉積法(CVD)16-17
• 2.2.2 金屬輔助化學(xué)刻蝕法(MACE)17-21
• 2.3 硅納米線陣列的光吸收性質(zhì)的研究21-24
• 2.3.1 硅納米線陣列的光吸收性質(zhì)的數(shù)值計算研究21-22
• 2.3.2 硅納米線陣列的光吸收性質(zhì)的實驗研究22-24
• 2.4 硅納米線的光伏應(yīng)用24-30
• 2.4.1 基于硅納米線陣列減反層的太陽能電池24-26
• 2.4.2 徑向pn結(jié)硅納米線太陽能電池26-28
• 2.4.3 軸向p-n結(jié)硅納米線太陽能電池28-30
• 2.5 晶體硅的表面鈍化的研究30-32
• 2.5.1 晶體硅的表面鈍化技術(shù)30-32
• 2.5.2 黑硅的表面鈍化研究32
• 2.6 本文研究方向的提出32-35
• 第三章 實驗方案及測試儀器35-43
• 3.1 實驗方案35-36
• 3.1.1 摻磷發(fā)射極硅納米線陣列太陽能電池的制備與表征35
• 3.1.2 硅納米線陣列的模版法制備、形貌操控以及減反射性能的研究35-36
• 3.1.3 硅納米線的鈍化36
• 3.2 實驗設(shè)備與測試儀器36-43
• 3.2.1 掃描電子顯微鏡36-37
• 3.2.2 透射電子顯微鏡37
• 3.2.3 紫外可見吸收光譜儀37-38
• 3.2.4 電流-電壓特性曲線測試系統(tǒng)38-39
• 3.2.5 量子效率測試系統(tǒng)39
• 3.2.6 直流反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)39-40
• 3.2.7 電容-電壓特性曲線測試系統(tǒng)40-41
• 3.2.8 深能級瞬態(tài)譜測試系統(tǒng)(DLTS)41-43
• 第四章 摻磷發(fā)射極硅納米線陣列太陽能電池的制備與表征43-53
• 4.1 引言43-44
• 4.2 實驗44-46
• 4.2.1 硅納米線陣列的制備44
• 4.2.2 硅納米線太陽能電池的制備與表征44-46
• 4.3 硅納米線陣列的制備與表征46-49
• 4.3.1 硅納米線陣列的形成過程與形貌表征46-47
• 4.3.2 不同長度硅納米線陣列的形貌表征47-48
• 4.3.3 不同長度硅納米線陣列的減反射性能研究48-49
• 4.4 摻磷發(fā)射極硅納米線太陽能電池的制備與表征49-51
• 4.4.1 硅納米線太陽能電池的Ⅰ-Ⅴ特性49-50
• 4.4.2 硅納米線太陽能電池的量子效率50-51
• 4.5 本章小結(jié)51-53
• 第五章 硅納米線陣列的模版法制備、形貌操控以及減反射性能的研究53-69
• 5.1 引言53
• 5.2 實驗53-55
• 5.2.1 陽極氧化鋁模版(AAO)輔助制備硅納米線陣列53-54
• 5.2.2 硅納米線陣列的形貌操控以及反射率的研究54-55
• 5.3 硅納米線陣列的AAO模版法制備與形貌表征55-58
• 5.4 硅納米線陣列的形貌操控以及減反射性能的研究58-66
• 5.4.1 不同長度硅納米線陣列的制備以及減反射性能的研究58-60
• 5.4.2 不同填充率的硅納米線陣列的制備以及減反射性能的研究60-63
• 5.4.3 硅-二氧化硅核殼納米線陣列的制備以及減反射性能的研究63-65
• 5.4.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的最低反射率65-66
• 5.5 結(jié)論66-69
• 第六章 氮化硅薄膜對硅納米線陣列的鈍化研究69-81
• 6.1 引言69
• 6.2 實驗69-71
• 6.2.1 硅納米線陣列的鈍化效果研究69-70
• 6.2.2 鈍化對硅納米線陣列太陽電池性能的影響70-71
• 6.3 氮化硅薄膜/硅納米線陣列的形貌表征71-73
• 6.4 氮化硅薄膜對硅納米線陣列的鈍化73-77
• 6.4.1 熱處理對氮化硅薄膜鈍化效果的影響73-75
• 6.4.2 氮化硅薄膜與硅納米線陣列界面處深能級的研究75-77
• 6.5 氮化硅薄膜鈍化前后電池性能的變化77-79
• 6.6 本章小結(jié)79-81
• 第七章 結(jié)論81-83
• 參考文獻83-91
• 致謝91-93
• 個人簡介93-95
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其它成果95

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